关键词： 柱塞气举   智能控制   柱塞到达传感器   STM32  

摘要： 在天然气井生产后期,由于地层能量不足,产出的气体难以将井底的液体携带排出。井底积液严重将导致天然气产量减少。近年来,国家大力推进数字油田建设,使得物联网技术在油气田中应用广泛。将油气井的生产设备接入互联网可以加强开采过程的自动化程度,提升管理效率。柱塞气举作为一种常用的技术,这种技术的应用有利于生产后期天然气井排出积液、提高产量。但是柱塞气举设备通常情况下只能按照设定好的工作周期运行,不能随着天然气井情况的变化来自动调整工作周期。并且柱塞作为一种机械设备,不能实时获取井下的实际情况。为了实现柱塞工作周期的智能调整,本设计在柱塞气举控制器中添加了两种优化控制方法:时间优化和套压拐点优化。同时,在柱塞内部加装传感器,用以准确地获取井下情况。智能柱塞系统包含了地面和井下两个子系统。井下数据采集子系统以STM32L051为核心,使用温度传感器PT100和压力传感器CY310采集数据,在到达井口后通过RFID模块发送给地面的柱塞控制子系统。地面的柱塞气举控制子系统使用STM32F407为核心,通过MODBUS采集油压套压数据,使用RFID模块获取井下数据采集系统的数据,采用中断方式检测柱塞到达传感器的信号,并通过4G DTU将这些数据传输到云端,使用LCD显示屏和4个按键进行显示和操作。柱塞到达传感器使用STM32F103作为处理器,通过磁场传感器RM3100检测油管附近磁场。在柱塞到达传感器启动后采集一百次的磁场强度,并计算平均值,将平均值的1.2倍作为阈值来判断柱塞是否到达井口。云端的上位机不仅可以通过网络获取柱塞气举控制器的控制参数与采集到的数据,并且能够将设置的控制参数实时发送到现场并使其生效,还能够对柱塞的工作状况进行智能诊断。经过现场实验,地面柱塞气举控制器能够在现场稳定运行。时间优化和套压拐点优化能够通过自动调整柱塞的工作周期来稳定天然气产量,减少井底积液,降低天然气产量下降的速度。

关键词： 机械臂   非标定系统   视觉伺服   自适应控制   执行器故障  

摘要： 随着工业自动化的推行，机械臂的应用领域在不断扩大，而这些新兴领域对机械臂控制系统的需求也变得更复杂多样。综合了传感技术、图像处理技术和运动控制技术的视觉伺服系统大幅度提升了机械臂操作的智能化、自主化程度，成为当下的研究热点。视觉伺服控制设计是视觉伺服技术的重中之重，而标定问题则是视觉伺服控制设计中的核心问题。对于传统的视觉伺服控制方案，参数标定的精度和伺服精度直接相关，然而传统的标定方法不仅精度难以保证，而且过程复杂、成本昂贵。为解决这一问题，无标定的视觉伺服控制方案被提出，简化了系统的标定过程，同时还提高了系统的适应性。然而，大多现有的无标定视觉控制方案只针对相机的标定问题，而忽略了非标定环境中的其他不确定性因素。　　因此，本文针对非标定环境下机械臂的视觉伺服问题展开研究，主要考虑了相机、机械臂运动学、动力学、末端执行器中的不确定性和未知执行器故障对系统性能的影响，提出了一套从镇定控制到跟踪控制的完整视觉运动控制方案，并探讨了基于该方案的容错控制问题。本文的主要研究内容和贡献如下：　　（1）研究具有运动学、动力学不确定性的机械臂的无标定视觉镇定控制问题并提出了解决方案。首先，构造与深度无关的复合雅可比矩阵和深度雅可比矩阵，将相机参数和机械臂物理参数同时参数化为统一的线性形式，避免相同参数的重复估计。其次，引入参数投影算法约束自适应参数的更新方向以建立系统的全局稳定性，并通过理论分析严格证明了系统的渐近收敛。　　（2）针对具有运动学、动力学不确定性的机械臂的无标定视觉轨迹跟踪问题，提出了一种基于自适应滑膜控制器的解决方案，进一步考虑了末端执行器的不确定性。所提自适应算法不需要任何强假设和限制条件，保证了估计雅可比矩阵的可逆性，从而提高了系统对未知参数的鲁棒性。通过严格的稳定性分析成功建立了系统的全局稳定性，并证明了图像跟踪误差能够随时间收敛到零。　　（3）研究具有未知执行器故障约束的无标定视觉跟踪控制问题，并提出了一种自愈合的自适应视觉跟踪控制方案。首先，基于动态解耦技术将未知故障参数与不确定的动力学模型解耦，实现视觉伺服控制设计与容错控制设计的分离，简化了冗余系统的控制器设计。紧接着，基于自适应算法设计故障补偿器，提高了系统对于未知执行器故障的愈合能力。此外，在系统发生有限次执行器故障后，通过分段李雅普诺夫理论成功地建立了系统的全局稳定性和渐近收敛性。

