关键词： 智能控制  

ISBN: (纸本)9787576806076

摘要： 本书共分7章, 内容包括: 绪论、智能电网通信网中业务驱动的高可靠路由算法综述、基于风险感知和QoS保障的业务双路由规划方法、基于链路带宽可用性的业务路由恢复算法等。

关键词： 开关控制  

ISBN: (纸本)9787564657062

摘要： 本书针对带有不确定性的切换系统, 利用多李雅普诺夫 (Lyapunov) 函数方法, 研究模型参考自适应跟踪控制与镇定问题, 在一定程度上克服了由于不确定参数的存在对系统控制产生的困难 ; 通过设计控制器、自适应律和切换律, 对不确定切换系统的控制问题、暂态性能、抗干扰问题以及切换线性变参数 (LPV) 系统的跟踪问题、控制增益在某些点处可为零的非线性系统镇定性问题等进行了深入研究。

关键词： p-规范型系统   固定时间自适应控制   事件触发机制   输出约束   外部扰动  

摘要： p-规范型系统因其在动力系统、欠驱动机械系统和机器人系统等领域的潜在应用而受到广泛关注。其中，固定时间控制问题是研究 p-规范型系统的基本问题之一，其主要思想是使得系统快速地达到稳定。另一方面，在实际应用中，系统可能会受到一些约束，例如，输出约束，带宽约束等，因此，对于具有约束的 p-规范型系统的固定时间自适应控制问题的研究具有重要意义。尽管目前对于 p-规范型系统已经有许多研究成果，但仍有一些问题尚未考虑。基于此，本文主要研究约束下 p-规范型系统的固定时间自适应控制问题。主要研究如下：　　首先，针对一类 p-规范型非线性系统，研究具有不对称输出约束和外部干扰的固定时间自适应跟踪控制问题。利用增加幂次积分器技术，有效地克服系统中幂指数项带来的难题，进而设计无奇异性的固定时间自适应控制器。通过引入非线性转换函数，解决系统中的不对称输出约束问题，并采用H?技术来抑制外部干扰对系统的影响。根据Lyapunov稳定性理论分析得出闭环系统的所有信号是有界的。通过仿真对比，证明所提方案的有效性。　　其次，针对一类具有外部干扰的非线性 p-规范型系统，研究基于事件触发机制下的固定时间自适应控制问题。利用固定时间理论，能够更精确地估计系统收敛时间上界，并首次应用于非线性 p-规范型系统上。此外，针对非线性 p-规范型系统，设计饱和阈值事件触发机制，以降低通信负担。仿真对比证明该方案的可靠性。　　最后，针对一类具有未建模动态的 p-规范型多智能体系统，研究其固定时间自适应包含控制问题。提出一种改进的事件触发机制，合理地节约系统通信资源，即仅通过改变事件触发机制的参数来统一现存的几种事件触发机制，使得控制设计更灵活。此外，通过引入动态信号，解决系统的未建模动态问题。利用理论分析，证明p-规范型多智能体系统是实际固定时间稳定的。最后，通过仿真来验证该方案的可行性。

关键词： 上肢外骨骼   人机同构   类人轨迹   动作捕捉   模糊自适应PID控制  

摘要： 脑血管、帕金森等引发的上肢运动功能障碍疾病患者,受传统一对一康复治疗医师个人因素的影响,导致康复效果不佳,从而无法独立完成日常生活活动。上肢外骨骼作为一种可穿戴设备,穿戴于患者上肢外侧,辅助患者运动,可改善患者生活质量。外骨骼与人体之间存在物理交互,要求上肢外骨骼能够自然地协同患者运动。因此,设计一种人机同构上肢外骨骼,并实现类人轨迹运动十分重要。首先,通过人体上肢运动解剖学分析上肢肩部、肘部和腕部运动特性。基于人体上肢运动学和人机同构设计原则提出了一种4自由度上肢外骨骼。采用模块化设计肩部和肘部运动单元,以及鲍登线传动系统。然后,基于D-H参数法建立上肢外骨骼坐标系和正运动学模型。利用蒙特卡洛算法分析外骨骼工作空间,验证了外骨骼关节范围设计的合理性。利用解析法进行外骨骼逆运动学分析,得到各关节角度封闭解,并分析了外骨骼奇异位置,为避开奇异位置提供理论依据。利用ADAMS软件进行动力学仿真,计算出外骨骼各关节负载最大位置时的驱动力矩,为电机选型提供依据。接着,分类分析了人体上肢日常动作类型,选取喝水和碰鼻子动作进行研究。提出一种基于光学动作捕捉的类人运动轨迹生成方法。首先,基于光标点集群法建立人体上肢运动学模型,利用光学动作捕捉系统采集光标点位置信息。然后,对多自由度的肩关节和单自由度的肘关节分别采用欧拉角计算法和内积法计算类人运动轨迹。最后,采用人-机自由度一一匹配的方法将类人运动轨迹映射到外骨骼关节。最后,搭建了外骨骼控制系统,并研制实验样机。设计了模糊自适应PID控制算法,并与传统PID控制算法进行类人运动轨迹跟踪对比实验。轨迹跟踪实验结果显示,模糊自适应PID控制能够将传统PID控制的4°跟踪误差降低至1°以内。为评估类人运动轨迹运动的类人相似性,将其与传统的五次多项式规划轨迹对比,建立人机交互力量化评估指标,测量两种运动轨迹的人机交互力,以定量评估类人相似性。评估实验结果显示,提出的类人运动轨迹生成方法可以减小人机交互力,为穿戴者提供舒适、自然的运动辅助。

