关键词： 特长隧道   烟气控制   排烟模式   斜井集中排烟  

摘要： 保障特长隧道安全通行是高速公路运营重要部分，特长隧道发生火灾时，烟气流动尤为复杂，严重威胁到隧道安全运转和人员生命财产。由于纵向排烟在双向隧道中存在安全隐患，而集中排烟则增加运营和管理费用，故当前隧道排烟模式以采用纵向排烟模式和集中结合模型为主。针对上述问题，文章提出一种采用多种排烟模式结合的烟气控制技术。正常运行时采用全射流纵向通风方式，同时设置排烟斜井集中排烟方式作为火灾工况下的排烟措施以实现对隧道左右线的排烟。经过现场数据测试分析，该方法在正常工况和火灾工况下能够对隧道烟气进行有效疏通。

关键词： 源荷协同频率控制   鲁棒控制   事件触发控制   时滞系统方法   分布式协同控制  

摘要： 在能源转型和“双碳”背景下,新能源在电力系统的渗透率不断提高,传统电力系统将逐渐演变成以新能源为主导的新型电力系统。然而,含新能源高渗透的电力系统因其系统的低转动惯量和风光出力的强随机性等因素导致频率问题日趋严峻。且转子机组逐渐被新能源所代替,导致电网调控能力与备用容量不足,传统频率调节手段已无法满足新形态下的电力系统调频需求。近年来,随着温控负荷、储能等分布式资源的规模化接入以及源荷两侧协同调度技术的发展,充分挖掘和调动负荷侧资源的调节潜力,在保障用户需求的前提下,通过调节自身出力参与电网调频,补充电网调控能力与备用容量不足,成为电力系统未来发展的重要方向。此外,电力系统作为信息物理高度耦合的系统,频率控制依赖于通信网络传输量测信号和下发控制指令,而带宽限制、网络拥堵以及通讯故障等问题容易导致通信时延等不确定性,从而影响物理系统控制的实时性甚至导致系统失稳。因此,针对新形势下电力系统调频需求,充分挖掘负荷侧调节潜力,探究计及通信影响的电力系统源荷互动,在合理、有效的控制策略下保证系统频率稳定,对于维护电网安全稳定运行以及提高其可靠性、灵活性具有重要意义。本文基于网络化、协同化的控制思路,从考虑柔性负荷集群与同步发电机组集中式协调和负荷侧柔性资源分布式协同两个维度入手,研究了计及通信影响的电力系统源荷协同频率控制策略。主要研究内容如下:1.研究了计及通信时延的电力系统源荷协同频率控制稳定性分析问题。首先,构建了源侧传统同步发电机组与荷侧空调负荷集群的协同频率控制框架;其次,在此控制框架下,考虑负荷调控过程中控制指令的通信时延影响,建立了计及通信时延的电力系统源荷协同频率控制模型;进一步,基于Lyapunov理论,通过构造合适的泛函和选取恰当的积分不等式技术,建立了时滞相关稳定性准则,进而兼顾了获取频率控制稳定裕度的精度和计算效率;最后,通过算例探讨了不同场景下所提准则的准确性和有效性。2.研究了计及通信时延的源荷协同模型预测频率控制问题。首先,在源荷协同频率控制框架下,建立了含变频空调负荷动态的电力系统频率调控模型,其次,为应对负荷调控中通信时延的负面影响,设计了区域源荷协同模型预测频率控制策略,并基于此设计了时延补偿设计方法,保障了通信时延影响下协调频率控制方法的有效实施。最后,通过仿真验证了所提出的协调控制策略在应对通信时延影响时,具有响应速度快、鲁棒性好的特点。3.研究了风电接入下计及通信时延的源荷协同鲁棒控制问题。首先,考虑源侧风电和荷侧空调负荷集群的运行特性,构建了包含双馈风力发电机组一次调频、空调负荷集群二次调频的源荷协同控制架构;其次,通过引入虚拟荷电状态模型,对空调负荷集群响应容量不确定性建模,同时考虑负荷侧通信时延、风电高渗透引起的系统惯性降低等不确定性因素,构建了包含不确定性和时变时延的线性系统模型;进一步,基于Lyapunov理论,提出了源荷协同鲁棒控制稳定性准则,并基于此设计了参数不确定性和H_∞性能评估的鲁棒控制策略;最后,通过仿真验证了所提出的控制策略提高了频率调节性能,保证了不同场景下的有效性。4.研究了面向负荷侧调频指令的荷储分布式协同控制问题。首先,构建了源荷协同的分层控制架构,其中面向负荷侧建立了空调负荷集群和氢储能的分布式协同交互方式。其次,针对负荷侧响应调频指令,分别提出了两种功率分配原则,保证了各可调资源的合理利用和对上层调频指令的密切跟踪;进一步,考虑通信带宽有限的网络环境,设计了基于多智能体领导者-跟随者的分布式动态事件触发协同控制策略,实现了功率信息按需传输,降低了通信负担,同时保证快速收敛速度和和同步精度;最后,通过仿真验证了所提出的分布式控制策略在保证频率调节性能和降低通信负担两方面的有效性。

