关键词： SCR系统   深度学习   自适应控制   自动控制系统  

摘要： 随着环保意识和生态意识的加强,国家加大了对火力发电厂氮氧化物(NOx)排放的监管力度,提出了超低排放的要求。选择性催化还原(SCR)技术是国内火电机组广泛应用的脱硝技术。当前,部分火电机组的SCR系统控制效果仍然达不到超低排放的要求,主要表现为喷氨量过大、氨逃逸高以及锅炉空预器差压偏大等现象,严重影响了机组的安全稳定运行。为此,本文在分析SCR脱硝喷氨系统运行现状的基础上,研究了基于深度堆叠自编码器的出口NOx浓度预测建模及喷氨过程自适应神经网络控制方法,并开发了脱硝喷氨过程自动控制系统。主要研究工作和创新性成果如下:(1)开展了SCR脱硝系统出口NOx浓度预测建模研究,采用了一种基于敏感变量优选的NOx出口浓度强相关变量选择方法,筛选出了预测模型的最佳输入变量,建立了基于堆叠自编码器的出口NOx浓度预测模型,利用深度学习强大的特征提取能力和非线性拟合能力,提高了模型的预测精度,并采用了一种基于深度学习在线微调的模型自适应更新策略,根据最新的运行数据在线地更新出口NOx浓度预测模型,有效解决了模型性能退化的问题;(2)研究了喷氨过程自适应神经网络控制,把建立的出口NOx浓度预测模型作为被控对象,形成直接模型参考自适应控制,通过学习神经网络的权重以减少被控对象与参考模型的差距,使得被控对象的输出值尽可能地接近设定值,并采用实际数据对控制策略进行了仿真验证;(3)最后完成了脱硝喷氨过程自动控制系统设计,包括系统硬件和软件界面的设计,系统运行统计结果表明,系统提升了喷氨自动投运率,降低了反应器出口NOx浓度与偏差,减少了空预器阻力与系统氨耗率,提升了经济效益,实现了脱硝喷氨过程自动控制系统的设计目标。图48幅,表5个,参考文献71篇

关键词： 车路协同技术   道路信号灯协调系统   调速式车辆通行策略   冲突点  

摘要： 本文基于车路协同技术要求,设计了车路协同的道路信号灯协调系统,以实现道路通行效率优化。首先,根据车路协同技术设计十字交叉口车道模型,并以某典型模型为例,对车辆通过交叉口冲突点进行分析。之后,根据系统需要实现的不同功能及各个模块之间的作用,设计车路协同的道路信号灯协调系统,搭建道路信号灯协调系统硬件架构,并依据硬件架构需求对雷达、数据采集卡、数据采集模块和通信模块等硬件模块进行选型;接着,设计基于车路协同技术的道路交通信号灯的控制方法,采用调速式车辆通行策略分析车辆通过交叉口的冲突,模拟单车单道模型以及单车多道模型分析车辆冲突点,并设计算法计算出车辆通行时的冲突点,通过设计车辆通行策略让车辆安全快速的通过交叉口。最后,对调速式车辆通行策略的冲突点算法进行模型验证。模型验证结果说明,调速式车辆通行策略安全可靠,设计的算法可以使车辆安全、高效通过交叉口。

