摘要： 日前，在由中国金属学会炼钢分会主办的“2023年(第四届)全国炼钢钢厂厂长百人论坛”上，中冶赛迪信息作题为“融合视觉感知和机理模型的智能控制技术与实践”的主题报告，分享了融合视觉感知和机理模型赋能钢铁企业智能控制场景的技术和应用实践，其中转炉氧枪智能控制和一见轻尘除尘智能管控系统是其中两项典型应用。智能控枪——“视觉”+“听觉”赋能转炉氧枪智能控制传统转炉炼钢需要依靠操作人员在炉前观察火焰以判断炉内反应状况和钢水质量，

关键词： 模型参考自适应控制   列车控制   李雅普诺夫   速度跟踪   模拟退火算法  

摘要： 列车是人们日常出行使用频率比较高的交通工具之一,列车自动驾驶系统是列车组成的重要设备,而列车自动驾驶子系统ATO(Automatic Trai Operation,ATO)则是实现自动驾驶尤为重要的控制设备,其主要作用是辅助甚至代替人工驾驶以提高列车控制的精度、降低人工操作的误差率以及提高列车作业过程中的运行效率等。当前社会发展迅速,对列车系统功能的复杂性和可靠性提出了新的要求,尤其是列车自动驾驶系统的控制器必须具备良好的控制性能,列车自动驾驶系统自然而然地成为了相关研究人员一直以来的研究热点。本文将从与列车自动驾驶技术有关的列车建模、控制策略以及跟踪效果性能等方面对列车速度控制的研究,主要研究内容如下:(1)列车不确定性阻力因素的分析。列车在运行过程中总受到各方面不确定性因素的影响,其主要以阻力的形式表现,即基本阻力、隧道阻力、坡道阻力、以及曲线阻力等。分析列车运行过程的影响因素是实现列车精准控制的首要关键,同时也为阻力因素的数学表达式衔接列车动力学模型做准备。(2)列车动力学模型的建立。列车动力学模型的建立是列车控制模型的数学表达形式。在以计算量和尽可能全面考虑影响因素为标准前提下,本文对比三种传统列车动力学模型,即单质点模型、多质点模型与刚性多质点模型等后,选择了单位移多质点模型。单位移多质点模型既保障了较小的计算量负担,又能保障较高的实验真实性。(3)模型参考自适应控制系统的设计。本文主要采用模型参考自适应控制(Model Reference Adaptive Control,MRAC)理论,利用MRAC的自适应律来调整不确定影响因素导致系统参数变化,即进行速度调整,减少或消除不确定性阻力因素对速度的影响。为了使控制系统具有较快的收敛性和稳定性,本文采用了李雅普诺夫设计法对自适应律进行推导,仿真结果表明控制系统具有速度控制的可行性,能够有效处理高速列车在复杂运行线路条件的不确定性问题,也达到ATO系统速度的跟踪目的。(4)控制系统的性能评估。通过Simulated Annealing算法对列车控制器的速度跟踪误差效果进行监控,纵向比较而言,能够为列车自动驾驶系统的可靠性提供参考,即便于发现控制器不能适应新的运行环境;横向比较而言,在更换新的控制算法或者对比其他控制算法时,便于做出相应的性能对比,两者均保障了列车作业的运行效率。

关键词： 稳定控制   CAN总线通讯   模型预测控制   四足机器人  

摘要： 在过去的几年中,四足机器人已成为机器人领域内备受关注的研究领域之一。随着先进材料、智能化控制以及环境感知技术等不断发展,市场对四足机器人的研究也逐步深入。这些技术的不断进步也使得四足机器人从实验室走向日常生活成为可能。现有四足机器人在面对复杂路况时其通过性仍有不足,针对上述问题,本课题提出一种基于模型预测控制的四足机器人稳定控制系统,旨在提高机器人复杂环境的通过性。本文基于CAN总线通讯的四足机器人关节电机控制,针对四足机器人关节电机的参数优化问题,首先设计了电机负载下的单关节控制系统的动力学模型并规划控制策略,通过CAN总线通讯来实现对电机的控制,对关节电机的位置增益与速度增益进行合理调控与参数优化。针对复杂地形与路面提出一种基于模型预测控制的控制方法,首先对四足机器人进行运动学分析并建立单刚体动力学模型,根据机器人的单一时刻状态,预测出接下来一段时间的状态,并解算出最优足底力并转换到关节中以力矩形式输出。基于Webots完成仿真系统的搭建,在Webots环境中搭建碎石、楼梯和斜坡等复杂环境,完成在各种仿真环境中对模型预测控制算法的验证。在完成仿真试验后基于宇树A1平台进行算法验证,针对实体机算法测试问题,采用宇树A1型四足机器人,A1配备了丰富的二次开发接口,连接宇树A1运动控制板,然后分别对机器人进行高层(highlevel)和底层(lowlevel)控制,最后将代码移植并完成实体验证与测试。通过实验分析可知,本文所提出的稳定控制方案,可以平稳通过碎石路,单边桥和斜坡等复杂路面,最大速度达到2.1m/s,稳定上下6cm楼梯,进一步满足了在复杂环境中的工作需要。