关键词： 高阶非线性系统   反步技术   自适应控制   神经网络  

摘要： 由于实际工程系统通常存在非线性部分，因此对非线性系统的研究与分析不仅具有重要的理论意义，也具有重要的实际应用价值。自适应反步控制方法已经成为解决复杂非线性系统控制设计问题的重要方法之一。本文针对几类高阶非线性系统，结合反步技术和自适应控制方法，研究了控制器的设计方法以及闭环系统的收敛性和稳定性问题。本文的主要内容分为以下五部分：　　1. 针对一类严格反馈高阶非线性系统，基于自适应控制和固定时间理论，提出了一种自适应固定时间跟踪控制方案。该方案保证了闭环系统中所有信号都是全局最终一致稳定的并保证了在固定时间内的跟踪性能。最后，仿真研究证明了本章所提出方法的有效性。　　2. 针对一类非严格反馈的高阶非线性系统，提出了一种自适应神经网络固定时间跟踪控制方法。通过引入径向基函数神经网络逼近系统中存在的未知非线性函数，从而减弱其带来的设计困难。该方案能够保证闭环系统中所有信号的有界性，系统输出信号能跟随上参考信号，仿真研究验证了所提出的方案的有效性。　　3. 对于带有传感器故障以及执行器故障的高阶非线性系统，设计了一种自适应神经网络固定时间容错跟踪控制方案。对于系统中存在的传感器故障，为其设计参数自适应律进而估计故障参数。利用径向基函数神经网络对控制系统中出现的不确定非线性进行估计。该控制方案能够确保所有闭环信号的有界性，系统输出能接近给定的期望轨迹。该控制方案的有效性通过给出的仿真实例得以验证。　　4. 对于一类具有未建模动态和传感器故障的非线性系统，提出了一种自适应容错控制方法。通过引入神经网络逼近系统中存在的未知非线性函数，利用小增益定理去分析系统中存在可能无界的未建模动态。所提出的控制方案能够使得所研究系统的状态最终都会达到稳定，同时实现较好的跟踪性能。最后，仿真结果验证了所提出的控制策略是有效的。　　5. 对于针对具有正奇有理幂的分数阶非线性系统，通过引入神经网络逼近系统中存在的未知非线性函数，结合分数阶控制技术，设计了一种自适应神经容错跟踪控制方法。使得闭环系统中所有变量均是有界的且系统输出能跟踪上给定的参考信号。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。