关键词： 机器人系统   实际跟踪   不确定性   输入输出约束   自适应控制  

摘要： 机器人系统跟踪控制一直是控制理论与应用研究的热点.一方面,该类系统通常具有较强的非线性且不可避免地存在不确定性.另一方面,为了保障系统安全,输入、输出约束等安全性指标不容忽视.因此,该类系统的控制往往较具挑战性,导致该领域内许多具有显著科学意义和实际应用价值的控制问题亟待解决.针对现有控制理论结果的不足,本文针对多类典型不确定机器人系统,提出不确定性补偿机制、输入、输出约束以及避障等安全性能保障机制,发展跟踪控制设计与性能分析的新框架,解决系统的安全实际跟踪控制问题.具体研究内容如下:首先,研究一类不确定水面舰艇系统的实际跟踪控制问题.与现有文献对系统不确定性和参考信号的严格限制不同,本文允许系统参数全部未知,扰动不必可导且上界不必已知,参考信号仅需一阶连续可微且其时间导数不必用于反馈.为此,将自适应技术融入反推控制设计框架,通过巧妙地选取自适应律和虚拟控制克服系统不确定性并降低文献对参考信号的严格限制,建立新颖的实际跟踪控制方案.所设计的控制器保证期望的实际控制性能,即跟踪误差到达并保持在原点的任意给定邻域内.其次,研究一类具有避障行为的不确定机器人系统实际跟踪控制问题.与现有文献相比,本文在系统含有严重不确定性的同时,动态障碍物的可用信息更少,例如其速度不必用于反馈.为此,本文利用自适应动态增益处理严重的系统不确定性,通过设计适当的障碍函数并融入反推设计框架来实现避障,给出保证系统避障的跟踪控制器显式形式,确保闭环系统实际跟踪性能.再次,研究一类带有输出约束的电机驱动不确定机器人系统的实际跟踪与容错控制问题.与现有文献相比,本文在系统含有严重不确定性的同时,输出约束函数的可用信息更少,例如其各阶导数不必用于反馈.为此,本文巧妙地设计自适应动态补偿律来克服系统严重不确定性及执行器故障,通过选取合适的障碍李雅普诺夫函数来保证输出约束,进而给出满足输出约束的跟踪控制器显式形式,确保闭环系统实际跟踪性能.最后,研究代表多类机器人系统的一般不确定非线性系统的切换跟踪控制问题.所研究的系统具有本质的非线性和严重的不确定性,且同时考虑死区输入和更一般的输出约束条件,导致现有文献的方法无效.为此,通过设计逻辑切换机制在线调节控制器参数来实现对系统不确定性、死区输入和输出约束的补偿,给出切换控制器的显式形式,确保闭环系统实际跟踪性能.

关键词： 青贮收获机   铡切抛送装置   Fluent-EDEM   自适应控制系统  

摘要： 玉米是我国主要粮食作物之一,其种植面积逐年扩大。目前大部分秸秆被堆积、焚烧或直接还田处理,造成大气环境污染以及生产资源浪费等问题。青贮玉米作为一种优质的绿色饲料,预计2030年,我国青贮玉米种植面积有望达到一亿亩。“十四五”循环经济发展规划指出,到2025年农作物秸秆综合利用率保持在86%以上,秸秆养畜是推动种养有机结合、发展农业循环经济的重要环节。因此,急需高效稳定的青贮收获机械解决秸秆回收问题。通过对4YZPSJ-3C自走式穗茎兼收玉米收获机的工作过程进行分析,针对青贮收获机易出现的青贮质量差、抛送距离短、智能化不足的问题,本课题通过理论分析与仿真模拟相结合对铡切和抛送装置进行结构参数和运行参数的优化,并基于STM32控制器开发了喂入量与抛送装置转速自适应控制系统。本文主要包括以下研究内容:铡切装置优化设计。根据铡切装置设计要求,确定切碎滚筒部件结构方案,分析刃部曲线、推挤角与摩擦角、滑切角、安装前角等参数,计算运行参数和装配尺寸,使用LS-DNAY模块对铡切过程进行正交仿真试验分析,确定最优参数并验证。抛送装置优化设计。分析抛送装置结构特点,使用FLUENT仿真模拟其内部流体运动规律,并建立碎秸秆及碎叶片离散元模型,使用CFD-DEM气固两相流仿真方法模拟抛送装置工作过程,分析抛料管截面形状、抛料管出入口面积比、抛送叶轮转速、叶片数量和喂入量对抛送效果的影响,得出拟合回归方程,优化抛料管结构、风机结构和运行参数,对优化后结构进行验证。自适应控制系统设计。基于STM32控制器对抛送装置的自适应控制系统进行开发,确定实验模型及系统设计方案,开发可视化界面,实现铡切和抛送装置关键参数在上位机实时显示、数据异常报警功能,建立了抛送装置驱动系统数学模型并计算了液压马达传递函数,在此基础上设计了模糊PID作业速度控制器,并验证了自适应控制系统可行性。

