基于遗传算法的永磁直线伺服系统H_∞控制的研究

论文摘要

直线伺服驱动技术应用于数控机床是数控机床驱动的一次重大变革。由于直线同步电动机消除了旋转电机由旋转运动到直线运动的机械传动链的影响,且具有电磁推力强度高、损耗低、电气时间常数小、响应快等特点,所以它极大地提高了进给系统的快速性和精度。然而,正是由于直线电机是直接驱动,中间没有机械传动链,所以控制系统模型的摄动、负载扰动等不确定因素的影响将直接反映到直线电机的运动控制中,而中间没有任何的缓冲衰减过程,因此对控制技术提出了严格的要求,即必须充分考虑到系统的诸多不确定性而要求系统在任何情况下都应具有很好的鲁棒稳定性和鲁棒品质。H_∞鲁棒控制正是针对控制对象模型的不确定性,设法保持系统的鲁棒稳定性和鲁棒性品质的一种控制方法。本文为了解决永磁直线电机伺服系统中负载扰动及参数变化对系统性能影响较大的问题,采用了H_∞鲁棒控制方法。在确定了负载扰动及参数变化的界后,通过反复试凑的方法选择一组理想的加权函数,将永磁直线同步电机伺服控制系统转化为H_∞标准控制问题,通过MATLAB工具箱设计H_∞速度控制器。仿真研究结果表明,在系统存在扰动和参数变化时,本文提出的设计方法具有良好的跟踪能力和抗干扰能力。然而,H_∞控制虽然有很好的鲁棒特性,但其控制效果在很大程度上依赖于加权函数的选择。由于加权函数和鲁棒性能要求之间没有具体方法可循,大多是采用试凑的方法得到较好的结果。如果调整参数过多的话,这种试凑的方法很难执行。因此,本文又提出了采用遗传算法选择加权函数的方法,将性能指标作为相应的目标函数,设计了H_∞优化控制器。仿真结果表明,该设计方法是有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 课题国内外研究动态
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 永磁同步直线电机概述
• 2.1 直线电机的原理与结构
• 2.2 永磁同步直线电机的数学模型
• 2.3 矢量控制的基本原理
• 2.3.1 矢量控制原理
• 2.3.2 矢量控制基本方式
• 2.4 永磁同步直线电机矢量控制方法
• 2.4.1 永磁同步电机矢量控制一般分析
• 2.4.2 永磁同步直线电机矢量控制的实现
• ∞控制的理论基础'>第三章 H_∞控制的理论基础
• 3.1 范数的定义
• 3.2 小增益定理
• 3.3 灵敏度函数与互补灵敏度函数
• 3.4 不确定性
• ∞控制问题'>3.5 标准H_∞控制问题
• 3.6 权重函数
• ∞控制器的解法'>3.7 H_∞控制器的解法
• ∞控制器设计'>第四章 H_∞控制器设计
• 4.1 永磁直线伺服系统速度控制模型
• 4.2 PI电流控制器设计
• ∞速度控制器设计'>4.3 H_∞速度控制器设计
• 4.4 实验仿真与分析
• 4.5 小结
• ∞控制器优化设计'>第五章 基于遗传算法的H_∞控制器优化设计
• 5.1 基因遗传算法理论基础
• 5.1.1 编码、解码
• 5.1.2 适应度函数
• 5.1.3 原始种群
• 5.1.4 停止条件
• 5.1.5 复制与选择
• 5.1.6 交配
• 5.1.7 突变
• 5.1.8 基因遗传算法步骤
• ∞控制器'>5.2 基于遗传算法优化H_∞控制器
• 5.2.1 待优化参数的确定
• 5.2.2 染色体编码、解码
• 5.2.3 选取初始种群
• 5.2.4 适配函数的确定
• 5.2.5 基因遗传算法的运行参数
• 5.2.6 具体优化步骤
• 5.3 仿真与分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录A MATLAB仿真程序
• 在学研究成果
• 致谢