关键词： 机械臂   力/位混合控制   降阶方法   自适应滑模控制   模糊控制   鲁棒控制  

摘要： 机械臂力/位混合控制问题一直是国内外学者广泛关注的热点问题,其研究的重点在于如何控制机械臂保证其控制的高精度及系统的快速响应速度。工业生产中,经常使用机械臂进行多种操作,当涉及复杂装配、精磨等操作时,不仅需要控制其运动轨迹,还需要控制其受环境约束而产生的约束力,以及当多个机械臂末端执行器同时控制同一物体时产生的夹持内力,而这正是本文需要研究的内容。本文针对受约束单机械臂的力/位混合控制问题、受约束多机械臂系统的力/位混合控制问题、受摩擦力等不确定因素影响的多机械臂系统的力/位混合控制问题分别建立对应的动力学模型,并以自适应滑模算法为基础,结合降阶方法、模糊算法、鲁棒算法来实现对机械臂的力/位混合控制。本文主要研究内容如下:针对受约束单机械臂的力/位混合控制问题。首先以受约束单机械臂动力学方程为基础,通过约束方程对其进行降阶,得到受约束降阶单机械臂动力学模型。之后将位置控制和约束力控制整合在同一控制器中,并将自适应滑模算法与降阶方法相结合,设计出基于受约束单机械臂动力学方程的自适应降阶滑模力/位混合控制器。最后基于李雅普诺夫方法证明系统稳定性。仿真结果表明:所设计的控制方案对于受约束单机械臂不仅有快速的系统响应速度,同时对期望轨迹有极好的跟踪效果,且能将力误差稳定在极小的范围内。针对多机械臂系统末端受环境约束而产生的力/位混合控制问题,提出了一种基于自适应降阶滑模算法的受约束多机械臂系统力/位混合控制方法。首先,通过运用多个坐标系建立多机械臂动力学模型,并引入被控物体动力学模型建立多机械臂系统动力学模型,从而基于约束方程建立受约束多机械臂系统动力学模型。其次,将位置控制、约束力控制以及内力控制引入同一控制器中,并将自适应滑模算法与降阶方法相结合,设计出基于受约束多机械臂系统的自适应降阶滑模力/位混合控制器。最后,基于李雅普诺夫方法,证明系统的稳定性。经仿真验证,该方法不仅确保了控制器控制的高精度和系统的快速响应速度,同时能保证约束力误差及内力误差均稳定在极小的范围内,仿真结果表明了该控制方案的有效性。针对受摩擦力等不确定因素影响的多机械臂系统的力/位混合控制问题,提出了一种基于模糊自适应鲁棒滑模算法的多机械臂系统力/位混合控制方法。首先,通过受摩擦力等不确定因素影响的多机械臂动力学方程及物体动力学方程构建多机械臂系统模型。其次,将模糊算法与自适应滑模算法相结合,从而对不确定因素及未知非线性项进行补偿,并通过鲁棒算法对系统的可靠性进行了提升,设计出基于受摩擦力等不确定因素影响的多机械臂系统的模糊自适应鲁棒滑模力/位混合控制器。最后,基于李雅普诺夫方法,证明了系统稳定性。经仿真验证了该控制方案的可行性与优越性。

关键词： 机械臂系统   命令滤波   输出约束   未建模动态   自适应控制  

摘要： 随着社会进步,科学技术的发展,现代工业控制系统在复杂化、大型化的道路上稳步迈进。机械臂系统作为一类MIMO非线性系统,集动力学、控制理论等研究于一身,在航空航天、精密机械制造和控制等领域中拥有广泛的应用空间和巨大的应用潜力。然而,在实际操作过程中,无论建立多么理想化的系统模型,都有可能在运行时受到不确定性的影响,导致系统局部或整体出现运行不安全、不稳定的情况。这就要求控制设计工程师在设计控制系统的时候将系统约束考虑在内,确保系统整体在受限情况下,仍然能够以相对稳定的状态跟踪理想轨迹。因此,在设计控制系统的过程中,考虑受限系统是十分必要的。随着机械臂控制领域日新月异的发展,相关研究成果推陈出新,但仍有很多问题需要进行更加深入的探索。本文主要研究工作如下:1.针对一类具有常数输出约束的机械臂系统,提出一种基于误差补偿机制自适应神经跟踪控制方法。利用未建模动力学性质和构造一阶动态信号来处理动态不确定性。采用Barrier Lyapunov函数处理输出约束。利用径向基函数神经网络(RBFNNs)来估计虚拟控制设计过程中产生的未知的非线性光滑函数。最终证明了系统是半全局一致终结有界(SGUUB)的。以一个双连杆柔性关节机械臂系统为例,检验了所提方法的有效性。2.考虑一类永磁同步电动机(PMSM)驱动的柔性关节机械臂动力学系统,结合工业生产中实际情况,将系统存在输入饱和的情况考虑在内,利用B arrier Lyapunov函数处理输出约束,基于动态面方法,从Step 2开始引入误差补偿信号设计控制器。通过将所有补偿信号引入总的Lyapunov函数,并利用传统动态面控制(DSC)中的紧集进行稳定性分析,证明了被控系统中的所有信号都是SGUUB的。以一个双连杆柔性关节机械臂系统为例,检验了所提方法的有效性。3.针对一类输出受限和状态受限的机械臂系统,运用双曲正切函数的性质构造了恰当的NM,构造一个合适的非线性映射函数处理系统时变输出约束和状态约束,在设计过程中,根据命令滤波控制方法对转换后的系统设计出和实际控制输入相分离的事件触发控制器,使固定阈值和相对阈值策略相统一。最后以一个双连杆机械臂系统验证了该方法的有效性。

