摘要： 随着科技的不断发展,多传感器融合技术和智能控制理论在视频音效处理领域的应用日益广泛。本文旨在设计一种基于多传感器融合技术的视频音效智能控制系统,以满足系统功能和性能需求,并实现音效与视频内容的协同控制。

关键词： 非线性信息物理系统   欺骗攻击   自适应容错控制   事件触发策略   神经网络技术  

摘要： 随着计算机科学、人工智能及自动化技术的发展与交叉融合,由网络和物理组件组成的非线性信息物理系统(CPSs)在实际中得到了广泛应用,这使得对其研究具有十分重要的实际和理论意义。另一方面,非线性系统的自适应控制已经成为控制领域的一个研究热点,特别是针对非线性CPSs如何构造有效的自适应控制策略更是获得了众多学者的研究兴趣。由于通信网络高度的开放性,非线性CPSs不可避免地存在一些安全隐患,例如拒绝服务攻击,欺骗攻击,重放攻击等。因此,如何消除欺骗攻击的影响并保证非线性CPSs的稳定性是一个十分具有挑战性的课题。本文研究了欺骗攻击下两类非线性CPSs,通过提出新颖的坐标变换技术并利用攻击后的状态设计相应的控制器,构建了自适应控制算法,实现了非线性CPSs的安全控制。具体工作如下:(1)针对一类具有欺骗攻击和执行器故障的非线性严格反馈CPSs,提出了两种新的自适应容错安全控制方案。首先,由于欺骗攻击改变了系统真实状态,使得实现欺骗攻击下非线性CPSs的跟踪控制是一个十分困难的问题,并且相关成果较少。因此,提出了一个防御欺骗攻击的自适应容错跟踪控制算法。通过设计将参考信号和攻击增益同时考虑在内的新颖坐标变换,确保了系统的跟踪控制和稳定性。介绍Nussbaum技术来消除欺骗攻击对非线性CPSs的影响并释放了攻击增益符号的限制。通过backstepping过程可以得到闭环系统内的全部信号都是有界的,同时系统的输出可以跟踪上期望的参考信号。其次,对欺骗攻击提出了更一般假设,设计了一个新的自适应容错安全控制方案,保证了遭受攻击系统的稳定性以及闭环系统中的所有信号都是有界的。最后,所提出两个算法的有效性都被仿真实验所验证。(2)针对一类带有欺骗攻击、执行器故障和时变时滞的非严格反馈非线性CPSs,提出了一种基于事件触发策略的自适应控制方案。首先,针对欺骗攻击介绍合理的假设,并给出改进的坐标变换方法,消除了欺骗攻击给控制设计带来的困难。通过在backstepping过程中设计自适应律,有效的解决了执行器故障的影响。其次,分别采用LyapunovKrasovskii函数和神经网络逼近技术补偿未知时滞项和处理建模的不确定性。进一步的,介绍相对阈值事件触发策略,利用被攻击的状态构造一种新的事件触发控制器,确保通信资源仅在满足触发条件时才会被传输,从而节省网络带宽。理论结果表明,所提出的控制策略可以确保信号在闭环系统内是半全局有界的。最后,仿真实验证明了所提出策略的有效性和实用性。

关键词： 电力网   经济运行   储能系统   电力用户侧   自适应控制   Stackelberg博弈  

摘要： 电力是经济活动的重要物质基础，随着经济的发展，电力系统运行的安全性、经济性正面临着愈发严峻的全方位挑战。越来越多的敏感负荷对电能质量提出了愈加苛刻的要求;日益增大的峰谷差、新能源波动性、发用不匹配等现象逐渐成为电力系统经济运行的瓶颈。如何使用储能系统保障敏感负荷的运行安全，如何高效利用储能系统在复杂电价制度下充分调动电力用户参与需求侧响应的积极性，提升源网荷储多元互动水平，成为必要的研究主题。针对这些问题，本文的研究内容及贡献如下:　　1.保护负载的单相储能系统自适应保性能控制技术:为了保障敏感负荷的运行安全，本文使用非线性误差映射函数与反步法，设计了一种包含谐波抑制的单相储能系统自适应保性能控制技术，保障了其输出电压始终满足预先设定的上下限要求，从而保证了敏感负载的运行安全，同时降低了输出电压的总谐波失真,提高了储能系统的输出电能质量;2.电网为了提升其运行经济性、减轻自身压力，针对电力用户提出了分时电价、需求收费等复杂电价制度以引导其用电行为。在此背景下，为了提高用户侧储能系统的经济性、提升源网荷储多元互动水平，本文提出了两种基于运营商-用户Stackelberg博弈过程的用户侧共享储能系统运行模式，保障了用户的需求侧响应自主决策权，提升了用户用电成本节省效果，还在此基础上探索了用户侧共享储能系统为电网侧提供辅助服务的能力:　　1）侧重用户利益保护的、基于储能容量交易的复杂电价制度下共享储能系统运行模式:本模式中，共享储能运营商向用户出租储能容量，各用户自主决定每月租赁的储能容量及其充放电调度策略。本模式相比另一模式，对用户的降费效果有更优的保障;2）侧重架构简洁的、基于电量交易的复杂电价制度下共享储能系统运行模式:本模式中，共享储能运营商向用户售卖电能，各用户自主决定各时段的购电策略。本模式相比另一模式，架构更简洁，用户所需操作更少、决策更简单。　　本文使用了双层优化与算例分析的方法分析了上述两种模式的可行性与经济性，使用MPEC与多种线性化方法将非线性的双层优化模型转化为MILP模型以便求解。