关键词： 并网逆变器   弱电网   阻抗重塑   锁相环   稳定性  

摘要： 在“碳达峰”、“碳中和”国家战略目标驱动下,新能源发电系统渗透率及装机容量逐年提高,电网呈现高比例可再生能源、高比例电力电子化设备的“双高”特征。由于分布式发电系统通常位于与负荷呈现逆向分布的偏远地区,长距离输电线等原因使得电网呈现低短路比的弱电网特性。弱电网下,并网逆变器与锁相环间的耦合效应加剧了系统振荡失稳风险,严重威胁着并网系统的稳定性。为此,本文以单相LCL型并网逆变器为研究对象,从改进锁相环及电流环两个角度研究弱电网下能够适应电网阻抗宽范围变化的并网逆变器鲁棒控制策略。首先,为了明晰锁相环对并网逆变器阻抗特性及稳定性的影响,通过引入扰动变量推导延时锁相环小信号模型,结合并网逆变器控制方式得到了计及锁相环影响的逆变器阻抗模型。基于阻抗稳定理论分析了采用传统延时锁相环时逆变器在弱电网下的鲁棒性。其次,针对弱电网下传统延时锁相环削弱逆变器稳定性的问题,在改进锁相环方面提出了两种鲁棒改进锁相环结构,分别为固定频率结构二阶-二阶广义积分锁相环和基于复系数滤波器的改进一阶全通滤波器锁相环。对于两种锁相环,提出了一种兼顾锁相环运行特性及逆变器稳定裕度的参数优化设计方法,对比了改进前后锁相环对逆变器输出阻抗特性的影响。分析表明所提两种锁相环结构在弱电网下均能够保证逆变器的鲁棒运行,同时所提锁相环结构能够降低锁相环附加项对逆变器稳定性产生的不利影响,大幅提高了逆变器对弱电网的适应性。通过仿真及实验验证了基于所提两种改进锁相环的并网逆变器鲁棒控制方法的有效性。最后,为了进一步拓宽弱电网下并网逆变器的稳定域,在改进电流环方面提出了一种基于补偿环节的阻抗重塑方法,给出了超前补偿器参数优化设计方法,提出了基于阻抗在线测量技术的参数自适应调整策略。所提基于改进锁相环及补偿环节的组合鲁棒控制策略进一步提高了并网逆变器对电网阻抗的适应范围,同时扩大了并网系统稳定范围。通过仿真及实验进一步验证了所提并网逆变器组合鲁棒控制策略的有效性。本文图56幅,表3个,参考文献105篇。

关键词： 碳酸二甲酯   动态模拟   软测量   动态矩阵控制  

摘要： 碳酸二甲酯(DMC)是一种常见的化工原料和化工中间体,本文以某化工企业10万吨/年酯交换法生产碳酸二甲酯装置为对象,进行了如下的研究。对酯交换法生产碳酸二甲酯装置进行数学建模,对其单元模块的物料平衡、能量平衡、气液相平衡等进行建模。建立了基于稳态流程的动态模拟结构,采用序贯模块法对搭建的结构进行求解计算,对照PFD与P&ID图纸对流程参数进行参数调试。以现场实际情况对全流程绘制组态图,开发事故处理、连锁控制、系统评分等可以指导开停车工作的功能,最终形成一套可以实现培训功能的模拟系统。在碳酸二甲酯装置的全流程动态模拟的基础上,对其重要设备进行了软测量的建模研究。测量建模应用支持向量机(SVM)的分析回归方法,以动态模拟数据为分析依据,对反应精馏塔的进料流量波动进行了预测分析,吻合度达到了99%以上,对反应精馏塔塔釜采出的组成进行预测分析,吻合度达到了98%以上;对反应精馏塔塔顶DMC的组成进行了软测量的预测分析,吻合度达到96%以上。通过对反应精馏塔的软测量建模,较好地实现了对精馏塔的各项指标的预测分析。针对碳酸二甲酯装置中的流量波动和控制响应激烈等问题对装置的部分流程进行了先进控制(APC)的研究。以动态矩阵控制(DMC)为设计框架,针对流程特性进行模型辨识、反馈校正、滚动优化三个步骤。通过动态矩阵控制削弱了由于液位带来的波动,使流程的稳定性有大幅提升。

