关键词： 虚拟同步发电机   暂态同步稳定性   功率控制   自适应控制  

摘要： 虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)能够使并网逆变器模拟同步发电机的运行特性,为电力系统提供一定的电压与频率支持,被认为是极具潜力的并网逆变器控制方法。电网故障情况下,确保VSG的暂态同步稳定是其为电力系统提供支持的前提。因此,本文以VSG为研究对象,重点研究提高VSG暂态同步稳定裕度以及避免失稳系统大幅振荡的方法。具体内容如下:(1)建立了VSG并网系统模型并分析其暂态同步稳定性。给出三相VSG并网系统结构并建立其数学模型,说明功率控制策略以及功角曲线;阐述I型暂态问题中系统工作点与同步角的变化过程;利用等面积定则与相平面法,提供分析系统暂态同步稳定性的重要判据。为本文的研究奠定理论基础。(2)为提高VSG的暂态同步稳定裕度,提出一种基于无功优化的方法。通过分析无功控制策略及其参数对功角曲线的负面影响,阐明提高无功功率参考有利于VSG在电网故障中稳定运行;因此,将有功环路中的频率偏差经过积分控制引入无功功率参考,本质上是利用暂态同步角变化量抬高功角曲线;该方法不影响VSG的稳态工作点,同时起到电压支持的作用。最后,采用相平面法验证所提方法提高暂态同步稳定性的能力。(3)为提高失稳VSG与电力系统的再同步能力,提出一种考虑频率响应的自适应再同步策略。该策略采用同步角与功率偏差作为判断系统是否失稳的信号,避免功率微分项对系统引入噪声;同时,设置频率偏差与频率变化率的阈值条件,该条件会导致VSG具有不同的动态恢复过程。最后,在判定系统失稳后按照阈值频率自适应地调整虚拟惯量与阻尼系数,促进VSG快速回到稳定工作点,阻止失稳系统大幅振荡、同步角发散。采用等面积定则分析并验证该策略的暂态同步稳定性。(4)搭建VSG并网硬件装置,模拟电网故障并进行本文所提策略的各项实验。仿真与实验结果证明本文所提方法的有效性与可行性。图41幅,表8个,参考文献63篇。

关键词： 量子最优化控制   量子芝诺效应   多能级量子芝诺效应  

摘要： 量子芝诺效应是指频繁的对不稳定量子系统进行测量可以抑制系统的演化,使得量子系统一直处在初态。这一独特的特性引起了人们广泛的研究兴趣,并广泛应用于量子计算,量子通信等领域。然而,人们目前大部分的研究都集中在二能级系统中,对于三能级甚至多能级系统的量子芝诺效应的研究还相对较少。另一方面,精确控制量子动力学系统的演化一直是人们的目标之一,近年来随着脉冲激光技术和量子最优化控制理论的发展,这一目标变成了可能。基于上述讨论,本文聚焦于量子最优化控制理论和量子芝诺效应,利用量子最优化控制理论研究量子芝诺效应,探索其性质和应用。本文的主要内容和贡献如下:(1)系统介绍量子最优化控制理论和量子芝诺效应,成功利用量子最优化控制理论复现二能级系统的量子芝诺效应,并且找到了解析解之外新的数值解。在得到额外数值解的基础之上,利用参数扫描研究调制波次峰对量子芝诺效应的影响。(2)证明三能级以及多能级系统量子芝诺效应的存在性,成功利用量子最优化控制算法在三能级和四能级系统上实现量子芝诺效应;对量子芝诺效应概念进行推广,并且利用优化控制算法在三能级和四能级系统中实现可选择量子态演化。上述工作成功证明利用量子最优化控制算法研究量子芝诺效应的有效性,这些结果对于我们进一步理解量子芝诺效应并用于指导实验设计提供了扎实的基础。

