关键词： 伺服系统   炮控系统   永磁同步电机   扰动观测器   自适应鲁棒控制  

摘要： 随着现代化战争的发展,坦克性能也在不断的进步,若是仅仅能在静止状态下稳定打击目标已经不满足战场要求,现实作战的情况一般是高速行进间射击,所以要求现代坦克既能保证准确性、稳定性,还要拥有机动性和快速性。坦克炮控系统的性能很大程度上决定了能否对目标进行行进间准确打击,因此,本文以陆军某新型坦克侦察车为工程背景,以坦克炮控伺服系统为研究对象,以坦克行进间存在路面扰动及各种未知扰动的情况下实现对目标精确打击为目的,对坦克炮控伺服系统建模和控制策略展开研究。 首先,对伺服系统、坦克炮控系统和永磁同步电机的发展以及国内外现状进行了简要叙述,并分析伺服系统的工作原理,同时说明本文研究内容的必要性与迫切性。 然后,对坦克炮控伺服系统的系统组成进行分析,并对其中主要执行电机进行分析,创建永磁同步电机的数学模型,讨论了作战情况下存在的非线性及不确定性因素以及这些因素对坦克性能的影响。 之后,对坦克行进间地面扰动分析建模,介绍并建立了坦克动力学坐标系,并根据该坐标系对系统进行运动学分析。根据随机路面的分级标准,建立了A级、C级、F级不平度的随机路面模型,再根据实际要求设计了滑模观测器。 接着,对影响坦克性能的电流环设计控制策略,并设计自适应滑模环控制器,然后基于i＝0的矢量控制策略,对电流环仿真模拟,通过输入不同的预期电流信号,检验电流环控制策略的性能,仿真实验表明本文设计电流环控制策略满足系统要求。 针对该坦克炮控伺服系统速度环,提出一种滑模观测器的自适应鲁棒控制。为了保证坦克在车辆行进间稳定,将滑模观测器测得的实时速度扰动,传入速度环自适应鲁棒控制器,进行稳定补偿。之后对速度环进行仿真,将传统自适应控制,自适应鲁棒控制与加入滑模观测器的自适应鲁棒控制效果进行对比,分析得出本文所设计的控制策略相比于之前的控制策略有足够的优势,在稳定精度与稳定时间上相比于传统的控制策略都有明显提升。 最后,在模拟台架和摇摆台上进行半实物仿真实验,通过半实物测试系统的实际工作性能,实验结果表明本文设计的控制方案性能够满足坦克炮控伺服系统设计的精度要求,在坦克行进间射击时具有较高的精度与抗干扰能力。