关键词： 航天器电源系统   空间环境   自适应控制   等离子体   MPPT   Superbuck  

摘要： 航天器在轨运行时,其电源系统需要适应多种复杂空间环境和工况变化。暴露于空间等离子体区域的太阳电池阵将可能发生局部放电现象,在输出端产生高频电流波动;太阳翼展开、收拢、姿态变化和局部故障,将导致输出最大功率点变化;空间环境温度和光照变化,同样会导致太阳电池阵输出特性改变;恒功率负载开机和脉冲负载工作时,会给电源系统造成复杂的瞬态扰动。多种因素均会对航天器电源系统造成干扰,特别是对于太阳电池阵和Superbuck功率变换器构成的复杂非线性系统,各种扰动均可能导致系统稳定性降低甚至发生灾难性故障。随着航天器功率需求快速增加及各种SAR、激光载荷等大功率脉冲负载进入航天领域工程化应用阶段,航天器电源系统的抗扰动能力将成为决定型号任务成功与否的重要因素之一。根据公开的国外在轨航天器故障统计,电源系统产生的故障数占整个航天器在轨故障的30%以上,且具有危害性大、危害面广的特点。 为提升航天器电源系统的抗扰动能力和自适应性,本文开展了:(1)空间等离子体对航天器电源系统的影响研究;(2)最大功率点跟随控制及基于最大功率点估计的短路故障监测策略;(3)功率变换系统稳定性设计与实时稳定性监测研究;(4)功率变换系统鲁棒性及基于事件反馈的自适应控制。 (1)空间等离子体对航天器电源系统的影响研究:在特定空间环境下,研究了等离子体对航天器电源系统的影响,特别对太阳电池造成的充放电效应、一次放电及二次放电进行了深入研究,揭示出了导致太阳电池阵局部失效的原因,并从工程应用角度出发,提出了应对和保护措施; (2)最大功率点跟随控制及基于最大功率点估计的短路故障监测策略:针对空间等离子体可能导致的能量扰动和短路问题,提出一种基于最大功率点估计的短路故障监测策略。首先,对太阳电池阵的五参数直流模型进行参数整定,并在不同光照和温度下对模型参数进行修正;接着,提出动态光照和温度下的最大功率点估计方法和太阳电池阵短路故障模型;最后,基于MPPT跟随数据和最大功率点的估计,提出了一种新型的、硬件资源占用率低,切合航天领域工程化应用的短路故障监测策略; (3)功率变换系统稳定性设计与实时稳定性监测研究:提出了一种基于瞬态振荡耦合和振荡事件捕获电路的实时稳定性监测技术。首先,对Superbuck功率变换器进行了完整的直流分析和小信号建模,设计了二阶补偿网络和阻尼补偿网络。其次,基于小信号模型和傅里叶级数,对Superbuck功率变换器的输出电压频谱进行了分析。在此基础上,提出了四种瞬态振荡耦合电路和一种稳定性监测电路,可对Superbuck功率变换器进行实时稳定性监测,为自适应调节稳定性奠定了基础; (4)功率变换系统鲁棒性及基于事件反馈的自适应控制:针对Superbuck功率变换器,分析了参数和工作点变化对稳定性的影响,并建立了恒功率负载下的小信号模型。为提升电源系统可靠性及自主运行能力,设计并实现了基于瞬态振荡事件反馈的自适应PI控制器。该控制器对输出电压中的瞬态振荡事件进行实时监测,通过自适应地调节环路反馈增益,最终实现动态响应速度和稳定性自适应调节,有效提升了航天器电源系统可靠性及在轨自主运行能力。 通过上述四个方面的研究,为航天器电源系统方案、抗扰动、稳定性和自适应调节提供理论依据和设计参考。