关键词： 压电驱动纳米定位平台   弱阻尼特性   鲁棒性   H_∞控制   结构化H_∞控制   高速高精度运动定位  

摘要： 压电驱动纳米定位平台作为精密定位系统的核心组成部分,因具有响应速度快、定位精度高以及驱动力大、稳定性好、无噪声、无发热等优点,能够实现纳米级精度的定位,已被广泛应用在半导体加工、超精密成像、生物医学、纳米检测及数据存储等诸多尖端技术领域。然而,平台固有的弱阻尼振动特性、磁滞非线性和蠕变特性以及广泛存在的模型不确定性和外部干扰等,都影响着平台的高速高精度定位和平台稳定性。因此针对压电驱动纳米定位平台控制技术的研究,成为实现纳米级定位精度的关键手段,也是目前亟须解决的技术难题。本学位论文以压电驱动纳米定位平台为研究对象,聚焦于研究能实现平台高速高精度运动定位的鲁棒控制方法,旨在提高平台的响应速度、定位精度、稳定性及鲁棒性等方面的性能。具体的研究内容如下:首先,以压电驱动纳米定位平台为控制对象,从电路、机械、压电效应及磁滞效应等多耦合特性出发,建立了压电驱动纳米定位平台的综合动力学模型,分析了系统的频率特性并给出了控制目标。其次,将基于负虚数理论的正位置反馈控制和积分阻尼控制应用于压电驱动纳米定位平台中,给出了两种控制方法的参数整定过程,分析了这两种控制方法的优点及局限性。然后,针对正位置反馈控制方法在性能上的局限性以及积分阻尼控制在参数整定过程中未考虑的鲁棒性问题,采用了具有综合性的H控制设计方法。通过对系统特性分析选取了合适的加权函数,求解得到了满足多重性能要求的H控制器。最后通过实验仿真验证了所提控制器的在性能方面的综合优越性。最后,考虑H控制器阶次高、多重性能耦合互相牵制,实施难度大等问题,提出了多参数解耦、多控制协同的结构化H控制策略。基于积分阻尼控制架构同时保留H控制设计综合性的优点,预先设计控制器结构,以低复杂度的结构化H控制器满足系统的多重性能要求。最后通过实验仿真对比,验证了所提出的结构化H控制器在性能及结构上的综合优越性,实现了高速高精度运动定位。

关键词： 实木地板   颜色分类   图像处理   机器学习   数据库  

摘要： 实木地板具有良好的美学性能,是室内装饰的优良材料。为了满足特定室内装修的艺术效果,实木地板的颜色需要协调搭配。为此,地板企业需要对生产的实木地板进行颜色分类以满足客户的个性化要求。然而,人工检测作为传统方法的颜色分类方式已经无法满足工业生产线的效率和质量要求。人工检测效率低下、成本高昂,并且技术人员不同的评判标准也会导致分类产生误差。因此,本课题引入了机器视觉和机器学习的方法来设计一套实木地板颜色分选系统。该系统包括相应的硬件设备和算法,针对不同批次的实木地板,能够实现深、中、浅三种颜色分拣。相比传统的人工检测方法,该系统有助于解决实木地板分类过程中自动化程度低、成本高、分选效率低等问题,具有良好的应用价值。本文研究内容主要包括以下四个方面:(1)本文基于实际生产环境中厂商提供的实木地板样本,针对实木地板颜色分类问题,设计了相应的颜色分选流程,并提出了系统整体方案,同时绘制出系统结构图。此外,还对图像采集和处理设备进行了分析和选型,包括:光源、工业相机、镜头、采集卡和主控计算机等关键设备,以保证图像质量和系统稳定性。(2)针对图像特征提取算法,本文进行了详细分析,并指出了传统方法存在的不足,例如耗时长、效率低等缺点。同时,提出了基于网格法的图像特征提取新方案,该方法能够在不受木纹干扰的情况下快速提取颜色特征。相较于传统特征提取方法中的图像灰度化、滤波降噪和颜色直方图等操作,网格法采用随机抽样,并通过设置过滤规则进行颜色特征提取,具有更高的效率。(3)分析对比了深度学习和一般机器学习方法的优缺点,提出了使用机器学习中集成学习的方法构建分类模型。将网格法快速提取出的颜色特征作为输入,训练分类器,并通过多次实验对所提的方法进行评估,本文所提出的分类模型对实木地板的分类精度达到97.69%,分类时间小于2ms。(4)在图像算法研究的基础上,完成了实木地板颜色分选系统的机械结构设计和自动化分选系统的选型,以及上下位机软件的设计和数据库的建立。上位机软件集成了相机校正、光源调控、参数设置等功能,同时具有可扩展性,可以对系统进行升级和扩展。下位机软件基于组态王,实现了对分拣、输送等设备的控制,通过Modbus通讯协议和上位机实时通讯,配合上位机完成实木地板的颜色分拣。最后,建立数据库对不同地区、各个批次的实木地板进行信息收集,方便数据管理、信息交互,提高生产效率。通过多次实验,本课题基于实木地板颜色分选的智能控制系统能够准确识别出地板颜色并进行正确的分类,可以较好地完成实木地板颜色分类的工艺流程,在实际应用中具有重要价值。