关键词： 自主式水下机器人   自适应控制   预设性能控制   预定义时间控制  

摘要： 自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为在水下环境中代替人类进行任务的重要工具,具有高效、安全、精准和长时间连续运行等优点。随着科技的不断发展,人们对AUV智能化和高效化的要求逐渐提高,AUV的工作环境和任务需求也日渐趋于复杂。这对AUV控制系统的设计带来了很大挑战。首先,水下工作环境复杂,水动力系数难以获取且洋流扰动难以预测,对控制系统的鲁棒性提出了较高要求。其次,任务要求越发复杂,人们不仅希望AUV具有较高的控制精度,还希望AUV具有较好的控制性能。这些实际的控制需求增加了约束条件的数量,增大了控制器设计的难度和复杂度。因此,研究AUV自适应性能约束控制方法具有重大的实用意义和理论价值。本论文针对AUV的实际应用需求和目前存在的问题,对自适应性能约束控制方法展开研究,旨在抵抗不确定性的影响,转化约束条件,并提高控制性能。本论文的主要研究工作可总结如下:针对AUV模型存在不确定性,以及外界未知洋流扰动易引起预设性能控制方法失效的问题,本论文提出了考虑不确定性的AUV自适应可变约束边界控制方法。首先,提出了自适应可变约束边界性能函数,该性能函数可以有效处理由短时间大扰动引起的位姿偏移。其次,设计了干扰观测器对模型不确定性和未知洋流扰动进行观测和补偿。然后,基于自适应性能函数和干扰观测器推导设计了考虑不确定性的AUV自适应可变约束边界控制器,并利用李雅普诺夫方法证明了稳定性。最后,利用数值仿真软件进行了仿真验证,证明了该AUV自适应可变约束边界控制器的有效性。针对AUV控制性能要求较高,需要约束的量的数目多且约束条件复杂的问题,本论文提出了考虑约束转化的AUV预设性能跟踪控制方法。首先,提出了改进的自适应性能函数。该改进性能函数可以从约束边界的角度实现对控制精度和收敛时间等多个量的约束,转化并简化了约束条件。其次,设计了小超调的约束边界和误差变换,进一步实现了对超调量和不确定性等多个量的约束。然后,基于改进性能函数,小超调约束边界和误差变换推导设计了考虑约束转化的AUV预设性能跟踪控制器。最后,进行了数值仿真验证,仿真结果及分析证明了该AUV预设性能跟踪控制器的有效性。针对AUV机动性要求逐渐增高,跟踪误差需要在规定的时间内收敛到期望精度的问题,本论文提出了考虑改进时间函数的AUV预定义时间跟踪控制方法。首先,引入了预定义时间控制方法。该方法相比于有限时间控制方法和固定时间控制方法,具有不依赖AUV初始状态,控制参数物理意义直观且设置简单的优点。其次,提出了概率密度函数的概念,简化了时间函数的寻找过程,并基于此概念提出了改进的时间函数。然后,基于改进时间函数推导设计了考虑改进时间函数的AUV预定义时间跟踪控制器,严格预设了误差收敛时间。最后,进行了对比仿真验证和不同收敛时间下的数值仿真验证。对仿真结果的分析证明了该控制器具备在预设时间内使跟踪误差收敛到期望精度的能力,验证了AUV预定义时间跟踪控制器的有效性。

关键词： 加压电渣重熔   水气平衡系统   反步法   非线性控制   MATLAB仿真  

摘要： 高氮钢不仅在力学性能方面较为出众,同时其耐腐蚀性也非常出色,在军工、航空航天等领域得到广泛应用。在实际生产中,普通电渣炉制备的高氮钢存在氮含量较低、成材率低的问题,加压电渣重熔是解决该问题的有效工艺方法,同时实现加氮和钢质纯净化两方面的要求,该工艺方法不仅是电渣冶金领域的一种新工艺,更是目前用于生产高氮钢不可或缺的工艺技术。水气平衡控制装置及其控制技术是实现熔炼室内高压氮气控制的必需技术,也是保证加压电渣重熔完成生产的关键核心技术之一。本文以加压电渣重熔水气平衡控制装置和控制方法为研究对象,主要完成的研究工作内容如下:(1)首先详细分析了加压电渣重熔水气平衡系统的设备组成及其控制需求,确保其控制系统设计工作得以完成,同时分别讨论了气压和水压的控制方法。然后,结合实际加压重熔工艺对压力的设置要求,以保证水压和气压的平衡为控制目标,对加压电渣重熔中的水气平衡控制系统进行建模,得到非线性控制系统模型。利用Backstepping(自适应反步法)算法设计控制器,经过对比讨论确定控制方法,最后根据已建立的数学模型以及确定的控制方法,搭建Simulink仿真实验平台,进行控制器算法验证和优化。(2)在水气平衡系统系统中普遍存在输入死区、全状态约束等不可忽视的问题,其对系统的性能造成较大的影响,甚至可能会导致系统不稳定。为了克服上述问题,本文针对这一类不确定非线性系统,提出了一种自适应神经网络控制方法。首先,将障碍型Lyapunov函数引入到反步控制器框架中,采用径向基函数神经网络逼近未知非线性函数,同时设计自适应调节机制对输入死区进行动态补偿,并保证系统所有状态不违反预定义的约束区间,在期望时间内能够保证闭环系统所有信号的有界性以及跟踪误差收敛到有界的紧集内。最后,通过仿真结果验证了该控制方法的有效性。