关键词： 二自由度   陀螺仪控制   角度轨迹跟踪   滑模控制   自适应控制   干扰观测器   鲁棒性  

摘要： 陀螺仪控制技术对国防科技和基础民生发展有促进作用,被广泛应用在航海、航天航空和无人机等多个领域,同时用于解决当前智能化、无人化设备研制过程中稳定性问题。如何控制陀螺仪使其跟踪指定轨迹,同时考虑输入约束和内外干扰成为研究的热点问题。本论文主要针对加拿大Quanser公司的三自由陀螺仪实验设备作为对象进行研究,完成二自由度陀螺仪的角度轨迹跟踪控制问题,开展以下几部分进行研究:(1)介绍三自由度陀螺仪其控制系统的物理结构组成,通过其工作机理利用拉格朗日方程建立非线性动力学模型,并利用陀螺仪的特点降低一自由度。考虑二自由度陀螺仪轨迹跟踪的控制方法,利用李导数设计滑模面,采用积分滑模控制,在MATLAB仿真和实物平台中进行对比实验,结果表明,积分滑模控制的准确性较高。同时为了消除白噪声等外部噪声扰动,提出采用扩展卡尔曼滤波的方法加入到模型当中。(2)针对陀螺仪的输入受限情况和角速度受限状况,提出了一种自适应分数阶滑模控制策略,首先利用回归器设计自适应率对控制器进行优化,减小扰动信号突然变化对执行机构的冲击,减少控制量的剧烈变化,防止其突破最大输入限幅。然后结合分数阶滑模中实际的输入力矩设计控制器,消除超出限幅的输入。最后通过仿真和实验对所提方法的有效性进行验证。(3)陀螺仪在扰动情况下,要其尽快恢复到稳定状态的问题,提出基于滑模控制策略的干扰观测器。首先设计指数收敛非线性干扰观测器对陀螺仪扰动量进行观测,并对滑模控制律中的未知扰动项进行反馈补偿。然后通过LMI工具箱,对干扰观测器的参数进行整定,得到一组具有良好观测效果的数值。最后仿真进行对比实验,验证了加入干扰观测器观测扰动进行扰动补偿,更快的抑制扰动,提高跟踪性能和鲁棒性。

关键词： 一致性追踪控制   多智能体系统   自适应控制   未知控制方向  

摘要： 近些年来,随着控制科学的快速发展,多智能体系统的一致性控制在现实生活中得到了广泛的应用,已成为研究热点。目前关于多智能体系统一致性控制问题的研究大多数是基于控制方向为已知的情况,然而在许多实际应用中,由于未知故障原因,可能导致系统控制方向不确定。这使得许多基于已知控制方向的协同控制算法难以应用于此类系统。因此,如何在系统控制方向未知的限制条件下实现多智能体的一致性控制是一个值得深入研究的课题。本文以控制方向未知条件下的多智能体系统一致性控制为主线,主要完成了以下工作:第一,考虑了控制方向未知情况下具有未知参数的不确定严格反馈多智能体系统的一致性追踪控制问题。通过将Nussbaum函数增益和反步技术相结合,设计出了一种仅需利用邻居智能体信息的一致性追踪控制策略,有效补偿了非匹配不确定性因素的影响,在控制方向未知情况下实现了一致性追踪,同时借助Lyapunov函数和Nussbaum类型函数的相关性质证明了闭环系统信号的有界性。最后通过仿真实验证明了该控制策略的有效性。第二,考虑了控制方向未知情况下具有未知时变参数的规范型不确定多智能体系统的一致性追踪控制问题。通过构建一类新的Nussbaum函数,解决了系统中存在的未知控制方向和未知时变控制系数的问题。利用有向图表示了系统的通信拓扑,针对每个智能体提出了一种新的滤波器,实现了滤波器输出对于期望轨迹的一致性跟踪。基于Nussbaum函数设计了新的自适应一致性追踪控制策略,最终实现了多智能体系统的输出对于期望轨迹的一致性追踪。仿真实验也表明了该一致性追踪控制策略的有效性。第三,考虑了控制方向未知以及未知扰动情况下具有未知参数的二连杆多机械臂系统在未知扰动影响下的一致性追踪控制问题。通过设计合适的参数估计器,对未知有界扰动的上界和未知参数进行了估计。将Nussbaum函数增益和反步技术相结合,提出了自适应协同控制策略,建立了基于Nussbaum类型函数的机械臂输入控制力矩,消除了未知控制方向的影响,实现了多机械臂系统的输出对于期望轨迹的一致性追踪。最后通过数值仿真验证了该一致性追踪控制策略在多机械臂系统上的可行性和有效性。

