关键词： 水下航行器舵机   永磁同步电机   模型设计   模糊BP神经网络PID  

摘要： 水下自主航行器的电动舵机是实现俯仰、偏航等姿态变换的重要机构。舵机控制系统的好坏直接影响航行器的总体控制性能。目前水下航行器舵机多选用低损耗、大扭矩的永磁同步电机,但由于永磁同步电机属于高阶非线性系统,控制效果受到电磁、海浪等因素的干扰较大。应用较为广泛的传统PID控制器虽然简单易实现,但面对复杂非线性时变系统时,不具有重新整定参数的能力。因此越来越多的学者将目光转移到智能控制与传统PID控制方法相结合的策略上来。本文利用模糊BP神经网络同传统PID控制技术相结合,对永磁同步电机调速系统进行仿真分析与测试研究,结果表明相较于传统PID控制器和BP神经网络PID控制器,基于模糊BP神经网络PID智能控制策略的电机调速系统有更好的动态响应特性和更强的抗干扰能力,研究结果对进一步研究水下航行器控制系统的控制器设计有一定的参考价值。首先,基于水下航行器舵机的性能要求,在电机结构和数学模型的基础上,针对传统PID控制器难以满足永磁同步电机控制精度的问题,设计了一种模糊BP神经网络和传统PID相结合的智能控制器。论文基于矢量控制系统在Simulink中建立永磁同步电机控制系统模型,对比分析了电流内环使用传统PID控制器时,转速外环分别采用传统PID控制器、BP神经网络PID控制器以及模糊BP神经网络PID控制器三种控制器在脉冲负载以及紧急减速两种工况下的控制特性。结果表明模糊BP神经网络PID控制器有更好的抗干扰能力和动态响应特性。同时通过建立水下航行器偏航通道的控制系统,进一步了验证模糊BP神经网络PID控制器的快速性以及良好的跟随性。其次,为了提高软件系统的开发效率,基于Simulink平台中的嵌入式编码器(Embeddde Corder)工具箱搭建永磁同步电机控制系统的代码模型,从局部到整体,逐步完成了基于DSPF28335的控制算法的软件设计,省去了编写代码的过程,提高了开发效率。并以DSPF28335为控制芯片,搭建硬件控制系统,并设计了相关硬件电路。最后搭建永磁同步电机调速测试系统,对传统PID控制器、BP神经网络PID控制器以及模糊BP神经网络PID控制器进行实验验证。对电机进行了突加负载和加减速两种工况的测试,根据转速实验结果可知,在转速外环使用模糊BP神经网络PID控制器的效果最好,能够快速达到稳态并具有良好的抗干扰性和动态响应特性,对进一步研究水下航行器以及舵机控制有一定的参考价值。

关键词： 碳三加氢   Hammerstein模型   最小协方差约束控制   粒子滤波   模型预测控制  

摘要： 丙烯是现代化工生产中的一种重要的化工原料,碳三加氢工艺是丙烯提纯的一个重要环节,它是通过加氢的方法来脱除丙烯中含有的甲基乙炔(MA)和丙二烯(PD)杂质,丙烯中MAPD含量过高会影响下游产品的质量,所以必须保证出口MAPD浓度在标准以内。目前,大多数碳三加氢装置采用手动操作来配氢,配氢过高,会促进副反应的发生,配氢过低,又会使杂质脱除不完全,从而造成出口MAPD浓度波动较大,还会降低催化剂的选择性,所以选择合适的配氢尤为重要,也是当前生产操作中的一个难题。针对这一现状,本文研究了碳三加氢装置的先进控制方法。碳三加氢过程存在非线性、操作点变化的特点,通过机理分析构建碳三加氢装置的非线性Hammerstein模型。Hammerstein模型的线性动态部分通过能量平衡、物料平衡以及动力学方程进行推导,并在操作点附近线性化辨识得到。非线性稳态部分采用Wave ARX神经网络逼近,并根据多操作点稳态数据用自适应粒子群优化算法(APSO)进行辨识。通过离线数据验证该模型在不同的工况下都具有良好的预测效果。针对碳三加氢装置的控制需求,提出了一种基于Hammerstein模型的鲁棒最小协方差约束控制方法。首先,基于线性动态部分和模型偏差,对输出偏差协方差上限进行约束并最小化,运用线性矩阵不等式计算出次优状态反馈控制律,从而计算出Hammerstein模型的中间变量,再根据APSO算法求得系统的实际输入。仿真结果表明,所提方法具有良好的控制效果。随着碳三加氢装置的老化或运行条件的变化等因素,所建立的Hammerstein模型会存在失配的问题,针对这一问题,提出一种基于Hammerstein模型的粒子滤波模型预测控制方法。首先,根据粒子滤波(PF)来对系统的状态进行估计,然后,将估计值嵌入到Hammerstein模型下的模型预测控制框架中,并采用约束迭代线性二阶调节器(CILQR)进行求解。仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。着力于将理论应用于实践,给出了基于集散控制系统(DCS)的先进控制系统架构及具体实现过程,并在现场完成软硬件的部署,通过工业现场验证,系统可以达到预期的控制效果。