关键词： 空气消毒机   智能硬件   物联网技术   云平台  

摘要： 近年来,人们越来越注重室内空气病毒污染物的去除,使得空气消毒机产品的市场需求逐年增长。传统的空气消毒机存在工作时不能人机共存、不能根据有害气体的含量判断消毒与净化的优先级等问题,无法满足用户对空气消毒机智能化的需求。针对上述问题,设计了一种基于物联网的空气消毒机智能控制系统,在满足高效消毒的基础上,实现控制器、云服务器和移动客户端之间的数据传输以及运行状态的实时监测。主要内容如下: (1)通过阐述病毒传染的危害和现有空气消毒机控制系统的不足之处,得出系统总体框架。硬件部分以ESP32为核心,通过自带的WIFI模块连接组网,设计数据采集模块、驱动模块和消毒模块构成反馈与执行系统。数据采集模块检测空气中有害气体的浓度和温湿度后传输到主控模块,离心风机将室内空气带入机体内部,消毒模块采用紫外线消毒灯、负离子发生器和多种滤网对有害气体进行高效消毒净化。 (2)软件部分以Arduino IDE为开发环境,编写数据采集程序、PWM驱动程序和MQTT协议组网程序。控制器通过串口协议和IIC协议完成对空气质量的数据采集,将空气质量数据包通过WIFI网络发送到OneNET云平台。同时,根据室内各种有害气体的含量确定净化与消毒的优先级,调节PWM的占空比进而实现对风机的转速调控。淘晶驰触摸屏和手机APP为用户提供可视化的操作界面,方便用户实时监测和控制。 (3)在完成空气消毒机控制系统的软硬件设计后,对空气消毒机各项功能进行实验验证。实验结果表明,传感器采集的数据可以正确反馈至控制器,云端数据能够实现实时上传和下载,整机消毒净化能力符合预期要求。

关键词： 欠驱动TORA系统   稳定控制   扰动观测器   鲁棒控制   固定时间  

摘要： 具有旋转激励的平移振荡器系统(Translational oscillations with a rotational actuator,简称TORA)是为研究双自旋航空飞行器自振问题设计出的机械系统。这个系统具有两个自由度和一个控制输入,是典型的欠驱动非线性机械系统。由于这个机械系统状态变量间存在强耦合性,再加上系统本身具有一个非完整的约束,使得系统的运动控制问题极具挑战性。本文深入研究了欠驱动TORA系统的稳定控制与鲁棒控制问题,提出了几种有效的运动控制算法,取得了良好的控制效果。针对TORA系统的稳定控制问题,提出了反步递推法和级联线性化法两种稳定控制方法。反步递推法方法首先为系统构造一个新的状态变换,它将原系统转化为结构简单的非线性系统。然后为变换后系统的第一个子系统设计一个虚拟控制输入,并据此设计出第一个Lyapunov函数。在此基础上,利用反步递推的思想分别为系统设计第二个和第三个Lyapunov函数,并应用Lyapunov稳定性理论得到了系统的稳定控制器。在反步递推法的基础上,级联线性化方法利用子系统的虚拟控制输入,为TORA系统进一步构造了一个状态变换,将原系统进一步变换为一个级联系统,然后为级联系统设计一个PD稳定控制器,通过级联系统稳定理论保证系统稳定控制目标的实现。为进一步提升控制算法的实用性,消除外部扰动对TORA系统稳定控制性能的影响,提出了一种基于扰动观测器的鲁棒滑模控制器设计方法。首先,针对系统同时存在匹配和不匹配外部扰动的情形,基于系统的动力学特性设计了一个扰动观测器,实现了对未知扰动的实时估计。然后,利用扰动的估计值和滑模控制方法设计了一个固定时间鲁棒控制器,实现了系统在存在外部扰动情形下的稳定控制目标。

摘要： 随着人工智能、大数据、数字孪生体和机器学习等技术的不断发展和应用，管道行业逐渐从粗犷的传统管理模式向数字化、智能化的方向发展。我国管道行业提出了“全数字化移交、全智能化运行、全生命周期管理”的建设目标，其中在输气管道的投产和运行期间进行了大量探索。但目前数字化管道距离智能化、智慧化尚有一定差距，主要体现在实际操作仍需大量人工完成，对于与管道运行相关的数据信息挖掘不够，数据利用率较低，存在信息孤岛的问题。