关键词： 静压轴承   轴心轨迹   系统辨识   重复控制   非线性控制  

摘要： 轴心轨迹能综合反映出机床等回转加工设备的工作状态,因此实现对轴心轨迹的主动控制具有重要意义。通过主动控制,可以抑制主轴振动及外部扰动,降低回转误差,提高旋转设备加工精度;另外,还可通过主动控制实现非圆轴心轨迹,为非圆异形内孔的精密加工提供新的途径。但当前可控液体静压轴承-主轴系统的研究中,仍然存在系统模型复杂、求解时间长、不适合控制器设计,以及控制器精度不高、适用场景有限等问题。因此,基于可控液体静压轴承,针对非圆轴心轨迹成形及扰动抑制等主轴轴心轨迹控制问题,对可控液体静压轴承-主轴系统的建模、辨识及控制器设计展开了研究。(1)基于现有试验台及硬件控制系统,开发了系统检测及控制软件,对系统特性进行了初步测试及分析。(2)通过系统辨识得到了系统的二阶线性模型,并设计了重复控制器,实现了非圆轴心轨迹成形。首先,建立了可控液体静压轴承-主轴系统的二阶线性解耦系统,并通过系统辨识的方法得到了系统在水平及垂直方向上的传递函数。然后,针对非圆轴心轨迹成形具有周期性的特点,设计了重复控制器来实现主轴轴心对周期参考目标的无静差跟踪。最后,通过仿真及实验将重复控制器与PID控制器进行了对比。结果表明,重复控制对周期性参考轨迹的跟踪精度更高,且通过增益参数的调整,重复控制系统能够获得合适的稳定裕度,抑制建模误差及随机扰动带来的干扰。(3)建立了系统的非线性状态空间模型。通过可控液体静压轴承-主轴系统的流量方程、油腔油膜力方程,推导出了适用于控制器设计的严格反馈型非线性状态空间方程。使用二阶欧拉法得到了用于参数辨识的离散系统方程,采用预测误差法建立了系统的误差准则函数,并通过粒子群算法对误差准则函数极小值进行求解,得到了系统模型参数。为了验证系统非线性模型的精度,使用不同输入信号及其系统响应作为验证数据集,对非线性模型仿真精度进行了验证对比,结果显示,非线性模型具有较高精度。(4)设计了非线性控制器及扩张高增益观测器,实现了系统对不同类型扰动的抑制。基于可控液体静压轴承-主轴系统的严格反馈型非线性状态空间方程,使用反步法建立了系统的状态反馈控制器。设计了扩张高增益观测器对系统不可测状态及外部扰动进行估计,并采用饱和函数抑制高增益观测器峰值现象带来的不良影响,通过仿真验证了扩张高增益状态观测器的可行性。随后,通过仿真及实验对非线性控制系统在随机扰动及定常扰动下的控制效果进行了验证分析。结果均表明,基于扩张高增益观测器的非线性状态反馈控制系统能够抑制不同类型的扰动,提高了主轴回转精度。

