本文關(guān)鍵詞：基于微分幾何的交流電機非線性控制理論研究與應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：截至到20世紀末,大多數(shù)板帶鋼材卷取生產(chǎn)線采用直流電機作為核心引擎。近十幾年來,隨著液壓傳動系統(tǒng)的不斷改進和先進的電力電子變頻裝置的應(yīng)用,越來越多的交流電動機成為帶鋼卷取機的主引擎。成品板帶材的自動卷取是整個熱軋生產(chǎn)過程的最后一道工序,也是保證連續(xù)生產(chǎn)線高效率運作的重要環(huán)節(jié),所以在國內(nèi)外鋼鐵工業(yè)中對卷取機的卷動速度和轉(zhuǎn)矩等多個指標的控制都有很高的要求。那么針對卷取機主卷筒內(nèi)的交流電動機,設(shè)計出更先進的非線性控制算法便成為構(gòu)造此類電力拖動系統(tǒng)的核心任務(wù)。這也正是本課題的工程背景：通過研制新型交流電機的非線性控制器,實現(xiàn)對卷取張力的高性能控制,保證整個帶鋼生產(chǎn)線的高效連續(xù)生產(chǎn),確保良好的帶鋼產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。 本文在交流電動機非線性控制的理論研究方面,涉及了當(dāng)今非線性控制理論的兩大分支。一個分支是“模型論”,即以已知被控對象的精確模型為前提,進行控制算法的研究與開發(fā)。另一分支是“調(diào)節(jié)論”,對被控對象的數(shù)學(xué)模型依賴程度不高,而是重點關(guān)注如何消除受控系統(tǒng)某狀態(tài)變量反饋值與設(shè)定值的誤差,以“依偏差消除偏差”的思想為指導(dǎo),通過動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸入量,實現(xiàn)對整個系統(tǒng)輸出值的跟蹤控制。以下是本課題中的主要理論成果： 1)以當(dāng)前交流電機驅(qū)動的卷取機的生產(chǎn)工藝特點為基礎(chǔ),研究含振動因素的帶鋼卷取張力控制模型,建立與熱軋交流電機驅(qū)動的卷取機恒張力控制相適應(yīng)的卷取機轉(zhuǎn)速規(guī)程。提出以微分幾何非線性控制方法解決高速連續(xù)卷取過程中的張力／卷速間接控制問題。對于交流電動機這一類仿射型非線性系統(tǒng),首次引入輸入-狀態(tài)穩(wěn)定(Input-State Stability, ISS)的概念證明基于微分幾何的電機非線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。提出將非線性控制律作用下的仿射非線性系統(tǒng)看作廣義互聯(lián)系統(tǒng),然后對大系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)分別討論ISS特性,再結(jié)合小增益定理推證整個非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后通過仿真測試驗證所述理論的正確性。 2)在滿足熱軋帶鋼卷取張力控制指標的前提下,增加考察交流異步電機的鐵芯能耗因素,建立了含鐵耗因素的電機能耗模型。基于此模型設(shè)計卷取機的張力／速度控制系統(tǒng),并設(shè)計出具體的實驗配置及實現(xiàn)方案。重點是對于交流異步電動機的多輸入多輸出仿射非線性系統(tǒng),運用精確反饋線性化(Exact Feedback Linearization, EFL)算法設(shè)計出系統(tǒng)的非線性控制律和最優(yōu)控制器。實驗數(shù)據(jù)表明將微分幾何非線性控制應(yīng)用于交流電機驅(qū)動的卷取機系統(tǒng),可以達到多目標優(yōu)化控制的效果,在鐵芯能耗動態(tài)可控的約束條件下,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。 3)提出基于自抗擾控制思想的主動轉(zhuǎn)速補償控制(Active Speed Compensation Control, ASCC)策略,以克服傳統(tǒng)交流電機驅(qū)動的卷取機中直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control, DTC)系統(tǒng)的固有缺陷,解決因較大沖擊性機械負荷導(dǎo)致的電機轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速降落問題。設(shè)計出交流電動機的主動補償策略,并且在理論上做出非線性擴張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer, ESO)的穩(wěn)定性論證。最后以仿真測試驗證控制策略的良好性能。 4)基于對兩類非線性控制方法的研究,本文進一步提出將微分幾何非線性控制與自抗擾擴張狀態(tài)觀測器相結(jié)合的非線性控制方法。同樣以交流異步電動機作為被控對象給出詳細的控制算法設(shè)計過程,提出并且論證此類非線性控制律存在的理論條件。最后采用一種新穎的仿真技術(shù)：基于Saber和Simulink軟件平臺的聯(lián)合仿真方法,進行電機控制的仿真研究,驗證基于觀測器的精確反饋線性化控制(EFLESO)方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：微分幾何 非線性控制 交流異步電動機 穩(wěn)定性 卷取機
