能量整形視角交流電動機(jī)的動靜態(tài)性能研究,電氣工程碩士論文當(dāng)前，溝通電機(jī)的電氣傳動技術(shù)是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要傳動方式，但溝通電機(jī)為高階、強(qiáng)耦合和多變量的非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的線性控制策略無法有效地解決輸入與輸出的獨(dú)立性控制等相關(guān)問題，尤其在一些調(diào)速性能要求較高的領(lǐng)域，更是難以到達(dá)控制要求。因而，國內(nèi)外學(xué)者對溝通電動機(jī)的控制問題進(jìn)行了廣泛而深切進(jìn)入的分析與研究。當(dāng)前，應(yīng)用到溝通電動機(jī)的控制方式方法還有非線性控制方式方法和智能控制方式方法，這些控制方式方法的應(yīng)用使得系統(tǒng)的控制性能得到了極大的改善，但是它們幾乎沒有考慮系統(tǒng)的位置控制，也很少從能量的角度來考慮溝通電機(jī)的控制問題。因而，本文從能量整形的角度來對溝通電動機(jī)的動靜態(tài)性能進(jìn)行分析與研究。本文首先介紹了基于能量觀點(diǎn)的控制律設(shè)計(jì)方式方法受控拉格朗日函數(shù)(ControlledLagrangians，縮寫為CL)法的主要步驟、核心點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)，并將其與端口受控的耗散哈密頓控制方式方法進(jìn)行了比擬，得到其相比于端口受控的耗散哈密頓控制方式方法的優(yōu)越性；接著介紹了溝通電動機(jī)的基本構(gòu)造以及數(shù)學(xué)模型，為后文將CL法應(yīng)用到溝通電動機(jī)的控制問題奠定了重要基礎(chǔ)。其次，針對溝通電動機(jī)具有高階、強(qiáng)耦合、非線性以及系統(tǒng)的輸入空間維數(shù)小于系統(tǒng)自由度個數(shù)的特點(diǎn)，本文將受控拉格朗日函數(shù)法分別應(yīng)用到溝通異步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor，縮寫為PMSM)的控制問題中。根據(jù)系統(tǒng)期望的受控能量來構(gòu)造CL和廣義力，得到系統(tǒng)的受控方程。為保證受控方程與原始方程兩者相匹配，在廣義力中引入含有速度一次項(xiàng)的保守力，得到兩者相匹配的條件。通過求解匹配條件中的偏微分方程，可得到系統(tǒng)匹配控制器的參數(shù)范圍，進(jìn)一步可得到系統(tǒng)詳細(xì)的匹配控制律，該控制律可同時實(shí)現(xiàn)位置與速度的全局漸近鎮(zhèn)靜。接著，取系統(tǒng)正定的受控能量函數(shù)作為Lyapunov函數(shù)，證明得到的匹配控制律能使系統(tǒng)在期望平衡點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全局穩(wěn)定，再利用LaSalle不變定理對漸近穩(wěn)定性進(jìn)行證明。最后，對文章的主要內(nèi)容進(jìn)行了扼要概括，并且表示清楚了在本文的基礎(chǔ)上將來還可進(jìn)一步研究魯棒CL法。本文關(guān)鍵詞語：溝通電動機(jī)；受控拉格朗日函數(shù)法；欠驅(qū)動系統(tǒng)；匹配條件；位置與速度鎮(zhèn)靜。AbstractAtpresent,theelectricdrivetechnologyofACmotorisanimportantdrivemodeinmodernindustrialproduction,buttheACmotorisahigh-order,strongcouplingandmultivariablenonlinearsystem.Thetraditionallinearcontrolstrategycannoteffectivelysolvetheinputandoutputindependencecontrolandotherrelatedproblems,especiallyinsomeareaswithhighspeedregulationperformancerequirements,itisdifficulttoachievethecontrolrequirements.Therefore,scholarshaveconductedwidelyanddeeplyanalysisandresearchonthecontrolofACmotor.Now,thecontrolmethodsappliedtoACmotorincludenonlinearcontrolmethodandintelligentcontrolmethod.Theapplicationofthesecontrolmethodshasgreatlyimprovedthecontrolperformanceofthesystem,buttheyhardlyconsiderthepositioncontrolofthesystem,andrarelyconsiderthecontrolproblemofACmotorfromtheperspectiveofenergy.Therefore,thispaperanalyzesandstudiesthedynamicandstaticperformanceoftheACmotorfromtheperspectiveofenergyshaping.Firstly,thedesignmethodofcontrollawbasedonenergy(ControlledLagrangians,CL)isintroduced.Inaddition,themainsteps,corepoints,advantagesanddisadvantagesofCLmethodisintroduced,ComparedwiththePortControlledHiltonianwithDissipation(PCHD)controlmethod,theadvantageoftheCLmethodisobtained.ThenthebasicstructureandmathematicalmodelofACmotorisintroduced,whichlaysanimportantfoundationfortheapplicationofCLmethodtothecontrolofACmotor.Then,forthecharacteristicsofhighorder,strongcoupling,non-linearandtheinputspacedimensionofthesystemislessthanthenumberofdegreesoffreedomofthesystem,TheCLmethodisappliedtothecontrolproblemsofACasynchronousmotorandpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)respectively.Accordingtotheexpectedcontrolledenergyofthesystem,CLandgeneralizedforceareconstructed,andthecontrolledequationofthesystemisobtained.Inordertoensurethematchingbetweenthecontrolledequationandtheoriginalequation,theconservativeforcewiththefirst-ordertermofvelocityisintroducedintothegeneralizedforce,andthematchingconditionisobtained.Bysolvingthepartialdifferentialequationinthematchingcondition,theparameterrangeofthesystemmatchingcontrollercanbeobtained,andthenthespecificmatchingcontrollawofsystemcanbeobtained,whichcanrealizetheglobalasymptoticstabilizationofthepositionandspeedsimultaneously.Next,thepositivedefinitecontrolledenergyfunctionofthesystemistakenasLyapunovfunctiontoprovetheobtainedmatchingcontrollawcanmakethesystemgloballystableattheexpectedequilibriumpoint,andasymptoticstabilityisprovedbyusingLaSalleinvariancetheorem.Finally,themaincontentsofthispaperarebrieflysummarized,anditisshownthattherobustCLmethodcanbefurtherstudiedinthefuture.KeyWords:ACMotor,ControlledLagrangians,UnderdriveSystem,MatchingCondition,PositionandVelocityStabilization。1、緒論1.1、研究背景及意義。在十九世紀(jì)八十年代以前，直流電動機(jī)拖動是當(dāng)時獨(dú)有的電氣傳動方式。由于直流電動機(jī)具備相對較好的的制動和調(diào)速性能，因此在電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用。到了十九世紀(jì)末，出現(xiàn)了一種與直流電動機(jī)不同的傳動方式，即溝通電動機(jī)。與直流電動機(jī)相比，溝通電動機(jī)的可靠性相對較高，適應(yīng)性較強(qiáng)，而且制造與維護(hù)較簡單，故溝通電動機(jī)的應(yīng)用范圍比直流電動機(jī)相對較廣一些。溝通電動機(jī)主要分為兩大類，即異步〔感應(yīng)〕電動機(jī)和同步電動機(jī)。這兩類電動機(jī)在物理構(gòu)造和工作性能上雖有些不同，但是定子中發(fā)生的電磁經(jīng)過以及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的原理、條件卻一樣。因而，一般能夠用同一觀點(diǎn)或控制策略來對其控制性能進(jìn)行分析與研究。異步電動機(jī)具有適應(yīng)環(huán)境性強(qiáng)、維護(hù)相對較少、容量較大以及轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用，但由于當(dāng)時無法解決其非線性性質(zhì)的高性能轉(zhuǎn)矩控制問題，所以近百年來溝通電氣傳動主要應(yīng)用于恒速運(yùn)行場合。同步電機(jī)的出現(xiàn)使得大容量發(fā)電以及系統(tǒng)功率因數(shù)的調(diào)整問題得到了解決[1,2]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)力的不斷提高，生產(chǎn)裝置對電氣傳動的動、靜態(tài)性能指標(biāo)有了更高層次的要求，如制動、調(diào)速范圍及精度等。因而，這就需要大量地使用調(diào)速系統(tǒng)。二十世紀(jì)三十年代，由于直流電動機(jī)與溝通電動機(jī)相比，易于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的控制，故直流調(diào)速系統(tǒng)在當(dāng)時就已開場使用。到了二十世紀(jì)八十年代，由于大功率晶體管組成的脈寬調(diào)制技術(shù)已趨于成熟，并且已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，故使得直流調(diào)速的控制性能以及經(jīng)濟(jì)性得到了進(jìn)一步的提高，而且還在諸多場合被廣泛的使用。由于直流電動機(jī)存在電刷和換向器，且其制造工藝技術(shù)相對復(fù)雜，成本相對高等因素，導(dǎo)致其維護(hù)較費(fèi)事，應(yīng)用場合也遭到一定的限制，難以向高轉(zhuǎn)速、高電壓以及大容量發(fā)展。因而，直流電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)當(dāng)代社會的調(diào)速需求。二十世紀(jì)七十年代以來，由于電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，推動了溝通電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)的研究和開發(fā)；同時，溝通電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)也逐步地在各行各業(yè)被普遍地應(yīng)用。后來，隨著非線性控制理論的快速發(fā)展以及其在電機(jī)控制領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，溝通電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度以及動態(tài)響應(yīng)等各性能指標(biāo)得到了進(jìn)一步的提升[3,4]。