关键词： 干扰观测器   动态线性化   无模型自适应控制   径向基函数神经网络   滑模  

摘要： 无模型自适应控制方法是一种利用系统输出和输入数据直接设计控制器的方法,无需建立系统的数学模型。这种方法在控制系统的实际应用中具有一定的优势,因为在实际工程中,系统的数学模型可能很难获取或者存在不确定性。然而,从实际应用的角度来看,系统往往会受到外部干扰的影响,如噪声、干扰和不确定性等,这些干扰可能会影响无模型自适应控制方法的控制效果。因此,研究干扰对系统的影响可以帮助我们更好地了解无模型自适应控制方法的适用性和局限性,以及如何设计更为鲁棒的控制器以提高系统的控制性能和稳定性。在有干扰的情形下,采用基于干扰观测器控制(Disturbance Observer Based Control,DOBC)的方法是改善系统性能的有效途径。本文研究了一类具有扰动的非线性系统的控制问题,提出了干扰观测器和基于干扰观测器的无模型自适应控制(MFAC-DOBC)方法,由此增强了系统的抗干扰能力和鲁棒性,从而使系统具有更好的控制性能。论文的主要内容如下:(1)针对一类具有测量扰动的离散时间非线性系统,提出了一种基于集中式卡尔曼滤波干扰观测器的无模型自适应控制方法。首先,利用动态线性化方法构造被控系统的线性化数据模型;然后,根据线性化数据模型和传感器的测量数据,设计了最优集中式卡尔曼滤波干扰观测器;最后,利用观测器的输出在线调整伪偏导数,提出了系统的控制更新方案。该方案的设计和分析不依赖于除输入输出数据的任何模型信息,便可避免常规无模型自适应控制方法容易受测量扰动的影响。仿真结果表明,与基于单个传感器卡尔曼滤波干扰观测器的无模型自适应控制方法相比,本文所提出的基于多传感器最优集中式卡尔曼滤波干扰观测器的无模型自适应控制方法具有更好的跟踪性能和更大的数据信噪比。(2)针对受到外部干扰的非线性离散系统,提出了一种基于滑模干扰观测器的无模型自适应控制方法(MFAC-SMDO)。首先,利用动态线性化技术把非线性系统变为线性系统;接着,设计了滑模干扰观测器来估计系统所受干扰,以及以估计值为补偿项,对控制器进行补偿;利用基于控制输入的性能指标函数,提出了基于干扰观测器的控制律。通过数学推导证明了跟踪误差的界限。最后,我们通过数值仿真和蒸汽-水热交换器模型验证了所提出方案的有效性和优越性。(3)针对一类具有非重复扰动的未知非线性非仿射重复离散系统,提出了一种基于径向基函数神经网络干扰观测器的无模型自适应迭代学习控制方案(MFAILC-RBFNNDO)。首先,介绍了沿迭代轴方向的动态线性化方法并且利用该方法将重复非线性系统转换为线性系统,将不确定项和扰动项视为一个总的扰动项;然后设计了一个RBFNNDO对总的扰动项进行估计并应用到控制器的设计中;最后,通过设计性能指标函数,提出了具有沿迭代方向学习能力的控制律。通过严格的理论分析,证明了所提改进迭代学习控制方法的跟踪误差一致且最终有界。

