永磁同步电机的哈密顿建模与无源性控制

针对永磁同步电机（PMSM）转速调节问题,采用端口受控哈密顿（PCH）系统和无源性控制原理,研究了PMSM的建模与控制。将PMSM看作是二端口的能量变换装置,基于PCH系统理论建立了PMSM的非线性数学模型。利用能量成型和无源性控制方法。给出了PMSM的速度控制原理,反馈控制问题被归结为一类偏微分方程的求解。通过选择期望的闭环系统哈密顿函数,可将偏微分方程转换成一组普通的方程,从而使求解变得容易。分析了永磁同步电机速度控制系统平衡点的稳定性,并设计了控制器。仿真结果表明所设计的方案具有很好的转速跟踪性能。     

永磁同步电机的端口受控哈密顿控制

在永磁同步电机的伺服控制系统中,绝大多数采用矢量控制和直接转矩控制,由于永磁同步电机是一种非线性的机电能量转换装置,运行时受电机参数的变化、负载扰动等因素对整个系统的稳定性、可控性影响较大。提出一种基于端口受控哈密顿方法建立了永磁同步电机的非线性数学模型,设计了一种端口受控哈密顿控制器,并分析了该控制器的鲁棒稳定性。对比传统PI矢量控制,通过仿真及实验结果表明所设计的端口受控哈密顿控制器具有优越的性能和较强的鲁棒性。     

基于端口受控哈密顿系统模型的带恒功率负载的Buck变换器控制

采用端口受控哈密顿系统方法和无源性控制理论,建立带恒功率负载的Buck变换器的哈密顿模型,分析了Buck变换器控制系统平衡点的稳定性问题,并设计了控制器。仿真结果表明,通过对控制器参数的适当调整,控制系统可以获得较好的动态和稳态性能。     

永磁同步电动机的哈密顿最优控制系统

针对内埋式永磁同步电动机数学模型的非线性,基于非线性系统正交分解的端口受控哈密顿模型,采用能量成型与无源性的控制方法,设计了内埋式永磁同步电动机调速系统的控制器,并证明了该系统的稳定性。将速度控制问题转化为带阻尼系数的一阶微分方程求解问题,给出了阻尼系数的求取方法。进而提出了同时考虑逆变器电压约束和最大转矩/电流比控制的优化方法,为哈密顿控制器提供了期望平衡点。仿真结果表明该调速系统具有良好的控制性能。     

基于受控耗散Hamiltonian系统模型的光伏准Z源T型三电平并网逆变器控制策略

基于端口受控耗散哈密顿系统(PCHD)模型的无源控制策略无需对受控对象进行线性化处理,它从能量成型与注入阻尼方面讨论受控对象的稳定性,简化了控制系统的结构。首先,利用状态空间法推导出准Z源T型三电平逆变器数学模型;其次,结合无源PCHD模型的控制规律选取能量函数与注入阻尼,并进行控制系统的设计。该控制策略不但使系统具有优良的动、静特性,且逆变器输出电流谐波低、经济性高;最后,仿真和硬件实验验证了基于PCHD模型的无源控制策略的正确性和有效性。     

基于端口受控耗散哈密顿系统模型的模块化多电平变换器无源反步环流抑制方法

模块化多电平变换器(MMC)应用于大功率可再生能源发电并网时,由于存在可再生能源的随机性波动、系统参数摄动和本身的非线性特性,采用传统矢量控制方法实现MMC环流抑制难以确保系统全局稳定运行和强鲁棒性能。针对这一问题,提出基于端口受控耗散哈密顿系统(PCHD)模型的MMC无源反步环流抑制方法。在构建基于PCHD模型的MMC全局能量函数基础上,设计无源性控制器,通过能量函数整形,修正闭环系统的能量耗散和能量流动方式,使系统能量在期望平衡点取最小值,以实现系统全局渐进稳定。结合反步控制方法,消除不确定扰动与MMC系统参数摄动引起的跟踪误差,从而实现系统内、外扰动情形下环流二倍频分量的快速平抑。基于Matlab/Simulink的仿真结果与基于dSPACE的实验结果表明:所提无源反步环流抑制方法具有形式简单、无奇异点、暂态性能好的特点,同时能够确保系统全局稳定与强鲁棒性。     

