永磁直线同步电机的能量整形控制研究

This project study the energy-shaping control method for permanent magnet linear synchronous motor(PMLSM) based on the Hamiltonian control method。 Hamiltonian system has the advantages such as a clear structure, provide the physical interpretation of system and its control behavior, the Hamiltonian function is a quasi Lyapunov function and so on. Linear motors are electromagnetic tranmission and can converted electricity directly into linear motion without any intermediate conversion mechanism. High precision linear motor servo systems have become the new direction development of servo system. First, we estabilish PMLSM servo system's Hamiltonian modle and Hamiltonian function under ideal conditions, then the PMLSM energy shaping control will be realized. Second, in order to overcome the enverimovent distrubance impact on PMLSM servo performance such as PMLSM's end effect and load variations, further PMLSM energy servo control will be studied with pseduo-Hamiltonian control theory which have been applied in areas such as parameter delay, transimission loss, cooperative control and so on. Finally, the PMLSM servor control experiment platform will be build at the same time, and the validity of the above methods will be verified in two ways of the theoretical simulation and experiment. This project belongs to Interdisciplinary of nonlinear control science and motion control technology. We study the servo system's energy characteristics to improve servo system's robustness and accuracy which break the conventional servo system control ideas. This project research has important economic and social benefits.

本项目基于哈密顿理论控制方法，研究永磁直线同步电机伺服控制的能量整形实现。哈密顿系统具有结构清晰、能够提供系统及其控制行为的物理解释、哈密顿函数为准Lyapunov 函数等优点。直线电机把电能直接转换成直线运动，而不需要任何中间转换机构的电磁传动装置，高精度直线电机伺服系统已成为伺服系统新的研究方向。本项目首先通过建立理想条件下永磁直线同步电机的哈密顿函数模型和函数，实现能量整形控制；然后基于伪哈密顿控制理论在参数时滞、传输损耗和协同控制中的应用，实现参数变化和负载扰动环境下永磁直线同步电机伺服控制，来克服由于直线电机的端部效应、参数变化以及负载扰动等非线性因素给系统伺服性能带来的影响，并从理论仿真和实验两方面验证所提方法的有效性。该项目属于非线性控制科学与运动控制技术交叉的前沿方向之一，从能量观点入手，打破常规伺服系统控制思路，提高伺服系统的鲁棒性和精确性，具有重要的经济和社会效益。

本课题基于哈密顿理论控制方法，研究了永磁直线同步电机伺服控制的能量整形实现方法。由于直线电机能把电能直接转换成直线运动，而不需要任何中间转换机构的电磁传动装置，因此近年来直线电机应用的飞速发展，高精度直线电机伺服系统也成为伺服系统新的一个发展方向。哈密顿系统是非线性领域中的重要研究领域，具有结构清晰，能够提供系统及其控制行为的物理解释，哈密顿函数就是为准 Lyapunov 函数等优点，把哈密顿系统理论应用于永磁直线同步电机控制是有实际理论意义和应用意义。课题首先在理想条件下，在旋转坐标系dq轴中，结合系统物理意义的电能和动能系统哈密顿函数被引出，通过反馈耗散哈密顿设计方法，实现了永磁直线同步电机的速度控制，在对比了固定阻尼参数控制效果后，提出了阻尼参数自整定PID控制方法，结合永磁直线同步电机的位置伺服控制要求，通过引入位置控制外环，实现了永磁直线同步电机的位置伺服控制。负载阻力通常未知，通过自适应反馈耗散哈密顿控制方法，引入负载阻尼虚拟能量参数，设计了扩展系统哈密顿能量函数，同时将永磁直线同步电机系统数学模型进行扩充，得到了负载阻力估计方程，实现了负载阻力自适应计算。通过自适应反馈耗散哈密顿控制方法，针对系统控制中通常系统磁链参数会发生变化，或者系统边缘磁链发生变化的问题，提出了自适应磁链控制器，当磁链发生改变时，所提出的磁链估算方程可以很好的跟踪系统磁链变化，提高了系统的鲁棒性和稳定性。通过实验验证，所提出的基于能量整型思路的永磁直线同步电机伺服控制方法有效，可以快速、精准、稳定的跟随系统的期望伺服需求，所提出的自适应算法可以响应系统参数变化，提高系统的鲁棒性能，克服了由于直线电机的端部效应、参数变化以及负载扰动等非线性因素给系统伺服性能带来的影响，为永磁直线同步电机的伺服控制提供了一种新思路。