关键词： 果蔬农产品干燥   网带式干燥机   智能控制系统   PLC   模糊PID  

摘要： 我国果蔬生产加工规模位居世界首位,果蔬产后干燥处理是一个关键环节。相较于日本、美国等发达国家的农产品干燥机械化水平达到95%以上,而我国农产品干燥机械化不足30%,发展明显滞后。果蔬农产品干燥大多选用网带式干燥机,其干燥时间短、操作简单、易于智能化控制等优点。为了实现网带式干燥机的一机多用、稳定、节能、优质的农产品干燥目标,本文以5GDC-IV80型网带式果蔬干燥机为研究对象,基于三菱PLC开发一套网带式果蔬干燥机智能控制系统,解决目前网带式果蔬干燥机控制系统存在的干燥品种单一、能耗高、智能化程度低等问题。本文主要研究工作及结论如下:(1)通过农产品干燥特性理论研究,农产品干燥时间段可以分为预热、等速、降速三个过程,在网带式干燥机内部各区域合理分配热风温度,能够快速去除农产品中的水分和降低能耗。在农产品干燥理论研究的基础上,以辣椒为例做干燥试验,找出了兼顾干燥品质和干燥速率情况下的最佳干燥温度,这为干燥机温度控制提供数据依据,同时减少干燥过程耗能以及提高干燥效率。(2)根据5GDC-IV80型网带式果蔬干燥机型建立了三维模型结构,并分析了其干燥工艺流程,确定所要控制的运动部件量数;针对控制系统所需硬件要求,设计温度模块硬件电路、湿度模块硬件电路、风速模块采集电路以及模拟量输出模块控制电路,为设备电路接线和软件程序设计提供思路;针对控制系统软件设计包括PLC程序设计和触摸屏界面设计,PLC程序设计包括温度采集程序、湿度采集程序、风速采集程序、热泵热风温度模糊PID控制程序、手动/自动控制模式程序。(3)网带式果蔬干燥机控制系统智能化的实现主要包括三个方面:一是利用模糊PID控制方法对热泵热风温度精确和快速的控制;二是利用温度传感器、湿度传感器、风速传感器和光电开关检测和设定干燥过程参数值,达到自动开启或关闭运动部件;三是通过触摸屏操作界面实时显示干燥机运行状态,实现手动/自动模式控制干燥机。(4)设计电气控制柜测试控制系统程序,测试结果表明各电气元器件和各运动部件运行正常;监控界面数据采集正常以及各按键功能能正常控制运动部件;塔建的模糊PID控制算法模型具有较高的控制精度、响应速度快、稳定性好等特点,相较于常规PID的超调量减少30%,稳态调整时间缩短28.6%。设计的控制系统提高了5GDCIV80型网带式果蔬干燥机的智能化程度,实现了一机多用,节能减排的控制要求。