关键词： 航空涡扇发动机   滑模控制   鲁棒H_∞控制   干扰观测器   自适应控制   切换控制  

摘要： 航空发动机控制系统作为发动机的“大脑”,是保证发动机在复杂飞行环境中平稳、安全和可靠工作的关键核心部件之一。为此,本文主要考虑航空发动机在具有外部动态干扰和参数摄动情况下时控制器的设计问题,主要研究内容如下: 首先,采用部件法建立某型航空涡扇发动机数学模型,通过求解航空发动机共同工作方程得到发动机准稳态工作点,并在稳态工作点附近对发动机非线性模型进行线性化,得到航空涡扇发动机线性状态空间模型。 其次,针对航空发动机实际工作过程中,不可避免的会受到外部干扰和参数不确定的影响,为航空涡扇发动机设计了一种干扰观测器,实现了对未知复合扰动的在线估计。基于干扰观测器的输出为航空涡扇发动机设计了一种多变量滑模控制器,并基于Lyapunov稳定性分析和仿真试验验证了所设计的控制器的有效性和可行性。 接着,针对单一线性模型难以精确描述航空发动机的动态工作过程问题,进一步将发动机的动态工作过程视为一个具有多个子系统的切换系统。在此基础上,基于参考模型为航空涡扇发动机设计了一种多变量鲁棒H∞切换控制策略,并基于Lyapunov稳定性分析和仿真试验验证了所设计切换控制器的有效性和可行性。 最后,针对航空涡扇发动机建模过程中,可能存在的传感器故障以致状态不可测的问题,为航空涡扇发动机设计了一种满足指定H∞性能指标的输出反馈滑模切换控制器,给出了切换控制器增益的求解方法,并基于平均驻留时间法和Lyapunov稳定理论证明了闭环系统的稳定性,仿真结果验证了所设计的滑模切换控制器的有效性与可行性。

关键词： 模型预测控制   导纳控制   自适应控制  

摘要： 随着机器人技术的不断发展,机器人的应用越来越广泛,一些危险重复性的工作急需使用机器人来代替人工进行工作。机械臂作为一种类人手臂的机器人,是应用最为广泛的一种机器人。由于火箭固体燃料整形工作中的固体燃料本身具有一定的毒性,并且整形过程中有爆炸危险,危及操作人员安全,所以考虑使用机械臂来代替人工进行操作。使用机械臂进行火箭固体燃料整形工作,主要涉及机械臂的力位控制问题,本文主要围绕这两个问题进行研究。本文的主要研究内容如下:研究了六轴机械臂的运动学和动力学的建模方法,以PUMA560机械臂为例,对机械臂的运动学和动力学进行建模,讨论了非线性系统线性化的方法,并且进行举例说明。研究机械臂的位置控制和力柔顺控制策略。在第二章分析的基础上,选择使用小偏差线性化的方法对机械臂的动力学方程进行线性化,在线性化后的动力学方程的基础上,设计了基于模型预测控制和PD控制的机械臂位置控制器,同时考虑了机械臂与环境的非刚性接触,设计了基于导纳控制器的力局部柔顺控制策略。通过机械臂的位置控制结合力控制策略,实现了笛卡尔空间下机械臂轨迹的准确跟踪,并且在局部可以表现出一定的柔顺性。针对机械臂末端的力控制问题,在本文第三章基础上,第四章研究了另一种解耦的线性化动力学模型,与第三章使用的模型相比更加简单。然后基于模型预测控制方法设计一种位置控制器,通过向机械臂发送速度指令来控制机械臂运动。通过设计一种自适应导纳控制器来控制机械臂的末端接触力,使机械臂末端能够跟踪期望的力。对所提控制策略进行的数值仿真表明,所提出的基于模型预测控制的位置控制器和基于自适应导纳的力控制器,可以在执行固体燃料整形任务中,对机械臂的力位进行有效控制。

