关键词： 智能控制  

ISBN: (纸本)9787111737018

摘要： 本书总结了近些年来智能控制的研究成果，阐述了智能控制的基本概念、工作原理和设计方法。本书主要内容包括：智能控制的基本概念、模糊控制的理论基础、模糊控制系统、人工神经元网络模型、神经网络控制论、智能控制的集成技术、深度学习和强化学习。

关键词： 三相逆变器   滑模控制   逆变器并联控制   自适应控制  

摘要： 随着光能、风能、潮汐能等分布式新能源发电技术的发展和广泛应用,微电网作为大规模接入分布式新能源发电的小型发配电技术,近年来也得到快速发展。为了保证微电网内的不同分布式发电装置及互联微电网之间能够协同稳定运行,对微电网电能控制器设计提出更高要求。本文探讨孤岛模式下分布式发电微电网系统在受到不同电能干扰与冲击时的控制问题,利用滑模变结构控制理论方法,以提升多干扰下的LC型三相并联逆变器的输出电能质量为目标,研究逆变器电路参数不确定性、直流侧电压扰动等控制问题,提出了新的电压跟踪和功率控制方法,通过实验验证了方法的有效性。本文主要工作如下:(1)针对传统下垂控制中并联逆变器的电压电流双闭环方法的鲁棒性较差问题,提出了利用滑模变结构控制中的积分滑模控制策略迫使系统达到滑模面,以跟踪下垂环节计算得到的参考电压值来减小外部干扰对控制系统的影响。根据积分滑模控制理论,设计了并联逆变器系统的控制律并分析了控制系统的稳定性、鲁棒性。利用积分滑模控制技术,可以在系统受到干扰的情况下仍然输出较好的波形,满足微电网并联要求。仿真结果显示该控制方法在系统干扰有界的条件下能够有效实现对逆变器的电压跟踪与功率控制。(2)针并联逆变器系统在积分滑模控制下受大阶跃干扰时收敛时间较长问题,提出了利用终端滑模即滑模面增加加指数项设计控制律,加快收敛速度并保持积分滑模的动态特性。在滑模面函数引入了指数项,可以减弱积分项累计误差的作用,抑制滑模控制的抖振现象,提高系统控制品质,降低电能损失和开关器件的损耗。(3)针对孤岛模式下的逆变器直流侧电容电压值不稳定问题,将该值看作为含有波动的非定值,提出了一种自适应鲁棒控制律以更好地为系统提升鲁棒性并削弱滑模抖振现象。仿真和实验结果显示面对这种不利场景传统方法出现了系统崩溃的现象,只有加入了自适应鲁棒控制律的终端积分滑模控制能够在保证逆变器输出电压跟踪能力的同时仍然具备功率控制的功能。并且在电路参数摄动和在微电网负载扰动的情况下,本文所提方法仍具备较高的控制性能和鲁棒性。综上所述,本文针对LC型并联三相逆变器的下垂控制问题,提出了基于自适应鲁棒控制律的终端积分滑模控制方法进行参考电压跟踪控制,其仿真和实验结果均证明了所提控制算法的有效性和鲁棒性,适用于孤岛模式下的微电网并联控制场景应用。

关键词： 污水处理   化学除磷   智能控制  

摘要： 通过对化学除磷机理及相关影响因子的研究，基于氧化还原电位和释磷浓度对应关系搭建城镇污水处理厂化学除磷投加系数动态调整模型，结合定期开展的污泥性能评价实验，动态修正系统的配置参数。通过智能控制系统的计算分析决策，充分发挥系统生物除磷潜力，实现对除磷药剂投加全自动控制。化学除磷智能控制系统在大规模且工艺种类多样化污水处理厂的实际应用，可在保证污水处理厂出水总磷稳定达标的前提下，有效节省化学除磷药剂，从而提升低碳稳定运行的能力。