关键词： 虚拟同步发电机   负荷虚拟同步机   虚拟同步化微电网   虚拟惯量   自适应控制  

摘要： 随着社会和工业的不断发展,分布式新能源以微电网的形式大规模接入现代电力系统,以电压源型逆变器为代表的电力电子设备也在逐渐取代传统同步发电机的位置,使得现代电力系统正逐步朝着“高比例可再生能源”和“高比例电力电子装置”的双高方向发展。但以新能源为主体的微电网由于缺乏惯量支撑,无法有效平衡电压和频率的波动,会严重威胁微电网系统的稳定运行,而大量波动的微电网甚至对电力系统正常运行造成巨大影响。为了提升微电网系统的惯量水平,为现代电力系统稳定运行提供支撑,本文提出一种具有自主惯量响应能力的虚拟同步化微电网,微电网内部全部逆变型与整流型单元均采用虚拟同步控制方法,能够模拟同步机的物理特性,又应用基于最优自抗扰的惯量自适应控制方法,实时响应微电网在波动各阶段不同的惯量需求,提高了系统的鲁棒性,加快了响应速度,为微电网提供了稳定的电压与频率支撑。本文的主要工作如下:首先,基于虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机的基础控制算法,分析了虚拟励磁控制器和虚拟转子控制器的输出阻抗特性,总结虚拟阻抗和同步机下垂特性的相同点。接着,针对虚拟同步发电机的特点,设计了一种自抗扰、实时调整的自适应控制器。与传统固定参数控制和上下界控制相比,自抗扰控制器能够快速有效地响应系统扰动,提高了系统的鲁棒性。仿真与实验结果皆验证了自抗扰控制方法对系统频率稳定的作用。最后,建立虚拟同步化微电网系统,引入电力系统最小惯量需求的概念,对微电网系统最小惯量需求进行评估与补偿。当扰动发生时,基于虚拟同步控制技术的分布式发电单元、储能单元和负载单元都会根据惯量需求实时改变自身惯量大小,使得惯量之和始终达到微电网系统的最小惯量需求。仿真与实验结果也验证了所提虚拟同步化微电网系统不仅能够实时满足最小惯量需求,并且保障了微电网系统稳定运行。

关键词： 多电机卷绕系统   张力控制   CFDL-MFAC   参数寻优  

摘要： 多电机卷绕系统广泛应用于纺织、印刷等行业,该类系统中张力控制的好坏直接关系到产品的质量。传统的张力控制是基于卷绕系统机理模型开展的,但多电机卷绕系统的强非线性、参数时变和不确定性、变量耦合的特点导致难以建立精确的数学模型,而且在建模过程中存在假设条件过强导致的模型精度降低的问题。因此,如何避免对卷绕系统建模来进行张力控制,并采用参数寻优算法来优化控制器参数以提升控制效果是本文的主要研究内容,具体工作如下:针对传统张力控制需要建立卷绕系统模型的问题,设计了基于紧格式线性动态化的无模型自适应控制策略(CFDL-MFAC)。该策略利用卷绕系统输入/输出(I/O)数据建立等效的数据模型,所设计的CFDL-MFAC控制器无需卷绕系统的模型信息,结构简单,但权重因子和步长因子的设置会影响张力控制效果。为此,引入单纯形法来优化控制器的参数。通过仿真和实验验证了单纯形参数优化算法和CFDL-MFAC策略对于张力控制的有效性。为了提高卷绕系统张力控制的效果,加快张力收敛速度,提出了基于改进型粒子群优化算法的高阶CFDL-MFAC控制策略。该策略避免了对卷绕系统建模而且可优化控制器参数。高阶CFDL-MFAC控制器利用卷绕系统I/O多步采样数据建立等效数据模型,改进型粒子群优化算法引入了惯性权重余弦调整策略,解决了传统粒子群优化算法在参数寻优后期陷入局部最优解的问题。最后通过在仿真和实验中与其他方法进行对比,表明所设计的高阶控制器和改进型粒子群优化算法在提高张力控制性能方面具有优越性。图37幅,表7个,参考文献93篇