关键词： 不确定非线性系统   全局实际跟踪   镇定   自适应控制   输出反馈  

摘要： 不确定非线性系统的自适应输出反馈控制是现代控制理论的重要组成部分,已经被广泛应用到工业控制、国防等各个方面。一方面,非线性和不确定性在所建立的数学模型中是不可避免的,这对控制理论和方法提出了重大挑战。另一方面,随着现代工业对控制系统性能要求的不断提高,这就必然需要加强对系统自适应输出反馈控制的研究。因此,对不确定非线性系统自适应输出反馈控制的研究具有重要的理论意义和应用价值。利用观测器理论和自适应技术,通过构造新的动态增益处理系统严重的未知性和非线性,并设计合适的观测器重构系统的不可测状态或同时估计系统的输入匹配不确定性,本文研究了几类不确定非线性系统的自适应输出反馈控制。研究内容包括以下三个方面:一、研究了一类不确定非线性系统的自适应输出反馈全局实际跟踪问题。与已有的相关工作不同,系统的增长率为系统输入-输出多项式函数乘以未知常数。通过引入两个新的动态增益构造观测器,并基于此设计自适应输出反馈控制器,本文所引入两个新的动态增益更新律可以有效地解决来自系统增长率和参考信号中的严重未知性。所设计的控制器能使闭环系统的所有状态都是全局有界的,并且在有限时间后跟踪误差最终会达到事先规定的任意小。二、研究了一类具有广义控制系数的不确定非线性系统的全局自适应输出反馈镇定问题。函数控制系数的非线性和未知增长率的未知性给控制器设计带来了很大的技术困难。通过引入一个新的动态增益处理来自函数控制系数的额外非线性和来自增长率的未知性,在此基础上,设计扩展状态观测器重构系统的不可测状态并对输入匹配不确定性进行估计。通过结合动态增益和扩展状态观测器,设计一个自适应输出反馈控制器,确保了系统的状态全局收敛到零,且输入匹配不确定性的估计收敛到其实际值。三、研究了一类更一般的非线性系统自适应输出反馈全局镇定问题。值得强调的是,所研究的系统不仅具有函数控制系数和输入匹配不确定性,其增长率更为一般,是一个未知常数与系统输出多项式的乘积,这给控制器设计带来了技术困难。值得注意的是,本章只引入一个动态增益同时克服函数控制系数和系统增长率中严重的不确定性。所设计的控制器最终实现了镇定目标。针对以上三部分研究,分别给出了相应的仿真算例,验证了所给出的控制设计方法的有效性。

关键词： 驱动底盘   移动带式输送机   单泵-双马达   智能控制   模糊PID  

摘要： 重型移动式带式输送机是一种广泛应用于实际生产中的连续运输设备,用于露天矿粉的堆取和传送等作业过程,能够实现物料的持续运输,被认为是一种理想的输送工具。随着矿粉等物料输送需求的增加,研究重型移动式带式输送机就显得尤为重要,而作为支撑输送机并帮助其实现灵活运动的驱动底盘的智能化成为问题关键。因此,本文针对重型移动式带式输送机承载底盘智能控制技术的关键问题,以课题组设计的驱动底盘为模型对象,采用方案设计和仿真模拟相结合的方式对底盘液压系统及控制系统展开研究。主要研究内容和结论如下: (1)底盘整体结构设计与液压系统研究。为简化底盘机械传动结构,提高速度稳定性,设计了液压马达与轮边减速器组合独立驱动车轮的底盘形式,并给出了其中一对轮组的液压驱动系统原理图;在此基础上,针对发动机、变量液压泵和液压马达等部件进行了合理的参数选型设计。 (2)建立底盘调速控制系统数学模型。基于液压传动相关理论对主要元件进行数学建模,分析了变量泵控马达速度控制系统和比例阀控马达的数学模型,得到了由负载压力和负载流量决定的阀控马达转角传递函数方框图,模型的建立为后续控制系统搭建及控制策略研究奠定了基础。 (3)驱动底盘单泵-双马达控制系统建模与仿真分析。设计了常规PID控制器和模糊PID控制器,并将AMESim建立的液压驱动系统模型与Simulink设计的调速控制系统进行联合仿真,研究了期望转速以阶跃、正弦和方波信号变化的情况下,两种控制器对液压调速系统的影响。结果表明,常规PID控制策略在三种信号下的超调量为2.71%、3.62%和11.57%,而模糊PID控制在调速过程中的超调量分别为1.23%、0.79%和7.13%,这表明模糊PID控制策略的超调量小,具有较好的稳定性和跟踪性能,并且在单泵双马达控制系统中比PID控制更优。 (4)采用改进鸟群算法优化模糊控制器。基于改进鸟群算法对模糊PID控制的模糊规则和隶属度函数进行优化;与模糊PID控制策略相比,采用改进鸟群算法优化后的模糊PID控制器可以显著减小马达转速、流量和压力响应曲线的超调量,提高系统响应的稳定性,并使输出曲线更加平滑,证明了改进鸟群算法的有效性。图71幅,表10个,参考文献78篇。