关键词： 多变量非线性系统   无模型自适应   参数整定   边缘计算   尾气处理  

摘要： 现代大多数工业被控对象在数学形式上都可以抽象为离散多变量非线性系统,传统控制方法和控制系统在面对上述系统的自适应控制问题时难免捉襟见肘。因此本文将这类系统作为多变量自适应控制研究对象,在现有无模型自适应控制方法基础上对其进行改进并应用于尾气处理过程控制。另外,根据尾气处理过程特性,通过将控制方法与边缘计算有机结合,设计兼具运算力、强稳定性、强实时性的边缘式尾气处理过程控制系统,主要工作如下:(1)针对一类离散多变量非线性系统的自适应控制问题,提出了一种基于紧格式动态线性化技术的改进型无模型多变量自适应控制方法(IMMFAC)。经数字仿真实验证明,增加比例积分项不仅可以削弱MFAC方法在初始阶段的震荡现象还能有效提高MFAC方法的跟踪性能、实时性和泛化性;(2)针对IMMFAC方法可调参数较多的问题,提出了一种新的参数整定框架MPSA-WOA。经数字仿真实验表明,施加参数整定的IMMFAC方法能够在原有基础上进一步提升收敛速度和跟踪性能;(3)针对控制量较多且相互耦合的尾气处理过程控制问题,提出了一种基于关键变量识别模型和IMMFAC方法的尾气处理过程控制器。经仿真实验证明,该控制器能够有效降低尾气中各污染物的排放浓度;(4)通过从不同角度对终端、微型服务器和微控制器的性能进行比较,提出了一种基于边缘计算模式的尾气处理过程控制系统架构,并对控制系统的部分功能模块进行了详细分析和实现。实施参数整定的IMMFAC方法以及边缘式尾气处理过程控制系统与基于PID控制方法的集总式控制系统相比其优势在于:1)基于数据驱动的IMMFAC方法能更有效的处理强非线性、强耦合系统,提升控制质量;2)提高了边缘侧的计算能力和交互能力,解决了多控制器的通信协作难题,也为运行现代智能控制算法提供了实施平台;3)充分利用了尾气处理过程数据,提升了尾气处理工艺效率,进一步降低了企业环保成本。

关键词： 空间柔性并联机器人   动力学建模   神经网络控制   轨迹跟踪   振动抑制  

摘要： 并联机器人在工业、农业、服务业等行业发挥着日益重要的作用。对了减少机械臂的驱动负载和节省控制成本,机器人逐渐朝着高速、轻量化以及高精度的方向发展。机械臂结构采用轻量化的柔性材料来代替。但由于柔性连杆尺寸大,质量低的结构特点,在高速重载的条件下,柔性连杆的弹性变形会使得末端执行器定位精度下降,甚至使机构配合失效。因此,建立能反映柔性并联机器人动态特性的刚柔耦合动力学模型是十分重要的。本文以空间柔性并联机器人为研究对象,通过对其构建动力学模型及控制算法等问题进行研究。主要研究内容如下:为了更好地分析3-RRRU并联机器人各机构在运动过程中的位置、速度和加速度随时间或其他变量的关系,对3-RRRU并联机器人的运动学位置逆解、速度逆解和加速度逆解进行详细推导,在运动学逆解分析的基础上,对工作空间进行可视化分析,探究3-RRRU并联机器人在工作空间中的极限位置。针对空间柔性并联机器人的刚柔耦合动力学模型建立较为复杂的问题,综合运用分支结构法、拉格朗日法、假设模态法以及独立坐标法得到便于设计控制器的简化刚柔耦合动力学模型。为了主动抑制柔性连杆的弹性变形引起动平台的持续振荡,基于奇异摄动法,在系统参数不确定的情况下,提出了空间柔性并联机器人系统的RBF神经网络控制和柔性振动的PD控制。仿真结果表明,该控制策略不仅能够实现轨迹的渐进跟踪,也能有效抑制柔性连杆的振动。为了降低控制策略的复杂性,在模型不确定的情况下,设计了基于混合轨迹的RBF神经网络补偿控制方案。仿真结果表明,该控制方案不但保证了模型不确定情况下的鲁棒性,而且也能抑制柔性连杆的振动,验证了该控制方案的可行性与有效性。