关键词： 非平衡身管   PID控制   粒子群优化算法   模型参考自适应   LabWindows/CVI  

摘要： 复杂路面环境下,坦克炮管快速平稳定位受到路面波动干扰,同时由于身管口径、长度的不断增加,其非平衡质量导致非平衡特征不断加剧,增加了身管高性能控制的难度。为此,本文以非平衡身管电液伺服系统为研究对象,拟设计出定位速度快、定位精度高且抗干扰性能好的智能控制策略,满足非平衡身管快速平稳定位的实际需求。论文完成的主要内容包括以下几个方面:首先,分析了非平衡身管电液伺服系统的组成和工作原理,建立了电液伺服系统的数学模型、传递函数方框图及状态空间模型。根据路面不平度等级,通过建立路面波动模型,模拟实战中的复杂路面环境,为复杂路面环境下研究非平衡身管快速平稳定位奠定基础。其次,针对非平衡身管的运动特征,设计比例积分微分控制器作为系统控制核心,进行控制仿真分析,结果表明采用PID控制器的非平衡身管在复杂路面环境下动态性能、稳态性能均劣于预期性能指标,不满足要求。为提升控制器性能,通过粒子群优化算法对PID控制器参数进行优化,仿真结果表明采用PSO-PID控制器的非平衡身管系统的动态性能得到了提高,但稳态性能仍不满足预期性能指标要求。进一步,为优化控制器性能,设计了模型参考自适应控制和PSO-PID控制相结合的复合控制器,实时地改变PSO-PID控制器的参数,以实现最优控制,仿真结果表明,MRAC-PSO-PID控制器参数可进行实时在线调整,有效地提高了非平衡身管伺服系统的稳态性能。为进一步证明控制器的可行性和鲁棒性,通过修改重力矩、粘性阻尼等非平衡身管伺服系统相关参数,进行多组仿真实验,结果表明,在MRAC-PSO-PID控制器的作用下,非平衡身管伺服系统的动态性能和稳态性能良好,满足预期性能指标,具有较好的鲁棒性。最终,搭建了包含STM32、调理电路、伺服放大器、电液伺服阀、传感器等的硬件平台,基于LabWindows/CVI平台设计制作了系统的测试软件,测试软件包含登录、参数调整、测试、数据采集、数据显示及数据保存等功能,在搭建的实验平台上完成了部分实验研究,验证了算法的可行性。

关键词： 条形物料   剪切机   视觉检测   自适应控制   数字孪生  

摘要： 目前部分企业针对柔性条形物料产品的定长剪切,和尺寸测量等工序仍然是靠人工解决。在生产过程中,此类人工操作工序的危险程度高,劳动量大,效率低且质量无法得到充分保证。为解决此类产品的自动化产线技术落后问题,本文基于视觉检测技术设计了一套条形物料剪切控制系统,通过视觉检测物料运动状态和位置来控制设备运行参数。研发了一台条形物料剪切设备,实现了条形物料定长剪切、速度自适应和外径自适应控制功能,提高了条形物料生产线的自动化水平。本文的主要研究内容和创新工作如下:1.建立了基于改进Canny算子的物料参数识别方法。传统Canny算子在提取图像轮廓时,常有目标图像的边缘信息被平滑弱化等问题,导致获取的边缘轮廓缺失和不连续。为此,本文利用Lo G滤波代替传统Canny算子中的高斯滤波,通过结合高斯滤波与拉普拉斯滤波,平滑了图像噪点的同时,又锐化了图像轮廓,使图像保留了更多边缘特征。在此基础上,通过查找轮廓弯曲曲率极值点的密切圆,得到极值点出曲率参数k;另根据轮廓面积特征与轮廓几何特征获得轮廓外径尺寸d。2.研究了基于视觉检测的自适应控制系统。采用视觉检测方法获得的物料弯曲曲率k,结合模糊PID控制方法输出输送速度来对输送皮带进行调速,控制条形物料的弯曲曲率k趋向于期望弯曲曲率6)6)0));根据视觉检测所得的物料外径尺寸d,再以外径偏差?(9(9输出位移调节量S来调节剪切定刀位置,完成剪切断面倾斜度调节;基于视觉检测识别物料输送位置,当物料到达剪切定位点时,以位置控制模式驱动剪切电机完成定长剪切动作。3.开发了条形物料定长剪切设备,通过MCD环境搭建数字孪生虚拟调试仿真,优化设备结构,并验证设备可靠性,最终完成设备的机械结构设计,包括速度自适应导入机构、剪切机构和视觉测量机构,实现对条形物料定长剪切任务。速度自适应导入机构利用恒力矩摩擦轮的恒定牵引力将条形物料导入设备缓冲区,再通过视觉缓冲器来调节输送速度,最终完成导入工作;剪切机构采用电机驱动曲柄滑块动切刀组,实现剪切功能,另采用自动滑台定切刀组,实现切刀间距可变;视觉测量机构采用顶部视觉检测方式,可完成条形物料表面质量、长度测量及位置检测功能,本文利用顶部视觉机构完成条形物料的位置检测,来实现定长检测功能。最终通过工程实验验证显示,物料剪切长度尺寸达到2m要求,长度剪切误差小于5mm;剪切断面质量合格,未出现闭孔和飞边问题,断面倾斜度小于5°。本文所采用的控制方法可适应变速出料和变外径的柔性条形物料生产线,具备较强通用性,有广泛应用前景和市场价值。