关键词： 虚拟同步发电机   并网逆变器   虚拟惯量分析   自适应惯量阻尼协同   无缝切换  

摘要： 随着全球环境污染与全球变暖问题日益严峻,光伏、风电等清洁能源发电并网运行及控制策略研究受到越来越多的关注。而虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制型并网逆变器作为清洁能源并网的接口,大大提高了清洁能源的消纳能力,因此研究VSG型并网逆变器的控制策略具有重要的意义。VSG型并网逆变器因模拟同步发电机的特性可以使系统具备一定的虚拟惯量,与传统控制策略下的并网系统相比有效地提高了系统的受扰能力和恢复能力。然而,常规的VSG控制并不能根据动态过程中频率的变化相应的调整自身转动惯量与阻尼值,而且采用常规VSG控制的逆变器在并离网模式切换时会对电网产生较大电流冲击,破坏电网的稳定运行。基于此,研究VSG型并网逆变器的自适应惯量阻尼协同控制和并离网无缝切换控制策略显得十分迫切和重要。本文以VSG型并网逆变器为研究对象,针对VSG型逆变器虚拟惯量分析、自适应惯量阻尼协同控制和并离网无缝切换控制等问题展开研究,获得了如下可行性成果:1.模拟同步发电机建立了 VSG型并网逆变器系统数学模型,包括交流电路、电压电流双闭环控制、VSG控制策略的详细数学模型,并对所建VSG型并网逆变器系统进行虚拟惯量分析。2.为弥补固定参数与单一参数自适应的VSG控制暂态响应较差的缺点,提出自适应惯量阻尼协同控制策略。首先绘制出各参数变化的根轨迹图,分析各参数大致的取值要求;然后分析系统振荡过程中转动惯量和阻尼的取值与系统输出角频率变化率和变化量之间的关系,进而提出自适应惯量阻尼协同控制策略。3.针对常规VSG型逆变器在并离网切换时冲击电流过大的问题,提出了VSG型并网逆变器并离网无缝切换控制策略。针对并/离网切换过程,不需额外加设任何控制方法即可实现无缝切换;针对离/并网切换过程,提出无锁相环的预同步控制策略,与传统预同步控制相比更为简单且能实现无缝切换。

关键词： 下肢外骨骼机器人   自适应中枢模式发生器   人机协同   自适应步态控制  

摘要： 近年来,随着人们对下肢助力、助残及医疗康复等运动辅助需求的日益增多,下肢外骨骼机器人的相关技术与产品蓬勃发展。然而,现有下肢外骨骼机器人多针对标准化场景下的单一步态控制研究,存在明显的滞后性及功能单一性,难以实现人机间的协同运动及自适应步态控制。围绕人机不协同及自适应步态控制效果差的问题,本文基于人体工程学对下肢外骨骼机器人进行结构设计,结合人体运动意图及自适应中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG),设计协同自适应CPG控制系统,并搭建其样机系统以开展协同自适应CPG的轨迹跟踪实验。本文主要在以下几个方面展开研究工作:(1)下肢外骨骼机器人系统设计:本文针对实际应用需求,对下肢外骨骼机器人实体样机进行设计。首先,调研人体临床步态(Clinical Gait Analysis,CGA)数据库及中国成年人人体数据,基于拟人化原则确定下肢外骨骼机器人的结构尺寸、自由度、调节装置及关节限位等设计参数;其次,根据设计参数,利用Solid Works建立下肢外骨骼机器人的数字化模型;最后,设计相应的协同控制系统框架,据此,分别从硬件和软件方面搭建其控制系统,为后续的实物验证奠定基础。(2)人机系统运动学、动力学建模:为使下肢外骨骼机器人贴合人体实际运动角度,根据人体步态特征,对人体下肢及其模型进行简化。首先,通过D-H参数法建立下肢外骨骼机器人系统运动学模型,对其进行正运动学分析,求解出各关节间的位置变换关系及角度表达式;其次,利用拉格朗日法分别建立人机系统支撑相和摆动相的动力学模型,为后续的样机搭建、仿真分析和控制算法提供理论基础。(3)自适应中枢模式发生器系统搭建:首先,本文针对人体步态的节律性和周期性特点,利用Hopf振荡器搭建CPG网络,并基于Dynamic Hebbian Learning学习算法对CPG进行优化,学习各关节的步态数据曲线;其次,结合人体运动意图和自适应CPG构建协同自适应CPG控制器,通过实时检测人体位姿信息调控CPG网络参数,从而实现下肢外骨骼机器人步长、步幅和步频等关键步态参数的在线调节。(4)协同自适应控制实验:基于用户肢体的运动意图识别,运用本文设计的协同自适应控制系统,进行下肢外骨骼机器人步幅和步速自适应调节的轨迹跟踪实验。首先,以基础步态数据和自适应CPG作为输入,基于ADAMS和Simulink的下肢外骨骼机器人虚拟样机进行联合仿真分析,初步验证模型的合理性及可行性;其次,根据仿真验证的结果对自适应控制器进行调整、优化;最后,以协同自适应CPG控制器为输入,分别进行下肢外骨骼人机系统的恒速、步幅及步速调节实验。结果表明了本文所设计的协同自适应CPG可实现对下肢外骨骼机器人的自适应步态控制。