由于溝通電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)在控制性能上與直流電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)完全能夠媲美，甚至還要優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，故溝通電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)已在電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)的市場中處于主導(dǎo)地位[5,6]。然而，溝通電動機(jī)由于本身的性質(zhì)，即高階、強(qiáng)耦合、多變量及非線性等特性，導(dǎo)致對其進(jìn)行分析與控制時增加了一定的難度。同時，由于一些內(nèi)部或外部的不確定因素會影響溝通電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的精到準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響其控制性能。若以近似的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)給溝通電動機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與之對應(yīng)的控制器，只會在一定的范圍之內(nèi)符合系統(tǒng)的控制要求，盡可能地保證系統(tǒng)的控制性能[7,8]。部分當(dāng)代控制理論并不依靠于被控目的的數(shù)學(xué)模型，就可使系統(tǒng)獲得相對較好的動、靜態(tài)性能，而且還可加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。傳統(tǒng)的線性控制策略由于其本身的特性并不能完全克制系統(tǒng)負(fù)載的擾動、被控目的參數(shù)的大范圍變化以及一些內(nèi)部或外部的不確定因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致其控制性能不佳，無法知足高精度的控制要求[9]。因而，研究當(dāng)代控制理論來改善與提高溝通電動機(jī)的控制性能具有重要的理論意義。物理系統(tǒng)中，能量一般是最基本的概念。通常將動態(tài)系統(tǒng)中各物理量的變化看作是一種能量變化的表現(xiàn)，如速度的改變則是系統(tǒng)動能變化的具體表現(xiàn)出，電感電流的改變則是系統(tǒng)電磁能變化的具體表現(xiàn)出，電容兩端電壓的改變則是電場能變化的具體表現(xiàn)出。因而，只要動態(tài)系統(tǒng)的能量能被控制，則系統(tǒng)的物理量就能夠被控制[10]。以能量為中心設(shè)計(jì)控制器的方式方法最早被應(yīng)用在力學(xué)類系統(tǒng)的控制問題中，如倒立擺的控制。這種方式方法通過系統(tǒng)的受控能量去表示出或描繪敘述受控的閉環(huán)系統(tǒng)，使受控系統(tǒng)從形式上保持拉格朗日力學(xué)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了能量整形。對于控制目的而言，能量整形使得系統(tǒng)的閉環(huán)能量函數(shù)具備了期望的性質(zhì)[11]。對于能量整形，有兩種基于能量的控制方式方法，一種是在哈密頓框架下的構(gòu)成的端口受控的哈密頓法[12]；另一種則是在拉格朗日框架下構(gòu)成的CL法[13-15]。CL法利用被控目的本身的非線性來控制系統(tǒng)，不像其它控制策略試圖去做線性化的努力，如補(bǔ)償、反應(yīng)以及壓制或抵消被控目的的非線性，再使用線性系統(tǒng)的控制策略來對被控目的進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)的控制策略和端口受控的哈密頓方式方法相比，CL法數(shù)學(xué)形式更簡單、物理意義更明確、易理解，而且該方式方法與其它的控制策略相比，收斂范圍較大。系統(tǒng)的受控能量函數(shù)還可作為Lyapunov函數(shù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析具有極大的幫助。因而，用CL法分析溝通電動機(jī)的控制問題，具有重要的理論意義。【由于本篇文章為碩士論文，如需全文請點(diǎn)擊底部下載全文鏈接】1.2、國內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況1.2.1、溝通異步電動機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)在狀況1.2.2、PMSM的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)在狀況1.3、本文主要內(nèi)容2、基礎(chǔ)理論2.1、受控拉格朗日函數(shù)法介紹2.2、坐標(biāo)變換與變換矩陣2.2.1、變換矩陣的約束條件.2.2.2、Clarke變換.2.2.3、Park變換2.3、溝通異步電動機(jī)的一-般數(shù)學(xué)模型2.3.1、溝通異步電動機(jī)在三相靜止ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型.2.3.2、溝通異步電動機(jī)在兩相靜止o坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型.2.3.3、溝通異步電動機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.4、PMSM的基本構(gòu)造以及工作原理.2.5、PMSM的--般數(shù)學(xué)模型2.5.1、PMSM在三相靜止ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.5.2、PMSM在兩相靜止o坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.5.3、PMSM在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型.2.6、本章小結(jié)3、基于受控拉格朗日函數(shù)的溝通異步電動機(jī)控制器設(shè)計(jì).3.1、符號介紹3.2、數(shù)學(xué)模型3.3、構(gòu)造受控能量和廣義力3.4、確定匹配條件及控制器.3.5、求解匹配條件及控制律.3.6、穩(wěn)定性證明及仿真結(jié)果分析.3.6.1、穩(wěn)定性證明.3.6.2、仿真結(jié)果分析.3.7、本章小結(jié)4、基于受控拉格朗日函數(shù)的PMSM控制器設(shè)計(jì).4.1、PMSM的數(shù)學(xué)模型4.2、構(gòu)造受控能量和廣義力4.3、確定匹配條件及控制器4.4、求解匹配條件及控制律.4.5、穩(wěn)定性證明及仿真結(jié)果分析.4.5.1、穩(wěn)定性證明.4.5.2、仿真結(jié)果分析.4.6、本章小結(jié)結(jié)論本文首先對基于能量的構(gòu)造性的控制