关键词： 压电驱动器   LuGre摩擦   自适应控制   无模型数据驱动   扰动估计  

摘要： 粘滑式惯性压电驱动器具有大行程、高精度和响应速度快等优点,被广泛应用于精密制造、生物医学和显微操作等领域,其定位控制技术是实现产业化应用的重要基础。本文以粘滑式惯性压电驱动器为研究对象,针对驱动器自身复杂的摩擦运动关系、建模不精确以及不确定扰动引起定位控制精度大幅下降的问题,引入基于单神经元的自适应PID闭环控制策略,并提出基于扰动估计的无模型自适应控制方案,旨在通过优化控制器弥补负面因素对定位控制精度的影响。具体研究内容如下:(1)根据粘滑式惯性压电驱动器闭环控制原理,搭建基于硬件设备和测控软件的微定位系统。其中,硬件系统包括位移传感设备、数据采集设备、功率放大设备、驱动器样机、上位机等。软件系统通过Lab VIEW和MATLAB混合编程方式进行编写,实现人机交互、数据采集、控制算法调用、模拟驱动信号生成和过程数据保存等功能。对粘滑式惯性压电驱动器运动机理进行分析研究,在二阶弹簧阻尼系统的动力学方程基础上引入Lu Gre摩擦模型,描述驱动器输入与输出之间的摩擦运动关系,并采用MATLAB/Simulink对所建模型进行仿真验证。(2)针对粘滑式惯性压电驱动器使用磨损引起的摩擦系数改变,导致运动过程中始末位置变化时定位控制精度下降的问题,提出基于单神经元的自适应PID闭环控制策略。首先,研究关于幅值和频率的闭环控制原理,设置幅值和频率的控制输出阈值,提高控制器自适应能力,保证驱动器能够稳定、快速地实现高精度定位。进一步在建模研究和微定位系统平台基础上进行仿真和实验验证,通过与传统PID控制策略进行对比,证明所提控制策略的有效性。(3)针对粘滑式惯性压电驱动器建模困难、不确定扰动影响定位控制精度的问题,提出基于RBF神经网络扰动估计的无模型自适应复合控制器。首先,设计基于数据驱动的无模型自适应复合控制律,避免复杂的建模过程。在此基础上引入RBF神经网络扰动估计器,通过对广义不确定扰动的精确估计,弥补扰动对定位控制精度所带来的影响。利用极限理论证明控制器误差收敛以及输出有界,分析控制器的渐近稳定性。最后,为更好的验证控制策略的有效性,在微定位系统平台上进行测试实验,带有扰动估计器的无模型自适应复合控制器定位控制精度有明显提高。

关键词： 多刚体系统   姿态一致性   自适应控制   通信链路故障   不确定性领导者  

摘要： 近年来,多智能体系统(Multiagent system,MAS)的协同控制在民事、国土安全和军事等领域发挥着重要作用,如电网线路巡查、森林火灾监控、无人艇编队巡逻和无人机编队目标察打等。一致性控制作为协同控制的重要分支,学者们对其进行了深入研究。已有的绝大多数一致性研究基于一般线性模型,但是在实际应用场景中,被控对象多为工业机器人或者航天飞行器等刚体系统,这导致基于一般线性模型的算法在面对现实系统时控制效果达不到所期望的要求,因此研究多刚体系统(Multiple rigid body systems,MRBSs)的一致性具有重大意义。目前,对多刚体系统一致性的研究还不够完善。因此,本文基于图论和一致性控制理论,以自适应控制为核心工具,结合滑模控制和基于观测器控制等方法,分别研究了在通信链路存在故障和领导者存在不确定性情况下多刚体系统的姿态一致性。具体研究内容如下:研究具有通信链路故障的多刚体系统的姿态一致性问题。在网络拓扑遭受通信链路故障而具有动态性的情况下,基于自适应控制策略,本文设计了自适应分布式观测器,实现对领导者状态的准确估计。然后,基于确定性等价原理和非线性系统的伪线性表示,构造了基于分布式观测器的刚体姿态控制器,并证明了当时变有向拓扑含有以领导者为根节点的一簇联合连通有向生成树且控制参数满足取值范围时,多刚体系统能够达到领导者-跟随者姿态一致。研究领导者具有不确定性的多刚体系统的姿态一致性问题。在考虑网络拓扑具有通信链路故障的基础上,针对不确定性领导者,即所有跟随系统无法获知领导者的动力学系统具体参数,基于自适应控制策略,设计了抵消通信链路故障影响与跟踪领导者不确定参数的自适应分布式观测器。然后,基于确定性等价原理和非线性系统的伪线性表示,构造了基于分布式观测器的刚体姿态控制器,并证明了当固定无向拓扑含有以领导者为根节点的一簇有向生成树且控制参数满足取值范围时,多刚体系统能够达到领导者-跟随者姿态一致。