关键词： 固定翼无人机   执行器故障   反馈线性化   自适应控制   瞬态性能  

摘要： 相比于传统飞机,固定翼无人机具有灵活、安全和成本低等优势,如今备受关注。因固定翼无人机系统越发复杂,执行器发生故障也越发频繁,容错控制对于其飞行安全十分必要,也是目前航空领域研究热点之一,实现容错控制可以提高飞行控制系统的可靠性;又由于固定翼无人机系统控制精度要求较高,无人机容错控制的瞬态性能也需考虑。本文针对固定翼无人机容错控制的瞬态优化问题,提出了基于反馈线性化和模型参考自适应的容错控制方法,考虑在此基础上加入H?瞬态性能补偿项的改进模型参考自适应控制方法及双层模型参考自适应结构的控制方法的研究,主要研究工作如下: 1、阐述了固定翼无人机研究的背景和意义,介绍了固定翼无人机容错控制和瞬态控制的研究现状,并说明了容错控制设计所涉及的控制算法原理。 2、给出了固定翼无人机六自由度动力学模型,并建立固定翼无人机纵向运动模型,该纵向运动模型考虑了实际电机推力方向与机身指向存在的角度和重心对推力线存在的垂距,使应用的固定翼无人机纵向运动学模型更贴合实际。 3、在所构建的固定翼无人机纵向运动模型的基础上,提出了结合反馈线性化和模型参考自适应的容错控制方法,对固定翼无人机执行器的不确定性故障进行补偿。将模型参考自适应控制与反馈线性化技术相结合设计出基础控制器,实现在故障情况下的闭环系统稳定和渐近跟踪,并针对各故障情况分别设计与之对应的控制器,将多个故障补偿控制器融合为一个综合的故障补偿控制器,以解决不同的故障情况,再利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性,通过有、无故障条件下飞机控制的仿真分析,验证了所提理论方法的有效性。 4、为解决基础容错控制器瞬态性能较差的问题,提出了改进的模型参考自适应控制方法。由求解Riccati方程得出的状态反馈增益构建H?瞬态性能补偿项,将其添加到基础控制器中,以抑制故障补偿控制器参数估计误差对闭环系统输出跟踪性能造成的不利影响,并利用输出跟踪误差的?L标准和任意单位时间内的均方差标准来证明瞬态性能优化的有效性。 5、进一步优化改进的模型参考自适应控制方法的瞬态性能,构建双层模型参考自适应控制结构,引入以改进的控制器为模板的辅助参考模型,并根据控制系统与主参考模型之间的跟踪误差以及辅助参考模型的跟踪误差之间的偏差,调整自适应反馈控制律,最后理论分析表明了固定翼无人机的控制信号均一致有界,保证了系统的稳定性和瞬态性能,最后基于Matlab的仿真验证了所提出容错算法的有效性。

