截至到20世纪末,大多数板带钢材卷取生产线采用直流电机作为核心引擎。近十几年来,随着液压传动系统的不断改进和先进的电力电子变频装置的应用,越来越多的交流电动机成为带钢卷取机的主引擎。成品板带材的自动卷取是整个热轧生产过程的最后一道工序,也是保证连续生产线高效率运作的重要环节,所以在国内外钢铁工业中对卷取机的卷动速度和转矩等多个指标的控制都有很高的要求。那么针对卷取机主卷筒内的交流电动机,设计出更先进的非线性控制算法便成为构造此类电力拖动系统的核心任务。这也正是本课题的工程背景：通过研制新型交流电机的非线性控制器,实现对卷取张力的高性能控制,保证整个带钢生产线的高效连续生产,确保良好的带钢产品产量和质量。本文在交流电动机非线性控制的理论研究方面,涉及了当今非线性控制理论的两大分支。一个分支是“模型论”,即以已知被控对象的精确模型为前提,进行控制算法的研究与开发。另一分支是“调节论”,对被控对象的数学模型依赖程度不高,而是重点关注如何消除受控系统某状态变量反馈值与设定值的误差,以“依偏差消除偏差”的思想为指导,通过动态调节系统的输入量,实现对整个系统输出值的跟踪控制。以下是本课题中的主要理论成果：1)以当前交流电机驱动的卷取机的生产工艺特点为基础,研究含振动因素的带钢卷取张力控制模型,建立与热轧交流电机驱动的卷取机恒张力控制相适应的卷取机转速规程。提出以微分几何非线性控制方法解决高速连续卷取过程中的张力／卷速间接控制问题。对于交流电动机这一类仿射型非线性系统,首次引入输入-状态稳定(Input-State Stability, ISS)的概念证明基于微分几何的电机非线性控制系统稳定性。提出将非线性控制律作用下的仿射非线性系统看作广义互联系统,然后对大系统内的各子系统分别讨论ISS特性,再结合小增益定理推证整个非线性控制系统的稳定性。最后通过仿真测试验证所述理论的正确性。2)在满足热轧带钢卷取张力控制指标的前提下,增加考察交流异步电机的铁芯能耗因素,建立了含铁耗因素的电机能耗模型。基于此模型设计卷取机的张力／速度控制系统,并设计出具体的实验配置及实现方案。重点是对于交流异步电动机的多输入多输出仿射非线性系统,运用精确反馈线性化(Exact Feedback Linearization, EFL)算法设计出系统的非线性控制律和最优控制器。实验数据表明将微分几何非线性控制应用于交流电机驱动的卷取机系统,可以达到多目标优化控制的效果,在铁芯能耗动态可控的约束条件下,实现转速和转矩的解耦控制。3)提出基于自抗扰控制思想的主动转速补偿控制(Active Speed Compensation Control, ASCC)策略,以克服传统交流电机驱动的卷取机中直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC)系统的固有缺陷,解决因较大冲击性机械负荷导致的电机转矩脉动和转速降落问题。设计出交流电动机的主动补偿策略,并且在理论上做出非线性扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)的稳定性论证。最后以仿真测试验证控制策略的良好性能。4)基于对两类非线性控制方法的研究,本文进一步提出将微分几何非线性控制与自抗扰扩张状态观测器相结合的非线性控制方法。同样以交流异步电动机作为被控对象给出详细的控制算法设计过程,提出并且论证此类非线性控制律存在的理论条件。最后采用一种新颖的仿真技术：基于Saber和Simulink软件平台的联合仿真方法,进行电机控制的仿真研究,验证基于观测器的精确反馈线性化控制(EFL&ESO)方法的有效性。