关键词： 智能汽车   不确定环境   运动规划   轨迹跟踪控制   鲁棒控制  

摘要： 汽车智能化是国家构建现代化智能交通体系的关键内容与必由之路。近年来,智能汽车相关技术得到了快速发展,辅助驾驶在量产车型上已得到广泛应用,高等级自动驾驶也在特定场景下实现了示范性运营。但现有的方法,大多针对确定性车辆运行环境,很少考虑不确定复杂环境的影响,导致运动规划策略与控制方法的适应性不佳。为此,本文针对上述问题,以提升智能汽车的行驶安全和控制稳定为目标,对不确定复杂工况下的运动规划与鲁棒控制方法开展了系统研究。具体研究内容为:(1)针对前车驾驶行为变化引起的跟车性能下降问题,提出考虑前车运动不确定性的跟车速度规划方法。基于高斯过程设计运动状态预测器,结合历史交通数据对前车纵向运动进行短期预测,为车辆的纵向决策提供可靠的数据支撑。考虑加速度预测误差引起的模型失配问题,引入概率约束和附加反馈补偿,基于混合控制逻辑设计基于随机模型预测控制的纵向速度规划模型,以提升速度规划器对随机扰动的鲁棒性。(2)针对场景变化的适应性规划需求,提出基于碰撞任务分割的主动避撞运动规划方法。引入坐标转换对驾驶场景进行重构,提出基于Frenet-Serret坐标的通用化场能风险评估方法。结合跟车速度规划与运动预测,设计基于碰撞任务分割的运动规划逻辑,上层采用梯度下降法生成行车路径,下层建立考虑稳定、安全、效率的速度规划模型,对换道、跟车等驾驶行为进行速度分配。通过避撞任务的分割,以克服梯度下降法陷入局部最优和求解奇异的问题,保证生成路径的平滑、合理。(3)针对模型简化带来的模型误差问题,提出自适应鲁棒轨迹跟踪控制方法。以模型误差分析为迁移,通过模糊归纳和等效的方式建立考虑模型误差的不确定性跟踪动力学模型。引入H∞性能指标和多模型自适应理论,分别处理有界的几何位姿扰动与动力学参数摄动,推导多模型自适应minmax优化问题的成立条件,提出基于自适应鲁棒模型预测控制的路径跟踪控制方法,以实现轨迹跟踪在鲁棒性与控制性能上的兼顾。(4)针对数据传输时滞与转向输出滞后问题,提出考虑数据传输时滞的鲁棒轨迹跟踪控制方法。结合转向输出传递特性,建立增广无滞后动力学模型,采用积分不等式法设计时滞稳定性判据,以保证闭环控制系统在时滞环境下的严格镇定。根据异源反馈增益的性能差异,设计基于稳定性判别的增益调度机制,并在轮胎力分配中引入基于工况判别的约束切换机制,通过反馈增益与广义约束的自调整,以提升鲁棒轨迹跟踪控制方法的工况适应性。(5)针对转向执行器非失效故障问题,提出鲁棒非脆弱轨迹跟踪控制方法。基于考虑转向执行器非失效故障耦合动力学模型,结合Lyapunov-Krasovskii泛函,采用不等式放大定理与H∞性能指标分别抑制乘性故障、加性故障带来的不利影响,推导鲁棒非脆弱时滞保性能控制增益的存在条件。为充分考虑轮胎力的纵横向耦合制约,引入驱制动限制、轮胎附着约束,建立以轮胎利用率最小的轮胎力协调分配机制,结合上层鲁棒控制策略,以保障车辆闭环系统在时滞、故障环境下的控制稳定。