关键词： 模型预测控制   输出反馈   鲁棒控制   管道   不确定系统  

摘要： 在实际过程中,由于系统模型失配、模型参数不确定、外界环境扰动及测量噪声等不确定性的影响,导致采用传统控制方法往往难以达到预期的控制性能。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)是一种能够有效处理多变量和物理约束的先进优化控制方法。为了进一步满足实际系统中鲁棒性及不确定性要求,鲁棒模型预测控制(Robust Model Predictive Control,RMPC)通过结合鲁棒控制的思想来对系统不确定性和物理约束进行处理。此外,通常在实际情况下,系统状态未知,而输出信息可以直接测量,研究输出反馈鲁棒模型预测控制方法更具有实际意义和理论价值。本论文针对实际过程中的不确定系统,分别以包含有界干扰和噪声的线性时不变(Linear Time Invariant,LTI)系统和线性参数变化(Linear Parameter Varying,LPV)系统为研究对象,研究了基于管道(Tube)技术和“准最小-最大”(Quasi-min-max)优化的输出反馈鲁棒模型预测控制方法,所研究的方法主要从约束处理及优化控制问题保守性方面改进了现有的输出反馈鲁棒模型预测控制方法。论文主要研究内容与研究成果总结如下: 1.针对包含有界干扰和噪声的线性时不变系统,考虑系统真实状态未知,研究了一种基于椭圆型Tube技术的输出反馈鲁棒模型预测控制方法。该方法通过离线优化求解控制器参数及处理系统不确定性,在线优化来确保具有时变收紧约束的标称系统稳定。其中在离线优化问题中,综合设计优化状态观测器增益、辅助反馈控制器增益及收紧约束集合。为了使得有限时域的开环优化问题可解,通过离线确定椭圆型终端约束集合、终端控制器增益和终端代价矩阵。在线优化问题中,标称控制输入序列通过滚动优化求解来驱使标称系统状态进入椭圆型终端约束集合之内,从而保证标称系统收敛到原点。另外,实时估计误差集合的界随着时变收紧约束集合的变化进行更新,估计误差和控制误差约束在时变鲁棒Tube集合之内。所设计的方法保证了在线优化算法的递归可行性和被控系统的鲁棒稳定性。 2.针对包含有界干扰和噪声的线性参数变化系统,考虑系统状态不可直接测量和物理约束,研究了一种基于“准最小-最大”优化的动态输出反馈鲁棒模型预测控制方法。首先,针对未来预测的扩展闭环系统状态,设计参数依赖形式的动态输出反馈控制器,从而可以通过线性矩阵不等式技术将非凸组合约束转化为半正定规划问题进行求解。然后,作为“最小-最大”(Min-max)优化的扩展形式,在“准最小-最大”优化控制问题中,考虑当前采样时刻模型参数精确已知情况,通过将当前和未来时刻的闭环系统状态分别约束在不同的鲁棒正不变(Robust Positively Invariant,RPI)集合之内,降低了优化控制问题保守性,提升了控制性能。此外,针对估计误差不确定性处理中,采用预测的闭环系统状态不变性来实时更新估计误差集合的界,避免了额外引入辅助优化求解更新估计误差集合,降低了算法在线计算量。所设计的算法不仅确保优化控制问题递归可行性,而且使得被控系统的鲁棒稳定性得到保证。

关键词： 混合车队   通信中断   线性控制   切换   稳定性   安全性   数值仿真  

摘要： 基于车车通信(Vehicle to Vehicle,V2V)技术的智能网联车辆队列能够有效提高交通运行效率、提升道路安全水平以及减少燃油消耗。然而,V2V技术作为其中的关键技术,容易因恶意攻击而中断。目前有关通信中断下车队的控制方法及其对车队行驶性能的影响的研究主要针对PF通信拓扑,然而,多车通信拓扑下,例如PLF、TPF通信拓扑,车队能够以更小的车间距行驶,从而提高道路通行能力。此外,智能网联设施的升级是一个循序渐进的过程,短期内智能网联车辆和人工驾驶车辆共存将成为常态。基于上述背景,本文主要研究PF、TPF、PLF三种通信拓扑下发生通信中断时,由智能网联车辆和人工驾驶车辆组成的混合车队的控制方法及其对车队行驶性能的影响规律和差异。首先,基于线性控制方法分别对通信正常时PF、TPF、PLF三种通信拓扑下智能网联车辆设计了PF-CACC、TPF-CACC、PLF-CACC控制器,对于人工驾驶车辆则采用IDM模型表征其跟驰行为,基于频域分析法对车辆控制器以及整个混合车队进行了稳定性分析。数值仿真结果表明,三种通信拓扑下通信正常时混合车队能够安全稳定行驶,从而为后续研究奠定了基础。其次,当发生通信中断时,对通信中断车辆采用切换控制的方式进行控制,对PF、TPF、PLF三种通信拓扑下的通信中断车辆分别设计了ACC、SPFCACC、LF-CACC控制器并对其进行了稳定性分析。数值仿真结果表明,三种通信拓扑下对通信中断车辆设计的控制器以及采用的切换控制方式能够保证混合车队在通信中断情况下安全行驶。最后,从稳定性和安全性两个层面确立了SSDVR、AAVA、TITV三个指标以度量通信中断对混合车队行驶性能的影响;以10辆车组成的车队为例,基于数值仿真和指标计算,分析三种通信拓扑下,在不同的驾驶场景、不同的人工驾驶车辆位置、不同的通信中断车辆的位置的条件下,通信中断对混合车队行驶性能的影响规律和差异。结果表明,(1)在影响规律方面,无论在何种通信拓扑下:1)通信中断对减速场景下车队行驶稳定性和通信中断车辆行驶安全性的影响更大;2)当人工驾驶车辆位于通信中断车辆的前方时,会增大通信中断对车队行驶稳定性的影响,增强通信中断对通信中断车辆碰撞风险增加的作用;3)随着通信中断车辆位置的后移,通信中断对车队行驶稳定性的影响逐渐减小,通信中断对通信中断车辆碰撞风险增加的作用逐渐增强;(2)在影响差异方面:1)PLF通信拓扑下通信中断对车队行驶稳定性的影响最小;2)当通信中断车辆位于车队的前部和中部时,PF通信拓扑下通信中断对通信中断车辆行驶安全性的影响最小,而当通信中断车辆位于车队的后部时,PLF通信拓扑下的影响最小。本文的研究结论能够为如何采取行动以降低通信中断的影响提供方向。

