关键词： 快速反射镜原理   控制系统   图像处理   模糊控制   强化学习控制  

摘要： 为了提升光电跟踪系统对目标的瞄准和跟踪的自适应控制能力以及稳定性,研究基于二维快速反射镜控制原理的自适应控制系统。快速反射镜在复合轴系统中具有精跟踪调节的作用,为了提高控制系统在参数调节过程中的自适应性能力,探索机器学习与经典控制理论相结合的方式在系统运动平台基础上的自适应跟踪控制技术的应用,以克服在不同载荷环境中出现的干扰以及冲击等情况,达到对目标跟踪控制的精确性,稳定性,鲁棒性控制。首先从快速反射镜结构分析入手,根据快速反射镜所对应的结构,以及控制对象具有的非线性、迟滞性等特征,对控制系统进行理论建模与推导。之后设计并建立一套基于二维快速反射镜控制原理的控制系统,利用顶层设计的思想对系统进行总体设计,采用模块化系统集成,分为图像与定位模块、基座结构模块、电源与电路模块、控制系统处理器模块、伺服控制器模块、图像处理算法模块、控制算法模块。在硬件系统方面,需要先根据系统配置进行选型分析与论证,然后利用相应软件对各个模块进行前期的设计,后期的安装调试工作,最后装配出一套完整的硬件控制系统。在软件算法层面,首先利用图像处理技术对图像进行滤波降噪操作,之后利用目标识别技术对目标进行捕获定位,利用卡尔曼滤波算法对目标进行预测与修正。在控制算法上,为了提高算法的参数自适应调节能力,在PID控制之中加入先进控制技术——模糊控制算法和强化学习控制算法,并在所搭建的实物系统上进行算法验证以及算法对比。根据两种算法的系统建模理论,从控制系统暂态分析的角度对比两种算法的优劣,结论得出,模糊控制在快速性性能上优于强化学习算法,且强化学习算法需要大量时间进行前期学习工作,但是强化学习算法的稳定性更强,抗干扰能力更强。全文构建的基于快速反射镜原理的自适应控制系统,具有一定的模块扩充能力,使得各种控制算法能够在平台上进行验证并测试对比,经过数学建模、理论搭建、系统选型、硬件设计制作以及软件算法调试实验工作,制备了一套完整的实验验证系统。

关键词： 切换随机系统   平均驻留时间   自适应控制   稳定性  

摘要： 切换系统是一类特殊的混合动态系统，由一系列的子系统和控制系统间切换的切换信号构成。切换系统因能为很多复杂的具有多模态特性的实际系统建模，而被广泛的研究。由于实际生产生活中的控制系统难免会受到环境及各种随机扰动的影响，因此，切换随机系统更适用于描述实际系统。伴随着工业化与信息化的深入结合，信息交互平台的开放性，系统容易遭受网络攻击，严重影响控制系统的性能，甚至危害系统的稳定性。因此，近年来关于切换随机系统安全控制问题的研究备受关注。　　针对上述问题，本文主要研究了欺骗攻击下切换随机线性系统的安全控制问题。为抵消攻击信号的影响设计了带有校正信号的自适应控制器和切换信号来保证切换随机系统的稳定性。本文的主要工作如下:　　(1)研究了同步切换下切换随机系统的安全控制问题。考虑在信息传输过程中，切换随机系统传感器和执行器同时遭受欺骗攻击。通过设计自适应控制器和带有平均驻留时间的切换律，使得切换随机系统在面临攻击时仍能保持稳定。　　(2)研究了异步切换下切换随机系统的安全控制问题。考虑了信息传输过程中由于切换时滞的影响，导致了控制器和运行的子系统不匹配产生的异步情况。在此基础上研究切换随机系统的安全控制问题。首先设计自适应控制器和参数投影自适应律，然后寻求能保证异步切换系统稳定的平均驻留时间，最后通过构造多李雅普诺夫函数证明异步切换随机系统的稳定性。　　(3)通过HiMAT飞行器的例子进行仿真验证，并给出仿真结果。仿真结果表明本文提出的自适应安全控制策略能够保证在欺骗攻击存在的情况下系统是安全可控的，验证了所提理论方法的正确性。