关键词： 预付费系统   智能控制   负荷预测   Redis   多元信息交互  

摘要： 现有的预付费系统虽然在功能上满足了大部分居民用户的用电需求,但其在工业用户中的应用率却极低,原因是系统的开发着力于单一的缴费功能,缺乏与用户之间的信息交互,以及缺少完善的电费预警功能。针对现有预付费智能管控系统更加注重计量统计与网上缴费功能的优化,少有着重系统服务质量提升,缺少与用户间的信息交互等问题。本文将时下最常用的信息沟通方式集成进预付费智能管控系统,通过短信、微信公众号、语音电话、邮箱等交流方式,实现系统信息通知方式多元化。针对电力系统可能会面临的许多高并发场景,而现有的预付费系统对大数据量时的数据处理功能优化甚少的问题,本系的统研发集成了Redis数据库与SQL Server数据库,采用数据内存化方式实现高效精准的数据处理能力。与传统的预付费系统相比,本系统在优化缴费功能的基础之上,着重对电量预警功能进行改进,采用CNN GRU短期负荷预测模型,对用户未来几天的电量进行预估,判断用户剩余电量的使用时间,实现准确的电量预警功能,为电力营销决策提供便利。研究表明:本文所开发的智能管控系统具有用电统计、在线缴费、远程控制、电量预警及人员管理等功能。该系统使用了Redis数据处理方式,较传统系统的数据处理方式而言,在数据量10KB,样本量10000的并发情况下系统的90%响应时间提升60.9%。此外,该系统可准确预测用户的短期用电量需求,以提前告知用户电量信息。系统部署后,所部署配电台区的电费回收率提升了42.86%。上述结果也验证了文章所提系统模型的正确性,为供电企业管理工业用户电费拖欠问题提供了良好的解决方案,具有一定的创新性,也可为同类工作提供技术、理论支撑。