关键词： 数字液压缸   控制策略   切换控制   自抗扰控制   滑模变结构控制   自适应控制   神经网络控制  

摘要： 数字液压缸是典型的非线性电液伺服系统,内部包含许多非线性环节和外部干扰,传统控制策略很难提高其运行稳定性和控制精度。因此,本文以数字液压缸位置控制系统为研究对象,针对数字液压缸非线性、外部干扰等因素下的控制策略问题,提出多种复合控制策略,并深入开展理论分析和实验研究,主要研究内容如下。首先详细分析现有技术方案,在此基础上最终参考内部间接反馈式数字液压缸和间接数字化控制液压缸的结构形式,并加入位置闭环反馈控制,变成一种新型双闭环式数字液压缸,然后建立了伺服电机数学模型、反馈机构非线性动力学模型、对称四边滑阀控制非对称液压缸数学模型、非线性液压弹簧和非线性Lu Gre摩擦等数学模型,推导数字液压缸位置系统的高阶状态方程。为了控制器的设计与实现,基于自抗扰控制策略思想,将高阶状态方程等效成二阶积分串联形式状态方程。为了提高数字液压缸位置控制系统性能,结合切换控制与自抗扰控制的优势,采用多Lyapunov函数方法和最小Lyapunov函数切换规则,提出了切换自抗扰控制策略,建立基于MATLAB/Simulink的数字液压缸位置控制系统仿真模型,研究了切换自抗扰控制策略下数字液压缸位置控制系统性能影响,并进行实验验证。针对自抗扰控制器调节参数众多、敏感度低等问题,为了减少调节参数,结合滑模变结构控制与自抗扰控制,提出滑模自抗扰控制策略;为减少由滑模控制产生的抖振,将趋近律引入滑模自抗扰控制策略,并结合全局快速终端滑模变结构控制以及RBF神经网络逼近非线性函数的特点,推导基于Lyapunov函数的控制律和自适应律,利用MATLAB/Simulink对数字液压缸位置控制系统进行仿真,研究多种控制策略下数字液压缸位置控制系统的稳定性,研究表明:滑模自抗扰控制策略调节参数最少,该控制器能有效地提高系统的快速性,但是会降低系统的稳态精度;全局快速终端滑模自抗扰控制策略能够提高系统的响应速度,但是系统会产生自持振荡,会对系统及其设备造成损害;神经网络滑模自抗扰控制策略能够提升系统的响应速度、提高控制精度以及增加系统稳定性。为了减少系统的抖振,保证系统闭环稳定性,进一步提高数字液压缸位置控制系统性能,结合模型参考自适应控制和自抗扰控制,提出模型参考自适应抗扰控制策略,推导基于Lyapunov函数的控制律和自适应律,考虑模型参考自适应抗扰控制策略中的非线性反馈项,利用RBF神经网络逼近非线性函数,提出神经网络模型参考自适应抗扰控制策略,推导基于Lyapunov函数的控制律和自适应律,利用MATLAB/Simulink对数字液压缸位置控制系统进行仿真,研究不同控制策略下数字液压缸位置控制系统的稳定性,研究果表明:神经网络模型参考自适应抗扰控制策略在针对系统不同的输入指令信号下,都能够很好地减小系统的静态误差,克服外干扰对系统稳定性以及控制精度的影响,具有很强的鲁棒性,同时该控制策略所要调节的参数要少于切换自抗扰控制策略中的参数。为了验证本文提出的多种控制策略对提高数字液压缸位置控制系统性能的有效性,根据仿真建模与实验搭建一致原则,开展数字液压缸位置控制策略实验。开展切换自抗扰控制策略、神经网络滑模自抗扰控制策略和神经网络模型参考自适应抗扰控制策略在不同指令信号下的实验研究,所获实验结果与仿真曲线基本一致,验证了所提控制策略的可行性和有效性。该论文有图142幅,表24个,参考文献245篇。

关键词： 矿物浮选   数据特征   数据清洗   机器学习   人工调整策略   智能控制方法  

摘要： 随着新能源的发展,镍矿的重要性变得更加显著。无论是太阳能、风能还是其他可再生能源技术,都需要镍矿作为原材料。同时,新能源汽车市场的迅猛发展,更加加剧了对镍矿的需求。镍矿的供应短缺已经成为新能源技术和新能源汽车行业的一个制约因素。因此,保证镍矿供应的稳定性和增加镍矿产量的重要性变得越来越明显。这也成为了国家和企业发展战略的一个重要组成部分。泡沫浮选技术是一种利用矿物表面亲疏水特性差异的分离技术,亲水性矿物颗粒会沉积至浮选柱底部并随后被排出形成尾矿,而疏水性金属矿物则会附着在气泡上,在浮力作用下形成分层并聚集在浮选柱的不同位置,这种差异就可以将矿物中不同成分分开并富集。如今,泡沫浮选技术广泛应用于矿业、化工、冶金等领域。在传统浮选作业中,过于依赖于现场人员经验的操作方式,这往往容易受到人为因素的影响,产生较大的主观性和不确定性。这种主观性和不确定性可能导致生产过程中出现较大的产品质量波动,从而影响到生产的稳定性和一致性。此外,由于现场人员的经验水平和操作技能不同,不同的操作者可能会对加药方式和加药量产生不同的理解和应用,从而造成生产过程中的差异性和不确定性。因此需要采用更加科学和智能化的控制方法来解决这些问题。本文依托于电子科技大学与甘肃金川集团的合作项目,在该项目中,产生了大量数据。而这些数据有些是不完整的,不准确的,未被充分利用的。本课题通过对矿物浮选数据库中的大量数据进行分析,筛选数据可用段,并对无效数据段进行处理,区分出不同工况。针对于正常工况,观察各主要控制参数调整量变化,寻找调整痕迹,并归纳出调整规则。针对于在镍泡沫浮选过程的自动化水平低、环境恶劣、工人控制主观随意性强的缺点,将不同工人的经验整合,基于先进的数据分析和模型预测技术,自动智能地优化控制方案,输出有效的调整策略,模拟矿物浮选中人工调整过程。最终,基于泡沫浮选工艺流程控制参数、系统参数与目标参数之间的关系进行分析,并分别建立了基于MLP多层感知机的工况参数与调整策略有效性判别模型和基于Transformer神经网络的有效调整策略预测模型。

