平移式噴灌機(jī)電機(jī)振動的非線性控制方法研究.pdf

1、目前，關(guān)于線性系統(tǒng)的控制理論已經(jīng)比較成熟，在生產(chǎn)實踐中也得到了廣泛的應(yīng)用。然而，世界的本質(zhì)是非線性的，嚴(yán)格來講，現(xiàn)實中的系統(tǒng)都是非線性的。我們知道，線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)存在本質(zhì)上的區(qū)別，目前尚未有關(guān)于非線性系統(tǒng)的一致控制算法。平移式噴灌機(jī)在移動的過程中要受到土壤質(zhì)地、水分含量、地形等多種因素的影響，很難保證噴灌機(jī)沿著預(yù)定的路線穩(wěn)定行走。特別是其核心部件水泵調(diào)壓永磁同步電機(jī)系統(tǒng)和桁架行走驅(qū)動無刷直流電機(jī)系統(tǒng):永磁同步電機(jī)水泵的突然開閉引起

2、的水錘效應(yīng)、以及根據(jù)不同的土壤水分含量進(jìn)行壓力、流量調(diào)節(jié)引起的不同工況之間的過渡;噴灌機(jī)在移動的過程中會受到坑洼地形、石塊等障礙物、以及土壤質(zhì)地和水分含量不同引起的驅(qū)動力變化，都將導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的驟然增減，這將引發(fā)電機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生非線性振動甚至燒壞電機(jī)，嚴(yán)重影響噴灌機(jī)的穩(wěn)定可靠運行。因此設(shè)計先進(jìn)的控制策略對其進(jìn)行控制，對保證平移式噴灌機(jī)在田間穩(wěn)定可靠運行具有非常重要的意義。
　　論文的主要工作如下:
　　(1)研究

3、了一類磁彈體系統(tǒng)的動力學(xué)特征及控制方法。首先，通過觀察其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)初步判斷該系統(tǒng)具有復(fù)雜的動力學(xué)特征;接著，從系統(tǒng)的耗散性、Poincaré映射和Lyapunov指數(shù)譜更深刻的認(rèn)知了系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性;基于變結(jié)構(gòu)控制理論的基本思想，為該磁彈體系統(tǒng)設(shè)計了滑?？刂破?，分別將其控制到固定點和周期軌道，并驗證了所設(shè)計控制策略的有效性。進(jìn)一步，提出一類新翼倍增分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)，分析了其翼倍增行為并通過搭建電路對其物理實現(xiàn)。對于更難控制的翼倍增系統(tǒng)，基

4、于分?jǐn)?shù)階穩(wěn)定性定理，為其設(shè)計了有效的滑模同步控制器。
　　(2)針對一類新的二次非線性系統(tǒng)，研究了其唯一的參數(shù)七，分析得到該參數(shù)在一定范圍內(nèi)取值時可將系統(tǒng)吸引子由兩個翼的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變?yōu)樗囊淼耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)翼倍增。搭建電路對該翼倍增系統(tǒng)進(jìn)行了物理實現(xiàn)，電路實驗結(jié)果與數(shù)值仿真相一致。運用非線性動力學(xué)分析方法，分析了系統(tǒng)隨著參數(shù)變化時所經(jīng)歷的穩(wěn)定、準(zhǔn)周期到混沌的過渡過程。針對該非線性特性更強(qiáng)的翼倍增系統(tǒng)，基于T-S模糊模型和線性矩陣不

5、等式，設(shè)計出使該翼倍增系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的魯棒模糊控制器。
　　(3)研究了一類含有不確定參數(shù)的分?jǐn)?shù)階非線性系統(tǒng)，通過分?jǐn)?shù)階線性時不變區(qū)間矩陣?yán)碚搶ο到y(tǒng)的不確定性進(jìn)行描述?；趶V義T-S模糊模型和分?jǐn)?shù)階穩(wěn)定性定理，創(chuàng)新性的為該分?jǐn)?shù)階非線性系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)地模糊控制器，并以方便求解的線性矩陣不等式的形式給出系統(tǒng)更加實用的穩(wěn)定條件，并借助數(shù)值仿真驗證了所設(shè)計控制器的有效性和魯棒性。
　　(4)目前對于整數(shù)階非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要是基

6、于漸近穩(wěn)定的Lyapunov穩(wěn)定性理論，其對系統(tǒng)過渡過程動態(tài)品質(zhì)的考慮較少?？紤]到實際系統(tǒng)對過渡時間、超調(diào)量和振蕩次數(shù)等動態(tài)品質(zhì)的控制要求，基于有限時間穩(wěn)定性定理，提出了一種新的Terminal滑模面，并設(shè)計了相應(yīng)的終端滑?？刂破?，實現(xiàn)對一類整數(shù)階非線性系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定控制。
　　(5)提出一種基于時頻域轉(zhuǎn)換的頻率分布模型，將分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等價的整數(shù)階系統(tǒng)，利用經(jīng)典的Lyapunov定理分析其穩(wěn)定性。并為分?jǐn)?shù)階非線性系統(tǒng)設(shè)計了

7、新的滑模面及終端滑?？刂破?，所設(shè)計的控制器能夠抵抗系統(tǒng)的不確定性和外界擾動。通過兩個典型的例子包括三維分?jǐn)?shù)階非線性Lorenz系統(tǒng)和四維分?jǐn)?shù)階非線性Chen系統(tǒng)，驗證了所設(shè)計控制器的有效性和魯棒性。
　　(6)綜合模糊與模型預(yù)測控制算法，為一類有約束非線性系統(tǒng)設(shè)計了模糊模型預(yù)測控制器。在考慮系統(tǒng)存在約束和擾動的情況下，設(shè)計的模糊預(yù)測控制器仍然能實現(xiàn)對一類非線性系統(tǒng)的有效控制。以不同維數(shù)的非線性系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，系統(tǒng)均能很好的跟蹤參

8、考軌跡。所研究的模糊預(yù)測控制方法可以推廣應(yīng)用于其他類似的非線性系統(tǒng)中。
　　(7)研究了平移式噴灌機(jī)水泵調(diào)壓系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)的有限時間控制方法?？紤]到非額定工況下其定子電流和轉(zhuǎn)速對過渡時間、超調(diào)量和震蕩次數(shù)等動態(tài)品質(zhì)的要求，將有限時間穩(wěn)定性理論引入到永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制中，為永磁同步電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計了有限時間滑?？刂破?。進(jìn)一步，基于分?jǐn)?shù)階穩(wěn)定性理論和廣義T-S模糊模型，為永磁同步電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計了分?jǐn)?shù)階有限時間模糊控制器，以線性