关键词： 切换系统   鲁棒控制   无扰切换控制   多Lyapunov函数方法  

摘要： 目前,切换系统已成为自动控制研究领域最热门的研究系统类型之一。作为一类典型的混杂系统,切换系统具有重要的理论研究价值和广泛的工程应用背景。现有切换系统研究成果主要针对其稳态性能,很少考虑其暂态性能,特别是切换暂态性能。作为切换系统一种特有的暂态性能,切换时刻大的信号跳变可能会导致系统性能降级,因此,使用无扰切换控制抑制大的信号跳变是一种有效方法。与此同时,控制系统在实际工作过程中难免受到干扰影响,干扰的存在不仅影响系统稳态性能,也影响系统暂态性能。对于受扰系统而言,暂态性能与鲁棒性可能互相影响。但现有关于切换时刻暂态性能的研究主要针对非受扰系统,因此,针对受扰系统研究其鲁棒无扰切换控制问题十分必要。本文利用多Lyapunov函数方法研究切换系统的鲁棒无扰切换控制问题,并通过Matlab仿真验证了所提控制理论的可行性与有效性。主要研究内容如下:(1)切换系统的鲁棒保成本速率无扰切换控制问题。通过同时设计切换律和切换控制器给出切换系统同时满足鲁棒保成本性能和速率无扰切换性能的判据,克服两种性能需求间可能产生的冲突,实现切换系统的鲁棒保成本性能和速率无扰切换性能兼顾。与已有输入无扰切换控制策略不同,本章更关注切换时刻的速率无扰切换。此外,本章控制方法可以实现子系统不具备鲁棒保成本性能和速率无扰切换性能情形下切换系统满足这两种性能。(2)切换系统的区间观测输入无扰切换控制问题。通过同时设计区间观测器、基于区间观测器的切换控制器和切换律,给出切换系统区间观测输入无扰切换控制问题可解的充分条件。与已有输入无扰切换控制策略相比,本章在系统状态不可测的情况下,通过设计区间观测器对系统状态分别从上界和下界进行观测估计,并基于观测值设计切换律和切换控制器,实现输入无扰切换性能。(3)切换系统的事件触发输入无扰切换控制问题。通过同时设计事件触发机制、事件驱动切换控制器和切换律,实现切换时刻与触发时刻的输入无扰切换控制性能,避免可能由事件触发引起的Zeno现象,实现切换系统镇定。并采用动态事件触发机制,更大程度上节约通信传输资源。其次,设计基于状态采样的切换律,即保证了子系统的驻留时间又避免了可能由切换引起的Zeno现象。与已有输入无扰切换控制策略不同,本章提出的无扰切换控制方法只在切换时刻与触发时刻对输入信号进行约束限制,减少了对系统输入的限制时间长度。

关键词： 压电定位   迟滞   自适应控制   预设性能控制   滑模控制  

摘要： 基于智能材料的驱动器以快速响应、定位精密等优良特性受到很多研究者的青睐。由于压电陶瓷的逆压电效应,可以获得高精度的微小位移,因此本文利用这一特性设计了基于压电陶瓷的精密定位装备,可用于高端机床、医疗服务和航空航天等领域。然而压电陶瓷也存在许多的非线性特性,例如迟滞非线性、蠕变非线性,本文研究了具有非线性回滞压电陶瓷驱动定位系统的建模与控制。对于压电定位系统的建模,本文提出了一种离散Hammerstein结构模型,将压电定位系统的静态特性和动态特性串联在一起,利用离散PI(Prandtl-Ishlinskii,PI)模型来描述静态的迟滞非线性现象,利用离散二阶传递函数表示动态特性,将PI模型的输出作为动态传递函数的输入来建立整个压电定位系统的模型。由于离散系统便于复杂控制方法的实现,同时不降低计算速度,且离散系统的传输信号具有更高精度,因此可获得更好的控制效果。相比于传统的Hammerstein结构,PI模型的权重系数利用非线性最小二乘法来辨识,线性部分由最小二乘法辨识得到,这有利于将复杂的系统模块化,在满足拟合精度的同时简化计算过程。由于压电定位系统的精度一般要求微纳米级,因此当系统的外部存在振动时导致系统模型的参数发生改变对依赖于模型的控制方法来说是致命的。本文提出了前馈补偿与自适应反馈结合的鲁棒跟踪控制方法来解决这一问题,设计了非线性回滞特性的前馈伪逆补偿器,并针对逆补偿误差和动态特性采用自适应反馈控制。这里,依据模型变化特点实时自适应在线估计模型的系数,即模型的参数是在线调整的,再利用反馈控制来实现对参考位移的跟踪,其优势在于控制器可以实时的适应于模型参数的改变,使系统保持在最优状态,并从理论上证明了提出控制系统的稳定性。结果表明,提出的自适应控制效果优于PID控制。另一方面,针对具有一定约束需求的精密定位系统,本文提出了一种具有前馈补偿的预定性能滑模控制方法,其优势在于可以预先设定好控制器的性能,通过合理设计控制器满足预先设定的性能指标。具体来说就是将预设性能控制的思想引入到离散时间滑模控制中,利用新的预设性能函数和动态收敛函数描述出误差的收敛区域,随后把转换误差当作原始误差来设计离散时间滑模控制器,控制的目标是将原来的误差收敛到预设的收敛区域内,同时从理论上证明了误差一旦进入预设的收敛区域,便会一直保持在该区域内,并求取了滑模控制的准滑模带,最后实验对比了常规的滑模控制,预设性能滑模控制收敛速度更快,误差精度更高,且有效改进了滑模控制抖振现象。