关键词： 多移动机器人   编队控制   固定时间控制   领航-跟随法   自适应控制  

摘要： 随着科学技术的不断发展,多移动机器人编队控制成为目前的一个研究热点。在应用场景下,编队的收敛速度是重要的性能指标之一,固定时间控制理论不仅可以提高系统收敛速度,而且编队系统的稳定时间与初始状态无关,具有很高的实用性。本文以非完整轮式移动机器人为研究对象,采用领航-跟随控制策略,对固定时间编队控制问题展开研究,具体内容如下: (1)对理想模型下的移动机器人固定时间编队控制问题展开研究。依据领航-跟随法,将n个机器人的编队控制问题转化为n-1对跟随者与其指定领航者之间的跟踪控制问题。由于轮式移动机器人为欠驱动系统,基于反步法提出了一种固定时间控制器,使跟随机器人与领航机器人保持固定的距离与角度。基于李雅普诺夫稳定性理论,对系统的稳定性进行了分析。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。 (2)对考虑质心与驱动轮轴线中心不重合时的移动机器人固定时间编队控制问题展开研究。首先,基于质心与驱动轮轴线中心距离已知的移动机器人运动学模型重新给出领航-跟随误差模型。然后依据领航-跟随结构,基于反步法重新设计出跟随机器人的固定时间控制律,并证明系统在固定时间内收敛。最后,对所提算法进行仿真和实验验证。 (3)对多移动机器人的固定时间自适应编队控制问题展开研究。针对机器人质心与驱动轮轴线中心距离不确定问题,设计自适应控制律与跟随机器人的运动学控制律相结合,实现机器人编队控制与轨迹跟踪。同时在李雅普诺夫稳定性框架下证明多机器人系统的固定时间收敛并给出了系统收敛域。最后,通过仿真和实验验证所提算法的有效性。

关键词： 损耗平衡   调制策略优化   并网控制   弱电网稳定性   自适应控制   电流源模式  

摘要： 随着分布式能源在电网中所占的比例越来越大,且可再生能源发电和用电负荷存在双重随机性,使传统电力系统供需两端不确定性增强,传统两电平并网逆变器难以满足可再生能源并网发电的要求。特别是,可再生能源并网系统末端电网较弱,分布式电源并网后潮流分布更加复杂,易引起较宽频段振荡现象,需考虑弱电网并网稳定性问题。中点钳位型、T型等传统三电平逆变器存在开关损耗不均衡,直流侧承受电压应力较高等缺点。本文提出的有源中点钳位型三电平逆变器及调制策略具有输出电压电流谐波含量低,零电平状态多,损耗均衡的特点。该变流器直流侧的分压电容和开关管承受电压较低,可广泛应用于中压大功率电能变换领域。本文分析了有源中点钳位型逆变器的工作原理,并提出一种改进的同步调制策略以均衡开关损耗,从开关损耗和电能质量的角度进行分析,验证了所提策略的合理性与优越性。为了研究并网系统的稳定性,采用谐波线性化序阻抗建模法建立并网系统阻抗模型,模型综合考虑了锁相环、电压和电流环三环特性,同时在频域下分析了各控制环节在并网系统阻抗特性的作用范围,并通过探索带宽的耦合机制以增强系统的稳定性。本文采用奈奎斯特稳态判据进一步验证控制环节以及电网阻抗对并网系统稳定性的影响。根据电压源与电流源控制模式具有优势互补的特点,提出一种基于并网电流谐波畸变程度切换两种控制模式的策略。所提的方法能够增强并网系统的稳定性,在电网阻抗变化的过程中均能保证良好的电能质量。最后搭建了三电平有源中点钳位型逆变器并网硬件实验平台和半实物仿真平台,对所提的调制策略以及基于电网阻抗自适应的双模式切换策略进行了实验验证,实验结果表明所提的调制策略使系统开关损耗更加均衡,零电平状态下的导通损耗降低一半,所提的控制策略使并网系统在电网阻抗宽范围变化过程中均保持良好的稳定性。