关键词： 高超声速飞行器   自适应控制   块动态面控制   全驱系统  

摘要： 高超声速飞行器相对于传统飞行器的最大优点在于可以以较高飞行速度实现大飞行包线内的快速飞行，由于飞行器环境因素变化剧烈，其气动参数不仅变化大，而且有严重的不确定性问题。高超声速飞行器控制面临着严重的气动参数不确定性、强耦合、强非线性和快时变等问题，本文针对以上这些问题，开展了高超声速飞行器模型参考自适应控制方法的研究。　　首先，根据高超声速飞行器六自由度动力学模型建立了高超声速飞行器的基本非线性控制模型，接着对Winged-Cone模型进行了气动特性分析，通过简化基本非线性模型建立了面向控制的高超声速飞行器姿态系统模型和速度系统模型，为后续的模型参考自适应控制研究打下基础。　　然后，研究了高超声速飞行器姿态系统线性模型参考自适应控制问题。基于气动特性分析的结果，对速度系统设计自适应控制器，并将姿态子系统分为俯仰通道和滚转/偏航通道并分别设计各通道控制器，设计了线性二次型比例积分基线控制器并使用模型参考自适应控制补偿系统含有的不确定性。　　其次，研究了高超声速飞行器姿态系统非线性模型参考自适应控制问题。考虑到系统的块下三角结构及存在的非匹配不确定性，使用块动态面反步法设计模型参考自适应控制器：首先根据虚拟的反步控制律构造出内外环的参考模型，接着设计了一种低通滤波器解决经典反步法中的“参数爆炸”问题，并基于李雅普诺夫理论设计了模型参考自适应控制器和自适应律，最后完成了稳定性证明，保证了高超声速飞行器姿态可以跟踪有界时变的参考输入信号。　　接着研究了高超声速飞行器基于欧拉姿态角全驱模型的模型参考自适应控制问题。首先根据飞行器的六自由度动力学模型和气动特性分析结果，推导建立基于欧拉姿态角的全驱模型。然后通过反馈消除全驱模型中的非线性特性和耦合项，并设计线性二次型比例积分基线控制器和参考模型，最后使用模型参考自适应控制对系统的不确定性进行补偿。　　最后，对各章所设计模型参考自适应控制器进行了六自由度非线性数值仿真，仿真显示所设计控制器可以很好的控制飞行器执行变高度、变速度及侧向机动飞行任务，并可以达到期望的性能要求。

