饱和约束下多电机总量协同控制研究

作     者：张乾 

作者单位：湖南工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张昌凡;徐新健

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082302[工学-交通信息工程及控制] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：饱和约束 总量协同控制 滑模干扰观测器 辅助抗饱和系统 有限时间控制 KKT条件 障碍李雅普洛夫函数 

摘      要：随着“一带一路建设和国家经济发展的深入推进,我国调整了运输结构,增加了铁路运输量。重载列车作为我国铁路货运行业的重要组成部分,提高运输能力,保证列车在复杂多变环境下的整体牵引性能及安全平稳的运行,就需要研究多牵引电机总量协同控制的关键技术,即在机车多轴协调控制中,通过对多电机冗余动力的协调,保证各电机提供的牵引力总和不变。而现有的多电机总量协同控制中,未有考虑饱和约束问题(控制输入饱和、输出转矩约束等)的研究。为此,本文开展饱和约束下多电机总量协同控制技术及其实际应用的研究,具体研究内容如下:1、针对多电机总量协同控制中的输入饱和问题,从降低控制输入和补偿输入饱和两个角度,设计了一种总量协同跟踪抗饱和滑模控制算法。首先,建立了带有参数摄动和未知扰动的多永磁电机牵引模型;然后,从降低控制输入的角度,设计了滑模干扰观测器,以减小滑模切换增益;从补偿输入饱和的角度,采用辅助抗饱和系统,削弱饱和对跟踪性能的影响;随后,将观测值和辅助状态反馈给滑模控制器,设计出总量协同跟踪控制算法,以确保输出转矩之和与给定特性曲线的一致;最后,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了滑模干扰观测器和抗饱和控制器对多电机牵引系统中输入饱和问题的有效抑制作用。2、针对多电机总量协同有限时间控制中的输入饱和问题,结合加幂积分参数简化与抗饱和技术,设计了一种基于非奇异终端滑模的总量协同跟踪控制算法,并保证了系统的全局有限时间稳定。首先,基于d-q坐标系建立了带有参数摄动和未知扰动的多永磁同步电机(PMSM)i(28)0的矢量控制模型;然后,设计了一种有限时间辅助抗饱和系统,并将状态反馈给总量协同跟踪控制器;随后,放宽了加幂积分参数强约束的条件,给出了参数设置的依据并完成了有限时间Lyapunov稳定性证明;最后,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了加幂积分参数简化的有效性和有限时间抗饱和控制器对输入饱和的有效抑制。3、针对多电机总量协同控制中的输入、输出双约束问题,构建了分层式总量协同抗饱和的框架,设计了一种基于多电机总量最优协同的饱和超螺旋滑模控制策略。首先,基于x-y坐标系建立了多PMSM直接转矩控制的数学模型;然后,考虑输出转矩的总量一致和约束,以能耗最小为目标,基于KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件设计最优的多轴总量协同分配给定算法;随后,依据最优的分配给定,设计新型饱和超螺旋滑模跟踪控制算法,并结合障碍李雅普洛夫函数证明控制输入有界;最后,在完成稳定性分析的基础上,通过Matlab/Simulink数值仿真和RT-Lab半实物实验,验证了分层式总量最优协同抗饱和策略能有效解决双约束问题。