关键词： 超声速飞行器   卡尔曼滤波   强跟踪滤波   贝叶斯判别   自抗扰控制  

摘要： 飞行器气动参数的分布情况会由于临近空间的复杂气动环境及外壳产生的烧蚀发生一定程度的改变，为使控制器能够在广阔的飞行空域与较长的飞行工作时间中有效地进行飞行器的控制，需要拥有更为精确的气动参数辨识、更为准确的飞行模型、更为有效的飞行器控制方式。本文以高超声速飞行器为控制对象，在气动力系数在线辨识估计的基础上，由贝叶斯判别器对当前所采用的控制方法进行实时的判定，以提升飞行器控制效果及整体系统的品质。其中，控制方法包括传统PID控制与自抗扰控制。　　首先，本文对飞行器运动的数学模型进行了建立。文中详细对本文所需坐标系的建立与转换进行了介绍，并对被控飞行器进行了解耦线性化与数学上的建模;讨论了线性化后的系统是否可观，为后续章节中飞行参数辨识与控制系统设计奠定了基础。　　为减小外部干扰、模型摄动等问题带来的影响，本文搭建设计了一款高超声速飞行器控制系统，包括三通道的PID控制器与偏航通道的自抗扰控制器，使控制系统能够减小复杂环境下干扰噪声与模型状态估计带来的误差。自抗扰控制器分别从微分器的函数设计，自抗扰控制律的推导设计与状态观测器的设计优化三个方面进行了介绍。在指令微分器中采用了神经网络中常用的Sigmoid函数;自抗扰控制律中推导了指定飞行参数可观测性，设计了舵偏角控制指令的推导公式;在状态观测器中对线性、非线性与扩张状态观测器进行了对比。最终得到的自抗扰控制器鲁棒性较好，能够实现对飞行器指定控制量的控制，提高了飞行器的控制效果。　　在自抗扰控制器中，为了对状态观测器中的状态量进行观测，引入了实时的气动参数以便进行计算，需要通过精确的辨识来为控制系统提供准确的控制对象。为对产生了较大的变化的飞行器实时气动参数进行在线辨识，文中对基于Kalman滤波的多种气动参数辨识方法进行了详细的介绍，包括分别基于连续系统的滤波与非线性状态观测器的增广卡尔曼滤波，强跟踪滤波器。仿真结果表明强跟踪滤波器相较于增广卡尔曼滤波有更好的鲁棒性和更好的对状态突变与参数突变的跟踪效果，能够达到预期的气动参数辨识效果，对时变参数变化趋势的跟踪效果较为良好，同时还能够对状态估计和参数辨识的精度在一定程度上进行提高。　　自抗扰控制器更加依赖于对其参数的整定与优化，对经验过于依赖。在实际系统中，当特定参数产生模型摄动或误差时，最终控制效果可能产生较大的突变。为提高控制系统性能，避免全程自抗扰控制时容易面对的问题，本文利用了贝叶斯判别器进行飞行器控制方法的实时判断。文中对贝叶斯判别器的原理进行了详细的介绍，进行了高超声速飞行器偏航通道贝叶斯控制策略判别器的设计与改进。最终实现了贝叶斯判别器对于飞行器PID控制与自抗扰控制方法的实时选择，平衡了两种控制方法的优缺点，以舍弃了少量控制精度为代价保证了整体数据的稳定性，在不同阶段减小了数据的突变，实现了更好的控制效果。