关键词： 四旋翼无人机   自适应控制   滑模控制   自适应观测器   容错  

摘要： 四旋翼无人机是一种通过四个旋翼产生升力的飞行器。由于其结构简单、体积小、灵活性高等特点,具有良好的发展前景,四旋翼无人机在许多行业拥有大量的应用,如侦察、物流、农业等方面。本文将四旋翼无人机作为研究对象,考虑四旋翼无人机受到的外界干扰和执行器故障的情况,使用滑模控制和自适应控制方法设计了四旋翼无人机的控制器,主要研究内容如下:首先,解释了四旋翼无人机的结构和飞行原理,根据相关知识建立了机体坐标系和地面坐标系,选用欧拉角作为姿态角,推导了机体坐标系到地面坐标系的转换矩阵。根据牛顿第二定律和角动量定理,建立了四旋翼无人机动力学模型。其次,设计了自适应滑模控制器,完成了四旋翼无人机的抗干扰轨迹追踪。考虑四旋翼无人机飞行时受到外界干扰的情况,在四旋翼无人机的动力学模型中加入了随机干扰变量,依据经典滑模控制方法设计了经典滑模控制器,基于自适应控制理论,设计了自适应律及时估计干扰变量,并在控制器中补偿。仿真结果表明,自适应滑模控制方法能够有效的抑制外界干扰的影响。最后,针对四旋翼无人机发生执行器故障的情况,提出了一种容错控制方法。通过使用一种自适应观测器,估计四旋翼无人机的外界干扰和执行器故障变量,自适应观测器能够将观测误差限制在一定范围内;基于滑模控制理论,设计了四旋翼无人机的滑模控制器,在控制器中加入观测器得到的扰动变量估计值,完成了四旋翼无人机容错控制器设计。控制器设计过程基于Lyapunov稳定性理论,保证了系统的稳定性。仿真结果表明,使用该方法的四旋翼无人机,具有更好的容错能力和抗干扰能力。

关键词： 电磁阀   数值模拟   隔磁结构   导弹油箱   电磁仿真  

摘要： 随着当今社会计算机控制技术的进步,气动控制电磁阀技术得到了巨大的发展,因其具有响应速度快、重复性好、运行可靠、受温度影响低、功耗小等优点,目前拥有广泛的应用前景,涉及到日常生活中的各行各业,如军工产品、工程机械、汽车等领域。弹用气动线性控制电磁阀作为导弹油箱增压系统中重要的零件,其性能直接影响油箱中气体压力的稳定性。目前现有弹用油箱系统中的气动控制电磁阀大多采用脉冲宽度调制(PWM)控制,其控制方式较为单一,可能会导致弹用油箱中气体相对不稳定,进而影响其控制精度。为解决这一问题,本文提出对一种新型弹用油箱增压用气动线性控制电磁阀进行研究,针对该新型气动控制电磁阀,展开了一系列的研究工作,包括理论分析、建模仿真、结构优化以及性能试验等。通过弹用气动线性控制电磁阀的工作原理,确定了研究方案以及模型的选择,并对结构和参数进行了计算,包括密封副、弹簧、流通面具以及线圈匝数等。使用Maxwell电磁力仿真软件对弹用气动线性控制电磁阀中一体化异性隔磁结构在四个代表性位置进行了电磁仿真,得到了衔铁在全行程下的电磁力特性曲线。通过曲线可以看到此异性隔磁机构在线圈中间偏下一点的位置时,衔铁受到的电磁力随着阀芯开度变化趋于稳定;针对弹用气动线性控制电磁阀入口压力分别为2MPa和5MPa的工况下,使用Fluent流体分析软件对其进行流场数值模拟,得到了在阀芯全行程下的气流力大小。通过仿真得到的电磁力、气流力和计算求得的弹簧力,为弹用气动阀中控制关键技术“电磁力=气流力+弹簧力”的研究提供了数据支持。最后利用AMESim软件研究其出口压力变化以及油箱压力的跟随性能,结果显示跟随性能良好,无明显的滞后现象。构建了试验系统平台,对弹用气动线性控制电磁阀进行压力跟随静态与动态特性测试,试验结果显示阀的跟随性能良好且控制精度较高;最后对阀进行了力学振动测试及高低温环境测试,复测后,该阀依旧保持良好的跟随特性。

