平移式噴灌機電機振動的非線性控制方法研究.pdf

1、目前，關于線性系統(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用。然而，世界的本質是非線性的，嚴格來講，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)存在本質上的區(qū)別，目前尚未有關于非線性系統(tǒng)的一致控制算法。平移式噴灌機在移動的過程中要受到土壤質地、水分含量、地形等多種因素的影響，很難保證噴灌機沿著預定的路線穩(wěn)定行走。特別是其核心部件水泵調壓永磁同步電機系統(tǒng)和桁架行走驅動無刷直流電機系統(tǒng):永磁同步電機水泵的突然開閉引起

2、的水錘效應、以及根據(jù)不同的土壤水分含量進行壓力、流量調節(jié)引起的不同工況之間的過渡;噴灌機在移動的過程中會受到坑洼地形、石塊等障礙物、以及土壤質地和水分含量不同引起的驅動力變化，都將導致電機輸出轉矩的驟然增減，這將引發(fā)電機的定子電流和轉速產(chǎn)生非線性振動甚至燒壞電機，嚴重影響噴灌機的穩(wěn)定可靠運行。因此設計先進的控制策略對其進行控制，對保證平移式噴灌機在田間穩(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)的動力學特征及控制方法。首先，通過觀察其拓撲結構初步判斷該系統(tǒng)具有復雜的動力學特征;接著，從系統(tǒng)的耗散性、Poincaré映射和Lyapunov指數(shù)譜更深刻的認知了系統(tǒng)的非線性動力學特性;基于變結構控制理論的基本思想，為該磁彈體系統(tǒng)設計了滑模控制器，分別將其控制到固定點和周期軌道，并驗證了所設計控制策略的有效性。進一步，提出一類新翼倍增分數(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、于分數(shù)階穩(wěn)定性定理，為其設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)在一定范圍內取值時可將系統(tǒng)吸引子由兩個翼的拓撲結構變?yōu)樗囊淼耐負浣Y構，從而實現(xiàn)翼倍增。搭建電路對該翼倍增系統(tǒng)進行了物理實現(xiàn)，電路實驗結果與數(shù)值仿真相一致。運用非線性動力學分析方法，分析了系統(tǒng)隨著參數(shù)變化時所經(jīng)歷的穩(wěn)定、準周期到混沌的過渡過程。針對該非線性特性更強的翼倍增系統(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)的分數(shù)階非線性系統(tǒng)，通過分數(shù)階線性時不變區(qū)間矩陣理論對系統(tǒng)的不確定性進行描述?；趶V義T-S模糊模型和分數(shù)階穩(wěn)定性定理，創(chuàng)新性的為該分數(shù)階非線性系統(tǒng)設計了相應地模糊控制器，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)品質的考慮較少?？紤]到實際系統(tǒng)對過渡時間、超調量和振蕩次數(shù)等動態(tài)品質的控制要求，基于有限時間穩(wěn)定性定理，提出了一種新的Terminal滑模面，并設計了相應的終端滑?？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換的頻率分布模型，將分數(shù)階系統(tǒng)轉化為等價的整數(shù)階系統(tǒng)，利用經(jīng)典的Lyapunov定理分析其穩(wěn)定性。并為分數(shù)階非線性系統(tǒng)設計了

7、新的滑模面及終端滑?？刂破?，所設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數(shù)階非線性Lorenz系統(tǒng)和四維分數(shù)階非線性Chen系統(tǒng)，驗證了所設計控制器的有效性和魯棒性。
　　(6)綜合模糊與模型預測控制算法，為一類有約束非線性系統(tǒng)設計了模糊模型預測控制器。在考慮系統(tǒng)存在約束和擾動的情況下，設計的模糊預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。所研究的模糊預測控制方法可以推廣應用于其他類似的非線性系統(tǒng)中。
　　(7)研究了平移式噴灌機水泵調壓系統(tǒng)中永磁同步電機的有限時間控制方法?？紤]到非額定工況下其定子電流和轉速對過渡時間、超調量和震蕩次數(shù)等動態(tài)品質的要求，將有限時間穩(wěn)定性理論引入到永磁同步電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制中，為永磁同步電機系統(tǒng)設計了有限時間滑模控制器。進一步，基于分數(shù)階穩(wěn)定性理論和廣義T-S模糊模型，為永磁同步電機系統(tǒng)設計了分數(shù)階有限時間模糊控制器，以線性