关键词： 电网模拟器   输出电压   Lyapunov自适应控制   重复控制   稳定性分析  

摘要： 近年来,随着新能源分布式发电系统的大规模并网,电网对并网设备的故障穿越性能提出了更高的性能要求。由于电网运行状态存在不可控性,无法用来测试并网设备的并网适应性,因此需要研究电网模拟器来复现电网各种工况。本文对如何提高电网模拟器高次谐波跟踪性能进行了深入研究,主要研究工作如下: 1、分析电网模拟器的研究背景和技术现状,介绍常见电能质量问题及电网模拟器的功能需求,对电网模拟器逆变侧进行建模和设计,提出了三单元H桥级联电网模拟器逆变侧拓扑结构,通过串联桥臂模块以提高电压等级和减小谐波污染。 2、设计重复控制的内环控制器,针对电网模拟器设备老化导致参数偏移的问题,提出了Lyapunov自适应控制策略,相比传统双闭环比例积分(PI)控制具有更大的控制带宽、更强的抗扰动性和更广的稳定裕度。本文通过分别推导连续域和离散域的全局传递函数进行参数设计、性能分析和稳定性分析,受限于数字处理器采样、计算延时的影响,Lyapunov自适应控制的控制性能发生下降。从仿真波形观察比较得出,相比于传统双闭环PI控制,Lyapunov自适应控制具有更好的稳态跟踪性能和动态响应性能。 3、将Lyapunov自适应控制系统作为被控对象设计重复控制器,提出了重复自适应控制器,可以提高系统稳态跟踪精度以实现最高19次的高次谐波无静差跟踪。由于传统重复控制内模在模拟频率偏移故障时,系统频率偏离谐振频率会导致稳态跟踪精度降低,本文从扩大高增益控制带宽的角度提出了一种分层重复自适应控制器,可以提升系统频率在48～52Hz范围内波动的高次谐波跟踪性能。通过推导离散域全局传递函数给出了重复控制器和分层重复控制器的参数设计、性能分析和稳定性分析,通过仿真研究比较重复自适应控制系统和分层重复自适应控制系统的控制性能,验证了两种控制方案的可行性。 4、在以上研究的基础上,通过软件仿真和硬件搭建模拟了电网模拟器的部分功能,验证了本文理论分析的正确性与所设计电网模拟器的可行性。

关键词： SerDes电路   码间干扰   均衡器   自适应控制   眼图  

摘要： 近年来,对更高传输速率和效率的持续需求推动了当前高速接口的快速发展,并行总线技术逐渐被串行总线技术替代,甚至向更高的性能和速度水平发展。SerDes电路被广泛应用于高速传输系统中来提高传输性能,如USB、SATA、超传输、PCI Express等。然而,互连信道中与频率相关的损耗由趋肤效应和介电损耗导致,并且随着传输速率的增加而增加,直接限制了信道带宽,引起码间干扰。码间干扰会使接收到的码元信息判决错误,增大误码率,降低传输信道的通信质量,最终导致接收端眼图闭合。为了使信号经过有损信道后依旧可以保证较好的接收数据,即保证接收端信号波形和时序的完整性,需要在SerDes收发器中采用各种均衡技术。本文结合有源电感和负阻抗转换器,设计实现了一款模拟均衡器,适用于严重损耗的长传输信道。首先,利用有源电感代替传统均衡器的负载部分,可以增加一个零点扩展带宽;其次,利用负阻抗转换器和电容组合产生负电容抵消输出节点的电容,可以在不牺牲直流增益的同时提供高频增益;最后,利用斜率检测技术设计了自适应控制回路来调节均衡器的增益曲线,防止由于外界环境变化、通信链路中连接器改变等因素造成信道特性改变时,均衡器会出现过均衡和欠均衡的状态。SerDes电路自适应控制均衡器包含了模拟均衡器、自适应控制回路和输出缓冲器三部分。本文采用SMIC 0.13μm CMOS工艺库对SerDes电路自适应控制均衡器进行电路仿真分析和版图设计,版图面积为893μm*532μm。前后仿真结果表明,模拟均衡器电路在6.25Gbps速率下,可以更好地为有损信道提供补偿,补偿的最大值在3.3GHz达到了20d B,使高速串行链路接收端的眼图能够明显地张开,水平张开度达到了0.8UI。本文所设计实现的自适应控制均衡器能针对不同损耗的SerDes电路信道进行补偿,恢复接收端信号质量,改善眼图的垂直张开度和水平张开度,实现自适应功能。