基于PCHD模型的感应电机变阻尼无源性控制策略

提出一种基于端口受控耗散哈密顿(PCHD)模型的感应电机变阻尼无源性控制策略,研究了感应电机的建模与速度控制问题。基于PCHD系统原理,将感应电机看作是二端口的能量变换装置,建立了感应电机的PCHD系统数学模型。利用互联和阻尼配置的无源性控制方法,给出感应电机的PCHD系统的反馈镇定,设计了感应电机的转矩与转速控制器,推导出定子电压控制量。为了削弱系统到达稳态期间的速度波动,采用变阻尼控制方法,变阻尼由二阶微分跟踪器实现,可以使动态性能更加优化,转矩和转速跟踪效果更好。仿真和实验结果验证了基于PCHD模型的感应电机变阻尼无源性控制策略的正确性。     

具有阻感负载的三相双向混合电压型整流器的研究

对一种三相混合电压型PWM整流器进行了研究。根据拓扑结构分别建立了Boost变换器的欧拉-拉格朗日EL(Euler-Lagrange)数学模型和PWM整流器的端口受控耗散哈密顿PCHD(port control hamiltonation with dissipation)模型。PCHD模型进行无源控制器设计不仅能进行阻尼注入,还能进行能量成型,无源控制器设计更为灵活。基于三相混合电压型整流器的无源性,采用一种外环采用PI控制,内环采用无源控制的无源混合控制方案。仿真验证了该无源混合控制器在整流器带阻感负载情况下运行的可行性。     

一种单向混合三相电压型整流器及其控制

对现行单向混合三相电压型整流器(Unidirectional Hybrid Three Phase Voltage Source Rectifier,UHTPVSR)的拓扑结构和工作原理进行了分析,为提高UHTPVSR的综合性能,对其拓扑结构进行了改进,提出了一种外环采用PI控制,内环采用无源控制的混合控制方案。分别建立了Boost变换器和VIENNA整流器的端口受控耗散哈密顿(PCHD)模型。并采用能量成型的方法,利用IDA-PBC控制算法设计无源控制器。无源混合控制方案克服了现有控制方案的不足,具有优秀的电流跟踪能力、很强的鲁棒性且易于实现。仿真结果验证了所提无源混合控制方案的有效性。     

基于PCH模型的VSC—HVDC自适应无源控制

基于柔性直流输电（VSC—HVDC）的端口受控哈密顿系统（PCH）模型,提出了一种采用自适应无源性控制的新方法。该方法将VSC—HVDC系统换流站模型等效成一个具有耗散性质的无源系统,并根据Vsc—HVDC的4种不同控制方式,确定相应的dq坐标下的电流参考值。在此基础上,通过互联与阻尼配置的方法设计无源控制器,实现独立调节有功、无功功率。同时,为提高系统的鲁棒性,减小参数摄动对控制效果的影响．提出了自适应无源控制方法。仿真结果表明该控制策略具有良好的暂态性能和鲁棒性。     

Electromagnetic design of a magnetic suspension system

Magnetic levitation of a metallic sphere provides a high-impact visual demonstration of many principles in undergraduate educational programs in electrical engineering, e.g., electromagnetic design, compensation of a unstable control system and power amplifier design. This paper deals with the electromagnetic and dynamic analysis of the levitation system and it has design formulae which are derived from first principles. This analysis leads to a plant transfer function which is used to implement a proportional plus derivative (PD) compensation strategy. Issues covered include coil and wire sizing for a given temperature rise. The paper shows that the electromagnet can be optimized for a given sphere. An experimental system is described which levitates a 6 cm, 0.8 kg sphere     

哈密尔顿系统的无源性控制设计

无源性控制(PBC)是非线性控制的一个新的方向.不过对无源性控制一般都是定性的讨论.本文给出了一种与无源性控制结合的定量化方法.为求解无源性控制中的偏微分方程,需要先将非线性系统的数学模型转化成Hamilton模型.文中以一个磁悬浮系统的无源性控制为例,说明了这个Hamilton系统偏微分方程的求解方法,并给出了无源性控制律.本文的方法为非线性控制提供了一个实用的设计工具.     

直线同步电动机磁悬浮系统区间二型模糊控制的研究

针对可控励磁直线同步电动机（CELSM）磁悬浮系统,提出一种区间二型模糊控制策略改善系统性能。根据CELSM磁悬浮系统的结构特点及控制原理,建立其数学模型。设计区间二型模糊控制器实现对CELSM磁悬浮系统的控制,采用磁悬浮平台气隙高度的误差及其变化率作为控制器输入,用三角形隶属度函数,建立9条模糊控制规则进行模糊推理,最后用Nie-Tan（NT）降阶算法得到系统输出。根据控制系统结构,在MATLAB软件中搭建仿真模型,经仿真验证,采用区间二型模糊控制的CELSM磁悬浮系统具有起动性能好、抗干扰能力强的优点。     