关键词： 机械臂   容错控制   有限时间控制   干扰观测器   自适应控制  

摘要： 随着现代社会的发展,机器人的应用越来越广泛,应用场景也越来越丰富,其中有些特殊的工作场景对机器人的可靠性和安全性提出了更高的要求。例如,在恶劣的工作环境下太空机器人和深海机器人需要长期稳定的运行工作,与人进行频繁互动的服务型机器人需要维持安全可靠的状态。作为机器人最重要的执行机构之一,机械臂广泛应用于各领域的机器人设备上,然而机械臂在工作过程中难免会出现执行器故障、未知死区和受到各种约束条件的限制等问题,此外,机械臂的模型参数往往不能准确获得或者难以获得。最后,除了保证机械臂在工作过程中的高可靠性和高安全性,提高其收敛速度和控制准确性是实现当下机械臂高标准工作要求亟需解决的问题之一。本文结合自适应控制、干扰观测器(Disturbance Observer,DO)、容错控制(Faulttolerant Control,FTC)技术、障碍Lyapunov函数(Barrier Lyapunov Function,BLF)和有限时间反步法,提出了考虑输出约束的机械臂有限时间自适应模糊容错控制方法。本文主要研究成果如下:(1)针对时变输出受限和具有执行器故障的刚性机械臂,提出了考虑输出受限的机械臂自适应容错控制方法。首先,自适应技术用于估计执行器故障导致的系统失效程度,补偿执行器故障带来的损失。其次,通过设计对数型BLF约束系统输出在预设的界限内,且与有限时间反步法结合提高控制系统的收敛速度。此外,采用自适应模糊控制动态估计系统使得控制律无需模型参数信息,增加了控制方法的可移植性。仿真结果表明,所提出的控制方法能够在执行器故障的情况下获得更好的跟踪表现并且不违反输出约束。(2)进一步考虑了机械臂的执行器故障和机械结构具有未知死区特性,提出了一种基于指令滤波的有限时间容错输出约束控制方案。首先,在出现执行器故障和未知死区的情况下,通过自适应补偿控制来保证控制器的控制效果。其次,设计了具有误差补偿的有限时间指令滤波器,解决了反步法设计控制器过程中存在的“计算复杂性”问题,节省在线计算负担。仿真结果证明所提出的控制方法能够对具有未知死区机械臂出现不同程度的执行器故障进行估计和补偿,使得系统输出能够在有限时间内跟踪上给定的轨迹。(3)进一步考虑了未知非线性干扰对于系统的影响,提出了基于干扰观测器的机械臂容错输出约束控制方案。首先,将模糊逻辑系统与干扰观测器相结合来估计未知的外部非线性干扰。其次,将干扰观测器与FTC技术相结合,减弱了外部干扰对于未知死区斜率和执行器故障程度估计的影响,使控制系统具有更好的跟踪效果,并提高了干扰观测器估计值的准确性。然后,将有限时间技术引入到控制器的设计中,使得系统的响应速度相比渐近稳定控制方法下系统的响应速度更快。仿真结果证明所提出的方法在机械臂出现不同程度的执行器故障和未知死区时具有较快的响应速度和更好跟踪表现。