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早在20世纪初,法国学者庞加莱在研究巾第一次发现混沌现象,从此开创了混沌理论。混沌作为非线性系统的经典行为,被后来更多的数学家、物理学家研究。从混沌研究开始,科学家们又发现了更多的非线性研究领域,如:分形、模式形成、孤立子、元胞自动机、复杂系统等等……从而形成了现在的系统的非线性科学理论。非线性科学其中一项的理论成就是,指出了经典决定论即使是在宏观适度和一般物体的运动速度下,也不适用于非线性系统的混沌行为分析。非线性科学涵盖了各种尺度的系统,涉及了以任意速率运动的对象,其应用性相当广泛。本文通过对典型的非线性系统——范德波尔方程、洛伦兹系统和抛物线映射的研究,向人们展示了几条通向混沌的道路——倍周期分岔、切分差等。
研究混沌行为主要有两个重要的应用:一个是对复杂系统行为的短期预测;另一个就是对混沌的控制。混沌控制就是从混沌行为中,挑选出所需的周期或非周期信号,并将其控制在稳定的有效范围内。通常不稳定周期轨道嵌入在奇怪吸引子内,为了将混沌系统驱动到某一稳定的周期轨道上,我们可以通过对系统施加一个小的扰动使其稳定,这就是混沌控制技术的体现。这一技术已成功的应用在各种电子的、化学的、激光系统、心脏组织的控制上。本文就是研究将此技术应用在对电机混沌控制中的。
20世纪90年代,在电机驱动系统中发现存在混沌现象,之后关于电机驱动中混沌现象的研究便随之兴起。长期以来,电机驱动系统混沌工作状态导致的微小波动常被误认为是噪声,而较大幅度的波动则被误认为是电机系统的一种不稳定运行。当电机驱动中存在这种长期不可预测的无规则非线性现象时,将会导致电机系统的损耗增加和运行的无规,因此混沌常常被认为是有危害的运行状态。此时,有效地抑制并稳定混沌行为将具有重要的意义。
有多种控制方法被提出来抑制并稳定混沌行为,如OGY方法、延时反馈方法、比例反馈方法、非反馈方法、非线性控制方法、自适应控制方法、神经元网络控制方法和模糊控制方法等。这些控制方法都能有效地控制电机中的非线性现象,但也都有不足之处,例如延时反馈方法就很难确定控制的周期目标轨道与延迟时间的关系,而且不容易控制到预知的轨道。
为了研究更优的控制方法,本文利用参数共振微扰法来控制电机驱动中的混沌现象。参数共振微扰法是一种非反馈的混沌控制方法,它是通过给参数以特定频率的扰动来抑制混沌运动的,将系统的混沌运动状态转变到规则的运动状态。参数扰动通常能使系统离开原来的周期轨道,相反,适当频率的参数扰动也可能使系统稳定在某一周期轨道上。由此得到启发,适当的参数扰动也应能减弱甚至消除系统中的混沌运动。
本文通过建立精确状态方程模型和离散迭代非线性映射这两种方法,对永磁同步电机的混沌现象进行了分析,并且对其采用参数共振微扰法对其进行控制。首先选择一个对直流电机系统影响较大、且易于改变的参数——转速,再对其加入一个微小的正弦扰动信号,来实现对系统的混沌控制。理论分析和数值仿真结果表明:建立在精确状态方程模型和离散迭代非线性映射这两种方法下分析的电机系统在混沌状态下的分叉情况基本一致,且通过对电机中参数转速以特定的频率进行扰动,可以将系统稳定在某一周期轨道上。即,适当的参数扰动能减弱甚至消除系统中的混沌运动。