关键词： 非平面多旋翼无人机   匹配干扰   非匹配干扰   预测控制   轨迹跟踪  

摘要： 得益于垂直起降、任意位置悬停、易操控和结构简单等优点,多旋翼无人机被广泛应用于军用和民用领域,执行诸如侦察、监测、勘探和植物保护等复杂任务。目前,多旋翼无人机中的非平面构型渐渐地从理论研究走向实际应用。相比于传统的平面构型,非平面构型的旋翼无人机在保留其原有优点的基础上又增加了空中运动的稳定性。尽管非平面布局的多旋翼无人机极大拓宽了无人机领域的应用场景,但是针对非平面多旋翼无人机控制系统设计的研究较少且范围不够全面。大多数现有研究并未考虑实际飞行任务执行过程中无人机主要受到的持续风场和突风干扰影响,这些影响使得飞行性能遭受严重破坏,进而对飞行稳定性造成极大影响。为此,本文提出一种新型鲁棒预测控制方法,可同时降低两种风场带给无人机的影响,在轨迹跟踪应用场景下显著提升无人机的控制性能。本文的主要工作以及成果总结如下:(1)基于牛顿-欧拉法构建了非平面无人机六自由度运动模型。传统平面构型的每个桨叶所产生的升力均垂直于机体水平面,依靠非零姿态角使得总升力产生惯性坐标系下的三轴方向分量以实现无人机的平动运动,依靠驱动桨叶旋转的电机的反扭矩实现无人机的角运动。在六个空间运动自由度,传统平面布局的旋翼无人机仅有总升力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩这四个控制输入,这使得其运动系统具有欠驱动特性。本文所设计的非平面构型由于配置特殊,桨叶升力与机体水平面不再垂直,使得在不依赖非零姿态角的情况下总升力在惯性坐标系下就具有三轴分量,实现全驱动控制。(2)基于非平面无人机六自由度运动模型,分别设计了位置和姿态控制系统。传统的平面布局的旋翼无人机由于欠驱动特性,必须引入滚转角和俯仰角这两个虚拟控制输入并配合总升力和三轴力矩以实现无人机的空间六自由度运动控制,造成姿态子系统与位置子系统无法解耦,增加控制系统设计难度。俯仰和滚转运动具有饱和限制,使得无人机抗干扰能力不强。无人机通过总升力在竖直方向的分量抵消重力影响以实现竖直方向的运动控制,而非平面无人机平动运动与旋转运动完全解耦,在无需姿态介入的条件下即可实现三轴方向的平动运动控制,使得姿态控制与位置控制相互独立。俯仰和滚转运动不再具有饱和限制,无人机抗干扰的鲁棒性显著提升。由于平动和旋转运动完全解耦,无人机能够以任意姿态角实现平动运动,在受到突变干扰影响情形下即使姿态值发生跳变也不会影响系统稳定性。(3)设计基于干扰补偿的预测控制系统。持续风场对无人机的速度和加速度均会对无人机产生扰动,在位置子系统中以匹配和非匹配干扰的形式同时存在。本文设计了线性扩张状态观测器,将受两种干扰影响的无人机系统转化为仅受匹配干扰影响的等效系统,用以估计系统的状态变量。突风会对无人机产生瞬间冲击,使得系统输出短时间内发生较大超调,引发输入激增问题。针对等效系统设计预测控制器以降低系统输出振荡和输入激增,设计干扰补偿器以提升闭环系统抗干扰的鲁棒性。(4)通过数值仿真和试飞实验验证,证明了所提方法可显著降低无人机轨迹和姿态的跟踪误差,提升机体稳定性,使得运动轨迹更为平滑,避免了输入激增现象的发生,只需较小的能量输入就可降低跟踪误差,实现精确控制。