关键词： 电磁驱渣   电磁感应   锌锅锌液   浮渣   捞渣   带钢质量  

摘要： 在现代钢铁行业的生产中,镀锌板带钢产品是其重要产品之一,其广泛应用于汽车、家电、食品、建筑和农牧渔业等行业。带钢在热镀锌时会在锌锅内产生大量的浮渣,浮渣是影响带钢质量的关键因素,需要即时对其进行清理,目前锌渣的主要处理方式为人工捞渣和机器人捞渣。人工捞渣工作强度大且存在较大安全隐患。机器人只能局部捞渣,属于无管控的“盲捞”。全国有640多条镀锌线,锌锅浮渣的清理,已成为制约提高镀锌板带钢质量以及实现工业人工智能的瓶颈问题,本论文设计的电磁驱渣及捞渣智能控制系统,能够有效的解决镀锌生产线上人工捞渣和机器人捞渣所存在的问题。本论文的工作包括以下几个方面:(1)深入开展电磁感应原理的研究,揭示电磁驱渣器电磁推力与锌锅锌液流体运动的规律;通过研究在锌锅上方布置多个电磁驱渣器,对锌锅锌液进行流场控制,使漂浮在锌液上的浮渣有序的流至指定位置,其中重点包括电磁驱渣器的结构设计以及电磁驱渣器磁感应强度的仿真。(2)运用热耦合仿真对电磁驱渣器的温度场进行分析,针对电磁驱渣器的工作环境,为其设计对应的风冷系统,分析电磁驱渣器与风冷系统的热平衡规律,通过样机试验,研究风冷系统的各种参数匹配电磁驱渣器的驱动参数,实现电磁驱渣器工作时的热平衡。(3)运用可控整流电路原理和PID控制原理,对电磁驱渣器控制系统进行设计;主要进行电磁驱渣器的驱动电源主回路、风冷控制系统和控制子系统的设计工作。(4)完成捞渣机器人的整体结构设计,根据锌锅尺寸设计的捞渣路径,并制定了相应的捞渣工艺,最终完成了捞渣机器人的功能设计。通过以上内容的研究,实现全自动驱渣、捞渣,从而控制镀锌线锌锅浮渣,实现对镀锌带钢产品的精准控制,提高效率。

关键词： ISPR   Laplace-Borel变换   Andronov-Hopf分岔   AMPC   washout滤波器  

摘要： 生物燃料在全球能源供应和减少温室气体排放方面具有巨大的潜力。在连续乙醇发酵过程中,普遍认为高乙醇含量下酵母代谢周期的协同表达导致自振荡现象出现,进而抑制发酵过程的稳定运行。产物原位分离技术(In situ product removal,ISPR)作为有效的解决产物抑制的有效方法而被广泛关注。然而,ISPR高昂的运营成本限制了其工业应用的发展。在本项工作中,通过适当的控制手段可以降低ISPR的运营成本,实现乙醇的连续、经济生产。本文基于乙醇连续发酵的节能降耗需求,从操作、控制及优化角度展开研究,主要包括以下几个方面:(1)对结构化发酵反应器模型进行了Andronov-Hopf分岔分析,并详细分析了自振荡动力学的原因;然后,引入原位产物去除(ISPR)结合发酵和分离,消除产物抑制,以稳定过程。然后,分析了施加任意外源信号的动态行为。由于生产抑制导致发酵过程产生复杂的动力学,因此构建了基于ISPR的乙醇选择性膜反应器,并验证了振荡消除的效果。为了通过数据驱动的方法建模,在即时学习(Just in time learning,JITL)算法的基础上引入角度度量,同时使用距离度量和角度度量来评估数据之间的相似性,并且加入了参数稳定性约束,解决局部模型的稳定性问题。对吹扫蒸汽状态进行分析,通过分析不同状态对乙醇发酵过程的影响,确定最优的蒸汽吹扫的工作状态。(2)针对连续乙醇发酵过程具有强非线性、时变性的特点,采用自适应模型预测控制(Adaptive model predictive control,AMPC)方法来控制该非线性过程,其中使用卡尔曼滤波算法在线估计,对有源自回归(Auto-Regressive with Extra Inputs,ARX)模型的参数进行自适应整定,通过分析确定了合适的膜面积,获得乙醇最佳的控制浓度,并对比AMPC与MPC的控制效果。基于乙醇发酵系统搭建了Washout滤波控制器,通过Washout滤波器对非线性化动态系统进行分岔控制,并稳定发酵过程。(3)针对发酵过程慢、吹扫过程快,可能导致发酵与产物分离不匹配的问题,采用周期性的外源信号实现生物乙醇反应系统的分析和控制。借助Laplace-Borel变换对具有周期性外源扰动膜反应器的性能进行分析,发现扫气蒸汽的频率变化对乙醇产量的提高没有显著影响,而幅度变化呈现正增长。因此,该膜反应器系统采用ISPR设备的开/关操作,通过AMPC对乙醇浓度进行定期参考可以很好的引导吹扫蒸汽呈脉冲态;在此基础上对AMPC控制策略引入决策算法,对滚动优化最优解进行一定的约束,并结合跟踪误差对其进行一定的操作,使控制过程中的吹扫蒸汽更加规则化。这一结果有助于高浓度乙醇发酵的周期性操作和控制。