关键词： 多智能体系统   分布式优化   有限时间一致性   动态事件触发控制   自适应控制  

摘要： 多智能体系统的分布式协同控制在生物学、物理、计算科学等领域有着普遍的应用,因此受到广泛的关注.分布式优化和一致性作为协同控制的两个典型问题,已经被用来解决许多实际问题.基于此,本文分别研究了一阶和二阶多智能体系统的优化问题.此外,针对一般线性多智能体系统,本文研究了有限时间和固定时间一致性问题.本文的主要内容如下:首先,针对一阶多智能体系统,研究了分布式优化问题.在假设局部成本函数可微并且强凸的情况下,提出了分布式凸优化算法,使得智能体的状态渐近收敛到全局最优点.此外,为了节省通信成本并降低能量消耗,我们引入了事件触发策略和异步周期检测机制.其次,研究了二阶多智能体系统的分布式优化问题,提出了基于两种采样机制的分布式优化算法,即非周期采样和动态事件触发采样.此外,所提出的算法采用了比例积分(PI)策略.最后,针对一般线性多智能体系统,分别研究了有限时间和固定时间一致性问题.与一般的渐近一致性相比,所提出的分布式有限时间一致性协议,提高了系统的收敛速度.此外,还提出了一种分布式固定时间一致性协议来消除收敛时间对系统初始状态的依赖.为了降低对系统全局信息地依赖,引入了分布式自适应机制.

关键词： 永磁同步电机   混沌   非线性系统   时滞系统   滑模变结构控制  

摘要： 永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)拥有重量轻、可靠性强、输出效率高等特点,因而备受人们喜爱,被普遍应用在电力传输、航空、航天等领域中。PMSM是一个多变量、强耦合的非线性系统,且是一个可以从其数学模型中证明存有混沌现象的控制系统。PMSM系统在一定参数范围和工作条件下会产生混沌现象,从而系统状态变量的相图轨迹会呈现出复杂的非线性混沌特性或极限环。而导致PMSM系统失稳或振荡的原因之一就是系统产生的混沌现象,该现象会影响系统的运行性能,甚至会损坏电机。混沌现象是非线性领域的一个重要组成部分和科学研究前沿,它既普遍存在又极其复杂。并且几乎所有的控制系统中都存在着时间滞后现象,因此,探究PMSM时滞非线性控制时的混沌特性有着重要的研究意义。本文首先通过坐标变换方法得到d-q轴坐标系下的PMSM数学模型,分别运用线性仿射变换和时间尺度变换两种方法推导出PMSM的混沌模型。在系统的两种不同外部输入情况下,对系统平衡点的分岔行为进行了稳定性分析,并求解出不同情况下对应的系统特征值。然后调整系统的参数范围,进行数值仿真的实例分析,说明系统状态变量的时域图和轨迹相图呈现出的极限环或混沌行为。并对系统初值做一个微小变化,以此研究系统对初始值的高度敏感性。之后对文章后续的验证实验部分做准备,通过了解电机中存在的时滞现象选用滑模变结构控制策略。基于幂次趋近律设计一个滑模速度控制器,运用Lyapunov稳定性理论验证其稳定性。最后将滑模速度控制器应用于仿真和实物实验平台中,并与传统PI控制做对比,进行低速和中高速稳定转速的混沌验证实验。本文以MATLAB为仿真平台,对PMSM系统进行建模和仿真,所用的实物实验平台以TMS320F28335为核心搭建,并在此平台上进行系统混沌现象的验证实验。获取仿真和实验的相关数据,并通过数据处理软件绘制系统的状态变量时域图和轨迹相图。仿真与实验结果显示:变量轨迹曲线均是在某个有界的范围内做着无规则运动,这不仅验证了理论分析的正确性,还在实际电机中证明了混沌现象的存在。对比实验和示波器截图都表明了,滑模变结构控制对电机的混沌现象有着更好的控制作用。