关键词： 永磁同步电机   鲁棒控制   滑模控制   定子磁链观测   参数辨识  

摘要： 伺服转台作为惯性元件标定和飞行器跟踪目标的重要载体,在航空航天领域正发挥着不可替代的作用,其动、静态性能直接影响了应用的结果。作为转台系统的重要组成部分,永磁同步电机伺服控制器以优越的动态跟踪性能被广泛应用。然而在电机实际应用过程中,其控制精度及响应能力会受到参数失配、观测器性能及负载扰动等因素影响,如何克服这些不利因素已成为国内外的研究热点。本文以伺服转台为背景,针对上述永磁同步电机控制存在的若干问题,分别对电机参数辨识、定子磁链观测、鲁棒控制等问题做了较深入的研究。首先,永磁同步电机参数模型在实际运行过程中会发生参数失配现象,本文在近似理想数学模型基础上引入了电气参数摄动等不确定变量,构建出参数失配下的电机模型,为后文参数辨识、磁链观测器及鲁棒控制器设计提供了理论分析依据。然后,为降低参数失配对系统性能的影响,本文提出了一种基于模型参考自适应的辨识算法,该算法在电机失配模型基础上利用Popov超稳定性原理设计自适应律使估计参数逼近标称值,实现了电机电阻、电感及磁链等多个参数分步在线辨识,避免了多参数同时辨识的欠秩问题,并通过仿真分析验证了该算法的可行性。接下来,本文针对一阶滑模磁链观测值脉动较大的缺点,在电机有效磁链概念的基础上设计一种二阶滑模自适应磁链观测器。该观测器利用超螺旋算法理论构建基于电流误差估计的二阶观测器模型,同时利用有效磁链与定子磁链的关系,准确获取定子磁链估计值,提高了磁链估计精确度,实现了永磁同步电机无位置传感器控制的稳定性。最后,本文利用静态解耦思想将非线性电机模型转化为线性模型,设计出一种H输出反馈控制器,将电机转速与负载转矩作为该控制器的外部扰动输入,再建立加权函数与系统性能指标的关系,实现了永磁同步电机H调速控制,降低了采用传统PI控制对调节控制器参数的依赖性,提高了系统的抗负载扰动能力及鲁棒性,并通过理论分析及仿真验证了结果的正确性。

关键词： 复杂系统建模   燃气轮机冷却系统   解耦控制   智能优化算法   缩比模型  

摘要： 燃气轮机以其产能效率高、使用寿命长、可靠性高等优点被广泛应用,燃气轮机冷却系统是维持燃气轮机长期稳定运行的重要环节,通常燃气轮机冷却系统是典型的多变量强耦合系统,且存在随机性、非线性和幅值较大的扰动,系统难以精确控制。本文以冷却燃气轮机各级组件的二次水冷却系统为研究对象,为解决系统流量、压力和温度的多输入多输出耦合系统精确控制问题,对燃机冷却系统自适应智能控制方法进行深入研究,主要研究内容如下:(1)基于二次水冷却系统输入输出特性数据,对耦合系统的模型进行辨识;设计耦合系统解耦补偿器,削弱变量之间关联,实现耦合变量间的解耦,将多变量系统转化为多个单回路系统独立控制问题。(2)为实现二次水冷却系统自适应智能控制,提出改进智能仿生跳蛛优化算法自适应调整实际工况下的控制器参数,自适应整定PID(Proportional Integral Derivative)控制器参数,实现二次水冷却系统自适应智能PID控制。(3)为进一步提高控制效果,提出正余弦白鹭优化算法模拟白鹭种群捕食行为进行迭代优化,实现PID控制器参数的自适应整定,实现非线性、强耦合、扰动幅值大等条件下二次水冷却系统温度、流量、压力精确控制问题。(4)基于搭建的二次水冷却系统缩比模型,完成信号采集监测,通过正余弦白鹭优化算法自适应整定PID控制器参数,设计监控界面实时监测被控变量,完成二次水冷却系统自适应智能控制方法的实物验证。本文设计的二次水冷却系统自适应智能控制,可达到系统的性能需求,能够维持换热器进水流量恒定,误差在5m3/h内;换热器进水温度恒定,误差在0.2℃内,最大超调不超过2℃;主管道压力恒定,误差在0.01MPa内。设计的二次水自适应智能冷却系统可以解决现有系统控制调节时间长、输出变量不稳定和依赖人工经验等问题,解放劳动力,提高燃气轮机冷却系统的控制效果与控制精度。