一种磁悬浮直线开关磁阻电机悬浮模块设计与分析

磁悬浮直线开关磁阻电机继承了直线开关磁阻电机的优点,结合有效的悬浮设计方案,在磁悬浮运输系统中具有一定的应用潜力。研究了磁悬浮直线开关磁阻电机的悬浮模块及其改进结构,分析磁场分布和磁路模型,在此基础上,利用有限元软件进行仿真,通过结果分析发现所提出结构具有天然解耦的结构特点,可以实现悬浮力控制和推力控制解耦以及悬浮力控制与动子前进位置解耦,通过线性调节悬浮电流即可线性控制悬浮力,使悬浮电流控制为标量控制,大大降低了悬浮控制系统的复杂性。此外,改进结构可以有效提高悬浮电流利用率,减小悬浮绕组损耗。     

发电机单机无穷大系统动力学模型的理论研究

将动力学方法用于发电机及电力系统分析和控制时,能量函数的物理意义不明确。根据分析动力学原理,分析单机无穷大系统的能量关系,分别给出了各子系统的拉格朗日函数、耗散函数和广义外力形式,进而导出了整个系统的拉格朗日-麦克斯韦方程组,用统一的动力学观点描述系统的运动。导出了系统的哈密顿函数,并将系统转化为广义哈密顿控制系统。最后,给出了相应于传统3阶发电机模型的哈密顿函数和控制模型,并进行了仿真对比。仿真结果表明,这种方法获得的哈密顿模型能提供更多的信息。     

无轴承异步电机解耦控制策略

针对2极转矩绕组和4极悬浮绕组构成的无轴承异步电机悬浮力耦合问题,利用悬浮绕组数学模型及其等效电路图,分析了转子感应电流对悬浮力控制的影响.在考虑悬浮绕组转子感应电流导致悬浮力耦合的基础上,研究了逆系统的悬浮解耦控制策略,构造了以悬浮绕组励磁电流为位移控制量的悬浮力控制模型.仿真及实验结果表明,该模型能实现悬浮力完全解耦,其控制器可以独立控制相对应的悬浮力,为无轴承全速范围悬浮控制提供借鉴.     

Experimental study of a PM-HTSC hybrid magnetic levitation system

A principle of hybrid magnetic levitation system using permanent magnets (PMs) and high-temperature superconductors (HTSCs) for a linear-motor-type carrier system in a high-quality clean room and a magnetic bearing for the flywheel energy storage system are discussed. A substantial levitation force was generated by the repulsive force between like poles of coupled magnets. However, the repulsion system with magnets is essentially unstable without control. Thus, HTSCs are applied for control elements of the PM-HTSC hybrid magnetic levitation system. In this system, the levitation force becomes stronger than in the system without PM, and we can expect sandwich-type magnetic bearing capable of sustaining greater force.     

电磁永磁混合磁浮系统的专家PID控制仿真

由于电磁永磁混合磁浮系统的悬浮磁极加了永磁部分,系统的不稳定因素增多,这就要求控制系统有更快的响应速度,更高的刚度.因此,采用自动在线调整控制参数的专家PID控制器,对整个混合悬浮控制系统进行仿真,并分析比较了专家PID控制器与传统PID控制器,证明了专家PID控制器优越性.使系统响应速度加快,超调量减少,从而可解决磁悬浮的低刚度问题.     

Levitation force assist through LSM armature currents in superconducting maglev vehicle

In a superconducting maglev vehicle, levitation forces produced by the interaction between the ground levitation coils and the onboard SCMs become insufficient when the running speed is low. This paper presents a levitation force assist method through the control of LSM armature currents, which usually function to generate propulsion forces. The levitation assist system is constructed in terms of d‐axis armature currents, leading to the definition of the vertical force coefficient of propulsion system. The calculated results show the feasibility of the system, which produces damping forces as well as levitation assist forces. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 155(4): 45–52, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20260     

直线同步电动机磁悬浮系统非线性神经网络自适应反步控制

提出一种非线性神经网络自适应反步控制方法来提高电励磁直线同步电动机(EELSM)磁悬浮控制系统的性能。研究EELSM的结构及其运行机理;建立EELSM磁悬浮系统的状态方程与数学模型;为克服EELSM磁悬浮平台运行过程中存在的不确定性扰动,设计了非线性神经网络自适应反步控制器对扰动进行估计,通过构造Lyapunov函数证明系统的稳定性。用MATLAB软件对控制系统进行计算机仿真,仿真结果验证所提方法的有效性。