关键词： 鲁棒控制  

ISBN: (纸本)9787111736752

摘要： 本书借助MATLAB和Simulink，从理论和实践两方面介绍嵌入式鲁棒控制系统的设计和实现，涵盖适用于实际实施的方法，并结合控制系统设计和计算机工程方面的知识来描述整个设计过程。

关键词： PMSM   连续螺旋控制   自适应控制   观测器  

摘要： 近年,随着工业的蓬勃发展,对以PMSM为核心的伺服系统在精度、实时性等多方面提出了更加严苛的要求。由于PMSM具有可靠性、高效率、低损耗等优点,因此在许多工业应用中发挥着至关重要的作用。然而,传统的线性控制方法难以处理外部干扰、参数干扰和非线性动力学不确定等问题。为了能更好的发挥PMSM的优势,本文采用了自适应连续螺旋算法和滑模扰动观测器的复合控制技术对PMSM系统性能进行改善。连续螺旋算法是一种非线性控制算法,可以有效地抑制干扰和模型不确定性,提高控制精度和鲁棒性。自适应控制算法可以根据系统的状态和参数自动调整控制策略,以提高系统的鲁棒性和适应性。滑模扰动观测器技术是一种用于估计系统状态的算法,可以有效地抑制噪声和模型误差,提高状态估计的精度和鲁棒性。通过仿真和实验,验证了自适应连续螺旋复合控制的有效性和实用性,为PMSM控制的实际应用提供了一定的参考,具体内容包括:(1)通过构建PMSM基本的数学模型,分析了PMSM的坐标变换以及SVPWM算法的原理与实现,最后详细的介绍了矢量控制技术。在此基础上,提出了一种新的连续螺旋算法,应用于PMSM的转速环上。该算法以双闭环矢量控制结构为基础,采用连续螺旋控制方法来提高转速环的控制精度和鲁棒性。与传统控制方法相比,该方法可以将误差收敛到一定的区域,不仅提高了鲁棒性,还有效地削弱了系统的抖振。除此以外,还在此控制器的基础上加入了滑模扰动观测器,估计系统的扰动误差,并将此信号用于前馈补偿,以进一步提高系统的动态性能。为了验证控制方法的有效性,选择在MATLAB软件中搭建了PMSM控制系统的Simulink仿真模型,并进行了多次仿真验证。结果表明,本文所提出的连续螺旋算法可行且有效,可以有效地提高控制系统的鲁棒性和动态性能,可为相关领域的研究提供一定的参考。(2)由于连续螺旋控制应用于PMSM上也有其缺点,比如需要计算四个增益,增益调整变得复杂,需要扰动导数的上界等等。因此,提出了一种自适应连续螺旋算法,自动地调整控制器的增益,确保速度调节系统的跟踪误差在有限时间内收敛到零。仿真结果表明,本文所提出的控制器可行且有效,能够在未知扰动导数上界的情况下自适应地调整控制器的增益,从而提高了PMSM控制系统的性能和稳定性。(3)通过MATLAB软件在基于Rtunit的半实物仿真平台上搭建了PMSM控制系统地实验框图。在此基础上,对文中提出的算法进行了实验验证,并表明了复合控制方案的优越性。通过对PI、连续螺旋、“连续螺旋+观测器”和自适应连续螺旋以及“自适应连续螺旋+观测器”分别进行实验,然后将有关转速和电流的实验数据进行对比分析,说明所设计算法的有效性。相比于传统控制策略,本文的研究提高了PMSM控制系统的鲁棒性和稳定性,为相关领域的研究提供了一定的借鉴。同时,该半实物仿真平台的设计方案也为其他研究者提供了一种新的设计思路,有望在未来的研究中得到更广泛的应用和推广。