关键词： 大功率LED恒流源   离散时间建模   数字预测电流模式   低频纹波补偿   自适应控制  

摘要： LED(Light Emitting Diode)光源正全方位快速的向大功率照明领域拓展,与之相匹配的长寿命、低纹波、高效率数字化驱动电源技术成为研究热点。AC-DC两级拓扑结构能兼顾多种性能指标的优化设计,是大功率LED驱动电源的主流形式之一。本论文选择Boost PFC和高转换效率不对称半桥(Asymmetrical Half-Bridge,AHB)变换器构成的两级LED恒流源为研究对象。对AHB LED恒流源的离散时间小信号建模方法、自适应数字预测电流模式控制算法和自适应数字低频纹波补偿控制算法等关键技术进行研究。论文内容及创新点如下:*** LED恒流源离散时间小信号建模方法研究。离散时间小信号建模方法已成功应用于Buck、Boost、Flyback等变换器,但对于四阶AHB变换器鲜有研究。本文针对数字控制环路延迟和高频混叠等因素引起模型误差的问题,提出了数字电流模式控制AHB LED恒流源的离散时间小信号建模方法。在充分考虑寄生参数、环路延迟、采样效应和负载效应等因素的基础上,建立了该恒流源的离散小信号模型,并采用一阶泰勒展开式对复指数矩阵进行近似计算。仿真和实验表明,所建立的离散时间小信号模型能够更加准确地描述AHB LED恒流源的谐振峰值、高频动态特性和数字环路延迟特性,非常适合用于高频数字控制器的设计。*** LED恒流源自适应数字预测电流模式控制算法研究。数字预测电流模式控制算法能有效减小周期延迟对变换器数字控制性能的影响,但应用于AHB变换器时存在丢失占空比理论计算公式过于复杂的问题。为此,本文首先基于零电压开关(Zero Voltage Switching,ZVS)谐振电感电流推导了ZVS丢失占空比的简便估算方法;再利用该估算方法形成了基于前沿调制的数字预测峰值电流模式控制(Digital Predictive Peak Current mode Control,DPPCC)算法、基于后沿调制的数字预测准谷值电流模式控制(Digital Predictive Quasi-Valley Current mode Control,DPq VCC)算法和基于双边调制的数字预测准均值电流模式控制(Digital Predictive Quasi-Average Current mode Control,DPq ACC)算法;并通过工程标定实现了算法的自适应能力。仿真和实验表明,所提出的三种预测控制算法均能有效克服数字环路延迟对控制性能的影响,使AHB LED恒流源在整个调光范围内的动静态性能指标都得到了显著提升。*** LED恒流源自适应数字低频纹波补偿控制算法研究。无电解化设计能有效延长Boost-AHB LED恒流源的寿命并提高其可靠性,但同时也存在输出低频二次纹波电流过大的问题。针对该问题,本文提出了基于数字预测电流模式的自适应低频纹波补偿控制算法。首先,在深入分析AHB LED恒流源低频纹波传输特性的基础上,给出了低频二次纹波的最优占空比补偿曲线;然后,以构造该最优补偿曲线为标准,对单闭环控制的AHB LED恒流源,就模拟经典前馈、模拟双前馈和自适应数字前馈等低频纹波补偿控制技术进行了比较研究;最后,在全面分析电流模式低频纹波补偿控制特性的基础上,深入研究了所提出的基于数字预测电流模式的自适应低频纹波补偿控制算法。仿真和试验表明,所提出的自适应数字低频纹波补偿控制算法能根据输入平均电压、输入纹波电压和负载的变化,在整个调光范围内自适应减小流经LED的低频纹波电流,光源闪烁百分比均优于IEEE Std.1789-2015 NOEL标准的要求。

关键词： 自适应控制   事件触发控制   反步法   分布式优化控制   非线性时变系统  

摘要： 非线性时变系统同时含有非线性项和时变参数,具有复杂的非线性时变动态特性,是具有一般意义的动力学系统,广泛存在于航空航天、工业、医学等学科领域。此外,随着计算机和网络技术在控制系统中的广泛应用,如何降低网络控制系统的信号传输频率是当前控制理论研究的一个重要问题。基于此,本文利用自适应控制方法、反步递推技术、事件触发控制以及界估计方法,解决了非线性时变系统的自适应事件触发控制问题。根据李雅普诺夫稳定性理论以及MATLAB仿真实验,证明了所设计的控制算法的可行性。具体研究内容可概括如下:(1)针对一类非线性时变系统,考虑了基于预设性能的自适应事件触发渐近跟踪控制问题。通过引入性能函数,可以确保系统对给定参考信号的跟踪误差在指定性能边界内的收敛性,并利用界估计方法有效处理了系统的时变不确定项。所提出的控制方法不仅保证了规定的跟踪性能,而且减轻了通信负担。此外,通过构造合适的光滑积分函数,使得跟踪误差可以收敛到零。最后,通过一个数值例子验证了结论:闭环系统的所有信号都是有界的,同时能实现零误差跟踪性能。(2)针对一类互联非线性时变系统,提出了一种基于事件触发的分散自适应有限时间跟踪控制方法。将事件触发控制和有限时间控制相结合,设计了事件触发自适应有限时间跟踪控制器。所设计的控制器不仅保证了在有限时间内收敛,而且节省了控制器到执行器之间的通信资源。此外,动态面技术的引入解决了设计过程中对虚拟控制信号的反复求导引起的复杂性爆炸问题。最后,通过利用一个倒立摆系统的仿真实验,并与非有限时间控制器的控制效果进行比较,证明了有限时间跟踪控制方案的有效性,在降低资源消耗的同时也能获得令人满意的性能。(3)针对一类具有未知时变参数的非线性系统,探讨了基于事件的分布式自适应优化问题。该问题的典型设置是每个智能体都被分配一个相应的局部目标函数。控制目标是开发一种分布式优化算法,使智能体的输出与全局最优解达成一致。为了实现这一目标,我们提出了一种三阶段的分布式自适应优化策略。首先,为每个智能体建立相应的辅助系统,在线估计全局最优解。然后,将估计的最优解发送到预滤波器,生成备选估计及其高阶导数。最后,以预滤波器的输出作为参考信号,针对具有未知时变参数的高阶非线性系统设计了反步控制器,使实际系统输出能够渐近收敛到期望输出。通过一个二阶数值系统的仿真实验,验证了所开发的控制算法不仅能够排除芝诺行为,而且可以实现精确的全局一致优化。