关键词： 固定翼无人机   自适应控制   内模控制   模型预测控制   轨迹跟踪  

摘要： 固定翼无人机因其具有飞行速度高、飞行续航长、机动灵活等优点,在国防和民用领域都具有广泛的应用。因此多年来各国的专家学者在固定翼无人机领域进行了大量的研究,从有人机发展到无人机。轨迹跟踪控制便是其中比较热门的话题。轨迹跟踪是固定翼无人机在执行巡逻和目标跟踪等任务的基础,因此能否实现对预定轨迹的跟踪,关乎到任务是否能够完成。此外,固定翼无人机系统是欠驱动的、非线性的,而且各个系统状态之间的耦合性非常强,难以通过机理建立非常准确的数学模型,导致设计控制器时比较困难。此外固定翼无人机在飞行中非常容易受到风的干扰。针对以上问题,本文对固定翼无人机的轨迹跟踪控制做了以下工作:(1)分析了固定翼无人机的飞行原理,建立了非线性的动力学模型和运动学模型。为了方便设计控制器,设定固定翼无人机的平衡状态,并在平衡状态下将非线性模型泰勒展开,只取其第一项。由此便得到固定翼无人机的线性模型。并考虑到固定翼无人机的巡航轨迹与降落轨迹的区别,针对不同的飞行阶段分别设计控制器;(2)采用了内模控制作为固定翼无人机的降落轨迹控制器。为了避免由于系统参数摄动以及模型误差对控制效果产生影响,本文使用参数自适应算法对内部模型进行实时修正,确保模型准确。由于实际模型并非完全可逆,便无法很好的抑制干扰和模型的非最小相位带来的影响,本文通过借用模型参考自适应算法的思想,设计了一个自适应补偿器补偿控制输出。通过以上两点确保系统的稳定性和抗干扰能力;(3)采用模型预测控制作为固定翼无人机的巡航轨迹控制器。首先,为了减小静态误差,将状态空间方程改为增量的形式。其次,考虑到在巡航阶段轨迹变化大,由于模型预测控制器的时域参数固定,有时并不能取得良好的跟踪效果。因此,本文设计了一个参数匹配机制,通过判断当前的位置与跟踪位置之间的误差大小,根据固定翼无人机当前的状态信息匹配最优的时域参数,使控制器对不同的期望轨迹有一定的适应能力;(4)将圆锥螺旋曲线和降落轨迹曲线相连作为期望轨迹进行仿真实验,仿真结果表明本文所提出的控制方法能够较好的完成控制目标。

关键词： 地下结构抗浮   抗浮控制水头   抗浮智能控制   智能平台开发  

摘要： 研究地下结构抗浮问题对工程建设有着重要的实际价值,目前全国各地的在建工程抗浮事故频发,其中有相当数量的事故原因为施工过程中遭遇暴雨等极端天气或连续大气降雨带来的基坑内地下水位快速上升,此时若基坑内的地下结构尚未完全建立抗浮能力且排水工作未及时开展或现场排水能力不足,就容易出现地下结构实际能够抵抗水头不能满足基坑内实际水头的情况,进而导致抗浮失效事故的发生,甚至结构发生破坏。由此带来了两个主要的抗浮问题:其一是对地下结构的抗浮水头,尤其是对结构安全影响最大的控制水头的取值及设计方法需进一步优化;其二是需探索一种新型工程抗浮的智能化分析及控制方法,对可能发生的抗浮问题进行及时感知、分析、控制,以应对各类可能出现的抗浮问题。基于此种现状本文主要对以下几个方面的内容开展了研究:(1)通过分析建造过程中基坑内地下水位的影响因素,对不同工况下地下结构整体抗浮水头与局部抗浮水头的计算方法进行了设计,并通过ABAQUS有限元模拟对计算方法进行补充验证。通过工程案例计算分析提出地下结构整体抗浮控制水头与局部抗浮控制水头的取值方法,在此基础之上提出了地下结构抗浮控制水头的取值方法,同时给出与之对应的编程规则。(2)对全国各地区主要城市的气象资料进行调研,结合相关文献以及规范标准归纳降雨条件下基坑内不同工况的汇水量计算方法,并结合实际工程进行案例计算。同时对工程常用排水设备的主要参数进行调研,通过对实际工程案例的计算对比提出排水能力分析方法,并给出了一种涵盖汇水计算、排水计算、设备选择、井点数量计算和井点布设的基坑排水能力智能分析及布设方法,同时提出相应的编程规则。(3)通过对常用水位监测设备进行调研并分析确定了水位监测设备的选用方法。综合考虑场区尺度、地形地貌及水文地质等因素,确定了水位监测点的布设规则及主要的监测指标,继而形成基坑内排水的智能控制方法。(4)在综合研究编程规则的基础上,开发了抗浮智能控制系统平台,并应用于实际工程项目中,以实现对现场基坑内的控制水头的智能化计算,汇水量与水位监测一体化,抗浮控制的智能化,并留出足够的人为可控的操作空间,为地下结构施工期间的抗浮安全提供保障。