关键词： 石油开采   钻井工具   偏心环   控制系统  

摘要： 随着科技的快速发展，人们的物质要求逐渐加大、资源消耗逐渐加快，促使人们对能源的需求和石油的开采意识也随之提升。传统的石油开采设备越来越难完成现今油气资源的开发，而智能钻井设备可以适应复杂油气资源开发，因此智能钻井技术也越来越受石油钻采行业的关注。目前，各式各样的旋转导向钻井工具在市场的占有率稳步增加，但是正在使用的旋转导向钻井工具在智能控制和智能导向方面还存在问题，钻井工具输出的控制方向是固定的。而智能化旋转导向钻井工具可以更灵活、更智能控制钻井工具的导向，完成复杂井眼轨迹的开发以及复杂井眼位置开采，适用范围更广。　　本文对旋转导向智能控制系统进行相关的设计与研究，主要研究内容如下：　　(1)对旋转导向钻井工具偏心环整体架构和控制系统的整体设计。采用GD32作为偏心环智能控制处理器，并以GD32处理器为中心来设计控制系统的硬件电路及相关智能控制算法，包括偏心环驱动电路的设计及偏心环位置检测电路的设计。其中驱动电路包含偏心环驱动电路设计、外偏心环驱动电路设计。检测电路的设计包含偏心环位置检测电路、外偏心环位置检测电路、工具姿态检测电路、内偏心环驱动电流检测电路、外偏心环驱动电流检测电路以及内外偏心环旋转速度检测电路等。　　(2)对偏心环智能控制系统软件的设计。在软件设计方面，使用了模块化设计和层次化设计的思想，介绍了几个重要模块，主要有系统的初始化、系统的主中断服务程序以及任务创建程序等，通信协议使用基于奇偶校验码和自定义规则校验的控制方法。　　(3)对旋转导向钻井工具偏心环智能控制的研究，在MATLAB中创建了基于自适应模糊PID算法和传统常规PID控制算法的偏心环控制系统模型，并将两者进行仿真，研究两种控制方法的响应曲线，通过对比仿得出自适应模糊PID算法的优越性，在控制偏心环旋转时更加智能化且控制精度更高。　　(4)旋转导向钻井工具偏心环样机的研制。根据硬件设计以及机械结构原理，制作实验样机，通过实物进一步验证控制算法的精确度、稳定性以及智能控制效果，并分析线下调试结果。