ISBN: (纸本)9787111717577

摘要： 本书讨论了道路车辆车载定位系统的重要技术；介绍了基于计算机视觉和激光技术的系统，并介绍融合方法，以提供高级和可靠的感知系统；提出了无线通信改善交通安全性和效率的可能性；回顾了相关的数据源，介绍了支持大数据样式的基础技术，并提供一系列传输和移动性领域中的相关应用程序；详细介绍了当前使用的技术：状况感知、风险评估、决策制定、人机交互、规划、控制及其可能的行为；描述了自动驾驶和网联驾驶中的相关计划。

关键词： 无土栽培   电气控制   环境监测控制   管路设计   PLC   机器视觉  

摘要： 土地资源的日渐紧张与环境气候的变化制约着传统农业种植方式,因而许多学者开始研究无土栽培的方法。无土栽培技术为粮食作物种植者以及消费者带来了福音,这种栽培方式不采用传统的土壤作为种植介质,集约化管理,能够大规模地进行生产,作物生长过程中也无需喷洒农药,保障了食品安全。然而现如今国内外的无土栽培技术研究大多局限于大规模平铺式栽培;多数仍使用基质栽培,而基质不可重复利用,导致此方式成本较高;或是仅为手动开启水泵与阀门进行上水、回水作业,操作繁琐;或实行垂直农业,电力消耗巨大,对电网的造成较大的压力;判别作物生长状态的方式也只能依靠相关人员的经验,不能通过算法自动识别作物的生长情况等的种种弊端等等诸多问题。基于以上,本课题研究并设计了一种无土栽培集装箱式培养架及其智能控制系统。本课题重点研究了无土栽培中较为受欢迎的蔬菜品种,奶油生菜的生物特性,进行分析和评估,主要完成的工作如下:实物搭建了四个无土栽培架,以及其配套的智能控制系统。进行了适合其生长的环境因素分析,分析温湿度、二氧化碳浓度、光照强度对奶油生菜生长的影响,设计了一种能够快速调节环境变量的模糊PID控制器,效果显著好于常规PID控制器;进行了无土栽培架的结构设计,完成了管道的布局,能够使得营养液上回水各行其道,互不干扰,并且能便捷地进行电气自动与手动模式的切换,又通过计算,选择了合适扬程的水泵,并引入太阳能电源这一清洁能源,减少对电网的消耗;设计电路图、接线图,并搭建了相应的电气控制箱,实现了对营养液的顺序上水和回水,合理的通断顺序保障了电器的安全,运用了STM32开发板与传感器技术,可以实现对奶油生菜生长所在的集装箱内的环境因素的采集,将数据通过串口传至上位机,以供实时监测,该数据也作为模糊PID的反馈数据输入,用以调节环境变量;引入基于机器视觉的奶油生菜成熟度采集系统,利用算法自动识别奶油生菜的叶展度和株高的成熟度状态,并依据本算法的特点对奶油生菜的成熟度进行了相关等级的划分,最终的结果表明该算法识别效果良好。