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O231
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 插圖清單13-15
• 1 緒論15-31
• 1.1 課題的工程背景15-18
• 1.2 非線性控制理論綜述18-27
• 1.2.1 非線性控制理論分為兩大分支18-23
• 1.2.2 微分幾何非線性控制理論的發(fā)展23-24
• 1.2.3 非線性控制理論的不足24-27
• 1.3 本文的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點27-31
• 2 交流電機驅(qū)動的卷取機生產(chǎn)工藝及數(shù)學(xué)模型31-51
• 引言31
• 2.1 熱連軋帶鋼卷取工藝31-34
• 2.2 卷取速度規(guī)程計算模型34-39
• 2.2.1 卷取機各工作時段的卷徑計算36-37
• 2.2.2 卷筒旋轉(zhuǎn)速度及角加速度計算37-39
• 2.3 卷取張力控制模型39-47
• 2.3.1 間接型卷取張力控制方法39-41
• 2.3.2 卷取機的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器原理41-43
• 2.3.3 交流電機驅(qū)動的卷取機模型43-45
• 2.3.4 交流異步電動機轉(zhuǎn)矩控制分析45-47
• 2.4 交流電機驅(qū)動的卷取機的控制系統(tǒng)仿真47-49
• 小結(jié)49-51
• 3 基于微分幾何的非線性控制及穩(wěn)定性分析51-71
• 引言51
• 3.1 微分幾何非線性控制理論基礎(chǔ)51-56
• 3.2 非線性系統(tǒng)精確反饋線性化原理56-60
• 3.2.1 相對階等于系統(tǒng)的維數(shù)的情況57-58
• 3.2.2 相對階不等于系統(tǒng)的維數(shù)的情況58-60
• 3.3 精確反饋線性化控制的穩(wěn)定性論證60-67
• 3.3.1 ISS穩(wěn)定性理論61-62
• 3.3.2 電動機子系統(tǒng)的ISS穩(wěn)定性證明62-64
• 3.3.3 級聯(lián)型EFL控制系統(tǒng)的ISS穩(wěn)定性64-67
• 3.4 交流異步電動機的非線性控制器仿真67-70
• 小結(jié)70-71
• 4 微分幾何非線性控制在交流電機驅(qū)動的卷取機中的應(yīng)用71-91
• 引言71
• 4.1 交流異步電機的能耗效率模型71-73
• 4.2 交流電機系統(tǒng)的精確反饋線性化73-79
• 4.3 非線性魯棒控制器設(shè)計79-82
• 4.4 交流電機驅(qū)動的卷取機能耗效率控制仿真測試82-85
• 4.5 交流電機驅(qū)動的卷取機控制系統(tǒng)實驗85-89
• 小結(jié)89-91
• 5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主動轉(zhuǎn)速補償控制91-109
• 引言91
• 5.1 自抗擾控制理論在DTC控制系統(tǒng)的應(yīng)用91-93
• 5.2 交流異步電動機的擴張觀測器設(shè)計93-96
• 5.2.1 非線性擴張觀測器模型93-94
• 5.2.2 交流電動機轉(zhuǎn)速擴張觀測器的設(shè)計94-96
• 5.3 基于ESO的主動速度補償控制96-99
• 5.4 高階非線性觀測器的穩(wěn)定性證明99-101
• 5.5 基于ASCC的卷取機DTC系統(tǒng)仿真分析101-108
• 小結(jié)108-109
• 6 基于擴張觀測器的精確反饋線性化控制109-129
• 引言109
• 6.1 結(jié)合主動補償控制的精確反饋線性化策略109-111
• 6.2 異步電機系統(tǒng)的自抗擾精確反饋線性化設(shè)計111-116
• 6.3 基于ESO的非線性控制律存在性證明116-118
• 6.4 SaberRD Simulink聯(lián)合仿真方法118-122
• 6.5 仿真測試與結(jié)果分析122-128
• 小結(jié)128-129
• 7 結(jié)論與展望129-133
• 7.1 論文的總結(jié)與思考129-131
• 7.2 后續(xù)研究的展望131-133
• 參考文獻133-144
• 作者簡歷及在學(xué)研究成果144-149
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集149

【參考文獻】

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本文編號：258816