关键词： 定向凝固   CFD模拟   流场   智能控制  

摘要： 三层电解液精炼法是我国大部分企业主要的纯铝生产方式,具有产量大、能耗高、质量稳定、环境污染大等特点。定向凝固法是国际上的主流方法,具有产量高、能耗低、质量好、环境污染少等特点。根据我国提出的“双碳”目标,国内多家企业着手研究定向凝固装备并急需应用于生产,但是核心技术都被发达国家垄断,缺乏工艺和装备的研究。本文以定向凝固提纯装备内流场为研究对象,利用CFD分析了不同工艺时固-液界面前沿的流速、湍动能分布特点。以提高凝固过程中固-液界面前沿流速为主要目的,设计了搅拌桨孔洞参数和坩埚结构。针对仍然存在的缺陷,提出了新型搅拌桨结构。结合新型装备提纯时流体区域变化的情况,提出了智能化控制固-液界面前沿熔体速度的方法,得到以下结论:装备内流体主要呈切向流动,自由液面中心形成漩涡,搅拌桨下存在柱状低速区域。随着流体域缩小,固-液界面前沿流速增加,搅拌桨下湍动能减小。流速和中心漩涡深度随转速提高而增加,当转速超过一定值时,流速增长率变小。搅拌桨高度处于流场中心时,流体速度分布更均匀。当搅拌桨孔洞数量增加、孔洞位置处于上下循环流的分隔处时,腔室内的液体流出量增加,循环流分布的范围扩大,界面前沿流体速度更快。坩埚壁面越贴合搅拌桨两侧循环流结构,循环流之间的作用就越剧烈,界面前沿流速越快。通过设计搅拌桨孔洞参数、坩埚结构、轴向流桨型都无法减少底部低速区域,故提出下加小搅拌桨的新型装备结构,减少了低速区域范围,提高了界面前沿流速,流场内速度分布也更加均匀。新型定向凝固装备的主要控制参数为搅拌桨转速和高度,结合新型定向凝固装备内变流场结构的模拟和分析,实现了液流速度、溶质分布和中心漩涡深度的控制。

关键词： 机械臂动力学   LPV系统   未知输入估计器   鲁棒控制   网络攻击  

摘要： 近年来,机械臂在国民经济各行业中得到了广泛应用,针对机械臂的运动控制研究受到了广泛关注。值得注意的是,目前文献中借助机械臂运动学方法解决机械臂静态位置、静力、速度等问题的研究工作往往没有兼顾优化暂态控制过程的性能,这一问题在多变量约束情况下造成的影响尤为明显。依靠机械臂动力学建模导向控制设计方法是解决上述问题的一个可行思路。然而,机械臂具有的非线性、高耦合等特点使得其动力学模型比较复杂,通过简化模型复杂度为支撑控制的设计能提供可行性保证。鉴于此,本文针对典型的2-Dof机械臂构造了近似线性辅助系统,并依此设计了状态估计、鲁棒控制、模型预测控制、弹性控制等方法,以期改善暂态控制过程的可靠性和安全性。主要研究内容如下:研究了2-Dof机械臂线性辅助系统的建立。运用欧拉-拉格朗日方法,推导2-Dof机械臂动力学方程。其次通过一定定义得到2-Dof机械臂广义非线性系统模型。最后,采用具有不确定性特征的LPV模型,对机械臂模型进行简化,将机械臂广义非线性系统模型简化为具有凸多面体结构的LPV模型。此外,经过离散化进一步得到线性参数变化离散系统模型。研究了无约束情况下2-Dof机械臂LPV连续系统模型的H鲁棒控制问题。首先利用参数化方法设计鲁棒连续未知输入估计器来估计系统状态,并对所设计的估计器进行鲁棒性与稳定性分析。其次,基于李雅普诺夫稳定性和有界实引理设计H鲁棒控制器,并给出了算法的鲁棒性和稳定性条件。最后,考虑阻止窃听攻击的影响,进行控制系统的隐私保护,设计基于未知输入估计器的弹性鲁棒H控制方法。使用MATLAB进行仿真,验证估计器和控制器算法以及加密算法的有效性。研究了约束情况下2-Dof机械臂LPV离散系统模型的鲁棒MPC控制问题。首先为机械臂LPV离散系统模型进行鲁棒离散未知输入估计器设计,用来估计系统状态。其次通过构造最小优化方法,实现2-Dof机械臂线性离散系统的约束预测控制设计,对所设计的控制器进行鲁棒性与稳定性分析。最后考虑网络攻击会窃取系统数据,对输出信号进行加密设计,保护网络传输数据,并依此构造基于未知输入估计器的弹性鲁棒MPC控制方法。使用MATLAB进行仿真,验证估计器和控制器算法以及加密算法的有效性。