关键词： 电力变压器   油浸风冷   自适应控制   神经网络   硬件冗余  

摘要： 电力变压器作为整套电力系统中的核心设备,在电力电能的连接、传输、分配中起着关键作用。变压器的运行寿命与其内部温度密切相关,因此变压器冷却控制系统的性能表现对其正常运行至关重要。对变压器现有冷却器控制系统进行分析,存在控制策略单一、冷却器能耗和故障率较高、冷却容量过渡不够平滑等问题,难以满足现有智能变电运维体系的要求。针对这些问题,通过调查统计北方某省500k V的变压器冷却系统,选择其中运用最多的油浸风冷型(Oil Natural Air Forced,ONAF)变压器作为本文研究对象,首先设计了变压器冷却器的控制策略,进一步,设计了基于双CPU型PLC的控制系统硬件及软件系统。首先,建立了油浸风冷式变压器散热与温升的计算模型。针对油浸式自然风冷变压器,研究其内部热量的不同散出方式。分别对热传导、对流和辐射三种情况进行了分析与计算,并建立了变压器损耗与散热量的计算模型。进一步,对变压器的绕组、平均和顶层的温升进行了计算,探究了影响变压器温升的相关影响因素,得到了变压器的温升模型,为冷却器控制策略的改进和优化提供了依据。然后,对变压器冷却器控制策略进行了研究。结合变压器的运维经验和相关运维规程,针对现有冷却器控制系统能耗高的问题,设计了根据顶层油温区间来选择不同控制模式的策略;针对现有冷却器控制系统中冷却器投入不均衡的问题,提出了冷却风机智能轮换投切模式;针对现有三位式控制系统对变压器温控系统控制效果不佳的问题,结合模糊控制、PID控制和神经网络的控制方法,设计了具有自适应功能的冷却器控制器,实现了由顶层油温对冷却风机的投入数量进行控制的功能。最后,完成了变压器冷却器控制系统的软、硬件设计。基于上述控制策略,先进行了硬件设备的选型及设计。重点进行了PLC的硬件冗余组态和相关元器件的参数设计,并进行了现场安装布局设计。进一步,完成了控制系统的软件设计,主要包括控制系统主程序、冷却风机模糊控制程序和风机智能投切子程序的设计,具备监控功能的人机交互界面设计,以实现冷却风机模糊控制和智能投切。本文从变压器现场运维中遇到的多类型问题出发设计了主变压器冷却器的智能控制系统。该系统具有智能程度高,控制灵活方便、温度变化平滑等优点,对新投运设备的设计和旧设备的改造均能够提供借鉴。

关键词： 凝固过程   有限时间控制   时滞   干扰   T-S模糊   自适应控制  

摘要： 凝固过程系统存在于航天、食品、化工等工业生产中的众多领域,针对某个物理量如温度、压强等的控制精确程度极大的影响最终成品的质量,比如如果冷却温度较低会使其凝固进程较快,其内部可能产生间隙、气泡等损伤情况,所以对其过程控制技术的研究具有重要的现实意义。凝固过程一般涉及物理反应甚至化学反应,其存在时滞与非线性特性,时滞的存在会使系统的状态变化与控制器的输出之间存在不同步的情况,进而降低系统性能,对于非线性系统一般采用直接分析处理与单点局部线性化的方法,此类方法会使得对该控制系统的研究与控制器的设计较为复杂,而且会失去系统较多的动态特性。另一方面,传统控制器设计方法所得到的较多为渐进稳定的结果,可能产生较多的不确定性,而在实际的生产中,出于对其生产效益与成本,往往需要使得该系统能在有限时间内达到稳定。最后,凝固过程中一般存在外部干扰的影响,所以需要对干扰进行抑制来保证系统的鲁棒性。所以本文针对上述问题,提出了一种基于T-S模糊模型的有限时间自适应控制策略。具体研究内容如下:(1)对于一个具体的凝固过程系统进行机理建模,建立了实际工业冷却成型控制系统的数学模型。依据实际物理条件选取合适的工作点,将所建立的非线性系统在所选取的工作点变成局部线性方程,最后选取梯形形式的模糊隶属度函数,得到该凝固过程系统的T-S模糊模型。(2)对于具有时变时滞的凝固过程非线性系统,为了解决其时滞问题,构造了一个具有记忆项的一阶积分形式Lyapunov Krasovskii函数,加入有限时间自适应控制的思想,设计了T-S模糊有限时间自适应记忆控制器(T-S-FFTAMC),并证明了所设计的控制器可以使闭环系统在有限时间内稳定同时得到了该控制器的求解线性矩阵不等式组。基于工业中常见的化工凝固过程系统设计了仿真实验,验证了本文所提出的控制方法的有效性。(3)对于具有未知变时滞以及干扰同时存在的凝固过程非线性系统,构造了一个具有记忆项的二阶积分形式Lyapunov Krasovskii函数用以解决时滞问题,另一方面,结合H∞鲁棒条件,用以抑制系统中干扰带来的影响,提出了具有H∞约束的模糊有限时间自适应鲁棒控制策略,证明了所设计的控制器可以使闭环系统在全局内有限时间稳定,并进一步结合半实物仿真平台来证明了该方法的有效性。