关键词： 无人机编队   跟踪控制   有向拓扑   传输时延   编队避障  

摘要： 随着自动控制技术不断提高,无人机研究和应用呈现出快速发展的势头,单个无人机具有成本低、灵活可靠等优点使其广泛应用在军事、物流及航拍等多个领域,无人机编队协同作业可以进一步满足各类复杂任务的需求。然而,在无人机编队执行任务时,由于任务环境以及软硬件设备等影响,使得编队网络中存在通信约束和编队内部碰撞等问题,从而影响无人机编队在完成复杂任务时的性能表现,亟待相应的解决方案。因此,本文针对通信约束下无人机编队安全跟踪鲁棒控制问题展开研究。主要研究内容如下:一、针对无人机编队通信网络中存在的传输时延问题,设计了一种分布式鲁棒跟踪控制策略。首先,考虑外部干扰的影响,建立无人机编队控制模型。其次,基于有向网络拓扑设计含有传输时延的控制算法,同时针对传统控制算法鲁棒性不足的问题引入_∞性能指标,提升无人机编队在通信约束下协同跟踪的鲁棒性。最后,通过对所提出的协同跟踪控制策略仿真,验证了控制算法的有效性。二、研究了内部碰撞问题下的无人机编队协同控制方法。首先,构建无人机编队协同控制模型。其次,针对系统内部避障问题,提出了编队运动避障方案,通过预先设定编队中各个无人机的运动范围,以保证各系统运动轨迹在预设区域内变化。然后,设计分布式预设性能函数,同时基于有向拓扑网络结构构建无人机编队相邻信息的状态辅助变量,并提出一种分布式安全跟踪控制方案,在完成编队运动的同时实现编队内部避障。最后,通过仿真结果验证了控制方案的有效性。

关键词： 现代化城市   智能运输系统   智能控制  

ISBN: (纸本)9787114190964

摘要： 本书分为《战略框架篇》和《关键技术篇》两册，是中国工程院重点咨询项目“中国智慧城市、智能交通与智能汽车深度融合发展战略研究”的重要成果。

关键词： 分数阶Hopfield神经网络   反馈控制   同步   参数未知   自适应控制  

摘要： 作为整数阶微积分的广义形式,分数阶微积分可以更精准地描述复杂的物理现象。将分数阶微积分理论应用在Hopfield神经网络可以更准确地模拟神经元的行为,从而提高神经网络模型的精度和可靠性。本论文主要利用Caputo型分数阶微积分定义来研究时间有限的Hopfield神经网络的同步行为。首先,针对无时滞和有时滞的分数阶Hopfield神经网络,分别设计了时滞无关和时滞相关的反馈控制器,探讨其固定时间同步问题,并估计了同步Setting时间上界;其次,对于参数完全未知和激活函数不同的时滞分数阶Hopfield神经网络系统,分别针对时滞已知的情况和时滞未知且系统状态有界的情况,本文设计了两个自适应控制器,实现了驱动-响应系统的有限时间同步。主要内容分为以下两个部分:1.研究了分数阶Hopfield神经网络分别在无时滞和有时滞情况下的固定时间同步。设计了两个不同的反馈控制器,实现了驱动-响应系统在固定时间间隔内同步。基于Lyapunov稳定性理论,分别推导出了无时间延迟和有时间延迟分数阶Hopfield神经网络的同步准则,并通过两个数值例子说明控制器设计的有效性。2.针对驱动系统和响应系统的激活函数不同且参数完全未知的时滞分数阶Hopfield神经网络,设计了两个新的自适应控制器和与误差系统相关的自适应更新律,实现了有限时间同步。基于Lyapunov稳定性理论,分析了驱动-响应系统在Setting时间上界内同步,并估计了Setting时间上界。针对时滞信息完全已知的情况,控制器的设计完全包含时滞信息;针对时滞信息完全未知,驱动-响应系统状态有界的情况,我们改进了上述控制器,实现了系统的有限时间同步。最后两个数值例子展示了自适应控制器设计的可靠性。