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船舶电力推进永磁同步电机非线性反步控制器设计与优化研究

杨明  
【摘要】:船舶电力推进系统由于具有节约空间、减少燃油消耗和提高船舶性能等优点,成为未来船舶动力系统的发展方向之一。推进电机作为船舶电力推进系统的关键组成部分,其性能高低一定程度上决定了船舶电力推进系统性能的好坏。船舶电力推进永磁同步电机具有高能量密度等特点,能够较好地满足电力推进系统的需求,应用较为广泛。同时,永磁同步推进电机为非线性强耦合系统,其负载转矩受到多变海洋环境的影响也时刻发生着改变。因此永磁同步电机的非线性控制技术是提高船舶电力推进系统性能的关键技术之一。 本文以自适应反步法控制为基础,结合模糊控制理论和粒子群优化技术,对永磁同步推进电机非线性控制器设计与优化算法进行研究。本文主要工作包括以下几个方面: 1.在介绍船舶电力推进系统的结构及各部分的工作机理的基础上,建立永磁同步推进电机和柴油发电机组的计算机仿真模型,并进行永磁同步电机负载转矩扰动和参数不确定情况下的仿真试验,以作为永磁同步电机非线性自适应反步控制器设计与优化的基础。 2.针对负载转矩扰动和d-q轴电感不确定问题,提出永磁同步电机带微分的自适应积分反步控制策略,并分析系统的稳定性。通过构造适当的李雅普诺夫函数,推导出带d-q轴电流误差微分项的自适应律和带d-q轴电流误差积分项的控制律,并引入抗饱和积分器,提高系统的动态性能。仿真和实验结果表明算法具有良好的抗干扰能力和鲁棒性能。 3.为进一步提高永磁同步电机的速度响应和鲁棒性能,结合模糊理论,提出永磁同步电机模糊自整定反步控制策略,并根据电机运行状态的变化规律,提出了模糊推理模块的比例和量化因子、隶属度函数和模糊规则的设计方法。仿真和实验结果表明算法的有效性。 4.由于带微分项的自适应积分反步控制器参数较多,所以参数整定较为困难。针对这一问题,提出控制器参数的自适应权重粒子群优化算法,并根据优化算法的收敛性分析,确定自适应权重和加速因子的取值范围。随后提出了一种单目标优化算法求解多目标优化问题的方法。仿真和实验结果表明该优化算法能够有效整定控制器参数。 5.针对模糊自整定反步控制器参数优化问题,提出一种新的混合粒子群优化算法,并给出收敛性证明。该算法在标准粒子群速度更新公式中增加了邻域最优部分,引入自适应加速因子和动态邻域,以防止算法早熟,保证算法的收敛。同时由于变异操作和多次重启机制的存在使粒子具有较强的局部搜索和跳出局部极值点的能力。基于此算法及其收敛条件,结合模糊反步控制器的特点,确定算法搜索空间、惯性权重和加速因子值。仿真和实验结果表明该算法能够有效地优化模糊自整定反步控制器参数。 6.建立dSPACE永磁同步电机实验平台。通过拖动电机的转矩变化,来模拟负载扰动现象。基于此平台,对自适应积分反步控制和模糊自整定反步控制算法进行实验研究,验证控制策略与优化算法的有效性。 最后,对本文的研究工作进行了系统全面地总结,并指明了今后的研究方向。


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