关键词： SPIC   电机驱动   智能控制   保护  

摘要： 随着电力电子技术与BCD工艺的发展,SPIC凭借其高智能化、高可靠性与高集成度等优势广泛应用于功率设备中。目前电机驱动技术作为SPIC的核心模块,已被应用于汽车电子、航空航天等领域。在当今提倡绿色环保的社会环境下,深入研究电机驱动技术,对推动我国自动化进程,响应国家节能减排号召具有非常重要的意义。 本文利用0.18μm BCD工艺,基于H桥结构,设计了一款适用于有刷直流电机的驱动芯片。该芯片的工作电源电压为8V～45V,典型工作电压为24V,工作温度范围为-40℃～150℃,在典型工作条件下H桥功率开关管导通电阻低于0.5Ω。该芯片通过外部信号控制,可以实现对电机的正反转控制、制动控制、PWM控制以及不同工作模式的切换。本文从有刷直流电机的工作原理与电气结构出发,详述H桥的工作原理与控制原理,搭建驱动芯片的框架结构,对电路进行模块化设计,最后将所有模块整合验证。 本文设计的H桥采用N型DMOS功率管,可实现更强的电流驱动能力,对基于翻转电压跟随器结构的LDO改进,得到了面向高压的高电源抑制、快速瞬态响应的高压LDO电路。在进行高压电荷泵电路设计时,其中的振荡器采用了单一电容与比较器相结合的结构,在降低电路功耗与面积的同时,具有稳定性好,线性度高的特性,并设计了适用于高压环境的电平移位电路,防止晶体管在高压情况下击穿。芯片内部集成智能数字逻辑控制电路,通过不同控制信号的相互组合,控制电机处于不同的工作状态,同时,逻辑电路设计有死区时间,防止H桥同侧功率管导通引起的电路失效,提高了芯片的可靠性。芯片还设计了具有迟滞特性的保护电路,避免电路在保护阈值附近发生振荡,提高了芯片的抗干扰能力,此外,芯片中还设计了一种高精度电流检测电路以检测H桥的电流,仿真结果表明在0.5A～3A电流范围内检测误差低于5%。 本文通过Cadence软件完成了该直流电机驱动芯片的电路仿真与版图设计。仿真结果表明,在数字逻辑信号的控制下,芯片可以实现正反转换向、制动、单双极工作模式和PWM控制等功能,在典型工作条件下输出峰值电流2.55A,在休眠模式下电流低于50μA。最后讨论并探究了影响负载电流的因素,仿真结果表明改变输入信号占空比、负载电机等效电感与电阻可以调节负载电流,控制电机转速。经过仿真验证,本文设计电机驱动芯片满足设计指标。

关键词： 打磨机器人   运动学分析   动力学分析   自适应控制   轨迹优化  

摘要： 大型铸件打磨作业是一项广泛涉及各领域(如船舶、核电、冶金)的工艺难题,受工况限制,当前以工人打磨为主,效率低下且存在大量威胁人身健康的因素。本文针对大型铸件打磨,基于桁架结构设计了折展式打磨机器人,从运动学、动力学以及自适应打磨与轨迹优化方面进行分析。本文的主要研究内容如下:(1)折展桁架式打磨机器人结构设计。根据打磨机器人设计要求将打磨机器人的整体功能进行了多级分解,采用功能原理法对每个功能模块进行具体的结构方案设计及分析,最后将各个功能模块合理布置,形成了打磨机器人的整体结构。(2)折展桁架式打磨机器人运动学分析。基于D-H法将等效后的串联机构进行正逆运动学分析,使用数值法分析了混联机构工作空间。采用矢量法对并联式打磨头的位置正反解、速度以及加速度进行了求解,对工作空间和奇异空间进行了分析,最后使用仿真软件对并联式打磨头的运动学进行了仿真验证。(3)折展桁架式打磨机器人动力学分析。基于拉格朗日法建立了串联机械臂的动力学模型,求解出了关节的驱动力和驱动力距;基于虚功原理法建立了并联式打磨头的动力学模型,求解出了各分支的驱动力,最后使用仿真软件对这两个动力学模型进行了仿真验证。(4)折展桁架式打磨机器人的自适应及综合轨迹优化研究。基于打磨机器人动力学,首先研究了并联式打磨头末端负载与驱动关节自适应调节之间的理论联系,有效优化了气压阻尼系统的整体负荷状态;最后分析了打磨机器人在不同轨迹下关节和机器人整体功耗,并通过数字算例与仿真计算验证了优化方程的合理性。