关键词： 连续搅拌反应釜   温度控制   神经网络   A3C算法   事件触发控制   强化学习  

摘要： 连续搅拌反应釜(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)是一种在石油和化学工业中应用最为广泛的装置,在化工、生物和医药等领域有着广泛的应用。它具有结构简单、操作方便、反应效率高等优点,可以实现连续生产,提高生产效率和产品质量。连续搅拌反应釜的反应通常是放热反应或吸热反应,需要对反应温度进行精准的控制,但由于反应物料流动速度较快,温度控制困难,可能导致反应效率的降低和产物的质量下降,因此,对于反应器的温度控制问题,一直以来都是众多专家和学者关注的焦点。在控制器不能准确地控制釜中的温度时,许多企业都会使用手动控制。然而,这样的控制方法会使人力成本大幅上升,浪费资源,事半功倍,甚至还可能产生严重的安全隐患和现场事故。反应器的温度很难控制的原因,不仅仅在于反应过程的吸热、放热,还在于受到了环境的影响,或者是受到了外界扰动等不确定性因素的影响,从而会使得CSTR系统表现出了强非线性、大时滞、强耦合等特点,而这些特点导致反应釜模型难于建立或精确度不高,使得系统温度难以控制,给现场控制带来很大困难。本文以石油工业中连续搅拌反应釜反应时的生产过程为例,以国内外专家学者对CSTR模型和控制方法的研究为基础,运用机理建模的方法,构建CSTR模型,并通过结合A3C强化学习、神经网络和事件触发控制方法对CSTR系统设计控制策略,围绕CSTR系统的建模和温度控制问题开展研究。本文的主要研究内容如下:(1)建立CSTR反应过程中的机理模型,选择A3C强化学习方法作为CSTR温度控制方法。通过分析CSTR的基本结构、工作原理和建模分析,了解CSTR的工作原理和特性,选取反应釜温度控制的关键因素,利用CSTR各参数(如进料浓度、进料温度、冷剂温度等等)之间的机理关系,提出一种机理建模的模型建立方法。通过了解强化学习发展历史,对比分析policy-based、value-based、AC、A2C和A3C等方法的优劣势,选择A3C强化学习方法作为CSTR智能温度控制方法,对CSTR系统进行温度控制。(2)利用强化学习实现CSTR温度控制。通过对环境模型、全局网络、线程网络、交互机制和系统温度控制实现进行详细介绍,充分了解全局网络、线程网络和交互机制的原理,对CSTR系统进行温度控制。仿真实验结果表明,A3C算法可以较好的实现CSTR温度控制,且实验时间较短且稳定,拥有较好的全局性,但仍存在计算量大和消耗资源方面的问题。(3)采用事件触发的方式解决了A3C算法对资源的占用。首先通过了解事件触发控制的原理及发展,了解事件触发机制,介绍事件触发A3C算法的模块,确定事件触发的条件,设计了基于事件触发的A3C算法的控制框架;这类控制策略只在违反一定规则时才会采样,而全局网络和线程网络只有在事件触发时才会更新,从而完成系统采样,其余时间系统不采样,全局网络和线程网络的更新保持不变。仿真结果表明,基于事件触发的A3C算法能够极大地减少系统的采样次数,降低系统的通信开销,降低系统的计算开销,从而降低系统的资源消耗。