关键词： 共位监测卫星   任务协同   CNN   智能算法   智能控制  

摘要： 随着各国对巨型星座、集群间谍卫星、空间态势感知卫星等战略性空间设施的重视和发展,空间安全环境趋于恶化。为此,本课题针对共位监测卫星系统开展研究,为保障空间安全提供技术支撑。本课题包含共位监测卫星的感知系统、自主任务规划系统、和自主决策控制系统三大方面,内容如下:首先,论述了当前地球轨道资源的应用情况;分析了共位监测卫星系统国内外研究进展;说明了共位监测卫星系统的重要意义与价值;针对共位监测卫星工程与理论基础进行了具体分析,论证了实现自主监测任务的可行性。为了使共位监测卫星具备较强的自主决策能力,规划了基于先进智能算法与深度强化学习的课题研究架构。其次,针对前述研究架构中卫星任务规划要求,设计了基于CNN迁移学习与融合智能算法的智能寻的协同系统。针对在轨任务小样本量任务环境,分析了四个不同体量的预训练网络,论证了其可行性;设计并实现了基于改进融合算法的任务协同规划系统模块,该模块相较于已有算法实现了更为高效的协同任务路径规划,能够更为快速地分析空间态势并生成最优离散点路径。最后,针对上述提出并设计了基于M-DDPG的共位监测卫星循迹姿控系统模块,并通过与同类型算法的对比分析,论证了该算法应用的可行性与优势。在此基础上,基于Matlab/Simulink平台设计搭建了M-DDPG卫星控制仿真系统,提升了卫星的自主决策控制能力,并对智能体在卫星质量与路径复杂度上的泛化性进行了分析;为分析智能体训练的有效性,提出了MEAF滤波器算法,应用于智能体的训练效果分析。

关键词： 非线性系统   水面无人船   反步法   模糊逻辑系统   自适应控制   扰动观测器  

摘要： 非线性控制系统现阶段在很多领域都得到了广泛的应用,它在机器人、生态系统以及工程系统等控制中非常重要。非线性系统相比于线性系统来说要繁琐很多,在实际应用的过程中,因为缺少有效且统一的数学工具,我们不容易求解系统准确的输出过程。本文以水面无人船(USV)为应用背景,它的数学模型具有建模不确定性以及未知外部环境扰动等复杂性特点,使得控制性能难以得到精确的保证,而目前现有的控制方法又难以顾全各方面因素所存在的影响,因此,要实现精确的轨迹跟踪控制还面临着诸多挑战,这也使得现阶段在USV轨迹跟踪控制方面具有较高的研究价值。本文主要利用模糊逻辑系统(FLS)、反步法、自适应控制等理论方法,提出了一种新的基于扰动观测器和命令滤波器的自适应模糊控制器的设计,主要工作如下:1.为了解决非线性系统中控制精度不容易把握的问题,在控制器和扰动观测器中引入了一个新的自适应参数a,其中a具有单调不减的特性,这一特点不仅使得系统的跟踪误差在有限时间内小于规定的控制精度,还使其具有较快的响应速度。而且该控制方法的调节参数相较于其他自适应模糊控制方法并不敏感,方便了实际应用。2.在文中引入了一个命令滤波器来降低反步设计过程中计算的复杂性,同时它还可以有效地削弱对虚拟控制信号的需求,巧妙地抑制了抖振现象。对于由命令滤波所产生的误差影响,我们引入了补偿信号来对其进行消除。3.由于时变扰动幅值经常是剧烈变化的。基于这方面的原因,我们设计了一个新的扰动观测器,它可以很好地估计和补偿外部环境扰动的影响。4.将以上方法运用到USV中,研究了USV的路径跟踪控制精度不容易掌握的问题,用于提高USV的跟踪性能。首先采用模糊逻辑系统和扰动观测器对系统中存在的建模不确定性和外部时变扰动进行估计和补偿,并结合命令滤波反步控制方法降低了计算过程的复杂性,此外还引入了相应的补偿信号,目的是为了移去命令滤波所带来的误差影响。在此基础上,在控制器和扰动观测器中加入了一个新的参数a,通过调节a的大小来调节系统的控制精度,使其在规定的时间内实现有效且快速的跟踪,控制效果优于传统方法。最后通过Lyapunov方法,保证了整个闭环系统在有限时间内是稳定的。仿真结果表明了系统的所有信号都是有界的,且有很好的跟踪性能,验证了本文中自适应模糊控制器的有效性。