关键词： 分布式驱动   微分几何   解耦控制   鲁棒控制   纵横向控制  

摘要： 分布式电驱动车辆各车轮驱动力矩独立可控,便于车辆稳定性控制系统的应用。然而分布式电驱动车辆各个子系统控制信号存在强烈的耦合作用,互为干扰,并影响最终的控制品质。为解决以上问题,本文以分布式电驱动汽车列车为研究对象,重点针对纵横向解耦控制策略进行研究,主要研究内容如下:（1）汽车列车整车建模及系统纵横向动力学耦合特性研究。建立分布式电驱动汽车列车车辆模型,针对恒速正弦方向盘转角工况和变加速恒方向盘转角工况进行了车辆性能仿真,并与Trucksim自带的集中式驱动汽车列车系统耦合特性进行了对比分析。通过仿真结果验证了汽车列车纵横向运动之间的耦合影响,并进一步分析了汽车列车运动过程中轮胎动力学耦合关系与牵引车-挂车动力学耦合关系。（2）建立三自由度非线性车辆模型。考虑轮胎载荷变化对轮胎转向特性的影响,建立了三自由度非线性车辆模型,并通过双移线工况进行了模型验证。仿真结果表明,所建立车辆模型与Trucksim汽车列车模型重合度在90%以上,可用于后期解耦策略的设计。（3）设计基于微分几何的解耦控制策略。该控制器采用分层控制的结构,设计了微分几何解耦控制器。上层基于鲁棒H控制理论设计鲁棒控制器,根据偏差输入得出牵引车纵向运动控制命令、牵引车横摆运动控制命令以及挂车横摆运动控制命令。下层基于微分几何理论得到汽车列车非线性多输入多输出（MIMO）系统的微分几何解耦控制律,以鲁棒控制器输出的牵引车纵向运动控制命令、牵引车横摆运动控制命令以及挂车横摆运动控制命令作为虚拟输入,将汽车列车非线性MIMO系统解耦为多个线性的单输入单输出（SISO）系统。（4）控制策略的验证与对比分析。为验证本文提出控制策略的有效性,考虑挂车空载与满载两种工况,与集中式驱动汽车列车、无解耦控制的分布式电驱动汽车列车进行多工况对比验证。试验结果表明,与无解耦控制的分布式电驱动汽车列车相比,空载工况下的解耦控制分布式电驱动汽车列车的后部放大系数降低了4.3%,存在横摆运动情况下的纵向速度误差降低了84.4%,纵向运动状态存在变化下的横摆角速度误差降低了66.7%,车辆对于具有不确定性的横向干扰以及纵向干扰的抗干扰性能大大提升;满载工况下的解耦控制分布式电驱动汽车列车的后部放大系数降低了3.2%,存在横摆运动情况下的纵向速度误差降低了92.2%,纵向运动状态存在变化下的横摆角速度误差降低了60.6%,车辆对于具有不确定性的横向干扰以及纵向干扰的抗干扰性能大大提升。（5）控制策略硬件在环验证。硬件在环测试结果与仿真结果一致,进一步证明了所设计的控制策略和算法的可行性和正确性。

关键词： 机器人   位置控制   预设性能控制   自适应控制   非线性PID控制  

摘要： 随着工业自动化水平的不断提高,机器人作为工业中最常用的核心单元,其位置控制的精度和速度要求也随之提高。目前,大多数机器人位置控制方法的研究都集中在对系统稳态性能的证明,对同样影响控制品质的瞬态性能,诸如收敛速率、稳态误差等缺乏研究。 预设性能控制是一种既能保证系统稳态性能,又能刻画系统瞬态性能的控制方法。大量关于预设性能的工作证实含有预设性能的机器人控制方法相较于没有预设性能的控制均表现出更好的瞬态性能。因此,针对机器人位置控制中瞬态性能研究较少的不足,发展带有预设性能的机器人位置控制方法,以提高系统的瞬态收敛速率和稳态精度将是非常有必要的一项研究。 本文针对机器人系统位置控制问题,提出了两种易于工程实现的机器人预设性能控制方法,获得了良好的动静态性能,弥补了现有机器人系统位置控制对瞬态性能关注不足的弱点。具体工作总结如下: 首先,将预设性能与自适应控制相结合,发展了一种机器人预设性能自适应位置控制方法,解决了模型参数未知的机器人预设性能位置控制问题。其次,考虑到实际工程应用中存在外部有界扰动的情况,将预设性能与非线性比例-积分-微分(PID)控制结合,提出了一种不基于模型的机器人预设性能鲁棒非线性PID控制方法。 应用Lyapunov方法和Barbalat引理证明了两种控制方法闭环系统的全局渐近稳定性和预设性能的保证性。与现有机器人位置控制方法的数值仿真和二自由度SCARA机器人实验平台上的实验对比结果表明,两种控制方法均表现出更快的收敛速率和更高的稳态精度,且在整个运动过程中,机器人各关节位置误差始终处在预设性能边界内,验证了本文所提出控制方法的实用性和优越性。

关键词： 区间Ⅱ型T-S模糊系统   模糊建模   鲁棒控制   有限时间控制   容错控制  

摘要： 近年来,区间Ⅱ型T-S模糊系统理论与应用研究取得了很大的进展。由于Ⅱ型模糊系统较Ⅰ型更能有效处理控制系统高不确定性和不精确性问题而得到广泛青睐,且区间Ⅱ型模糊系统具有较低的计算复杂度,在通信、生物、金融、自动控制等领域得到了成功的应用。本论文针对区间Ⅱ型T-S模糊系统,研究其建模方法与鲁棒控制问题,主要研究内容及创新点如下:1)针对一类服从统计规律的不确定复杂系统,提出了一种基于模式的区间Ⅱ型T-S模糊建模方法。该方法利用工况模式随时间所属工况类别的变化来建立系统模型,首先定义了描述模式随时间变化的变量——模式类别变量,变量的取值为度量类别的区间数。不同于普通的区间Ⅱ型T-S模糊模型,该模型中的变量为模式类别变量。依据上述模糊建模方法进行分类可获得最终的预测输出。最后利用从安阳钢铁厂采集到的两年400烧结机实际工况数据进行仿真验证,进而得出了该方法的有效性。2)针对带有执行器饱和的区间 Ⅱ型T-S模糊系统,提出了一种基于有限时间稳定理论的鲁棒H∞输出反馈控制器设计方法。首先对系统进行状态观测器设计解决状态不可测问题,然后利用输入饱和多面体模型结合非并行分布补偿(non-PDC)算法设计了基于观测器的鲁棒H∞有限时间控制器,不仅实现了系统的快速稳定,而且能够补偿执行器饱和现象。最后构造Lyapunov函数结合线性矩阵不等式(LMIs)方法给出了系统有限时间稳定的充分条件,并利用两个仿真算例验证了该方法的有效性。3)针对带有状态时滞和执行器故障的区间Ⅱ型T-S模糊大系统,提出了一种事件触发输出反馈鲁棒容错控制器设计方法。首先,设计了模糊状态观测器解决状态不可测问题。其次,通过引入离散事件触发机制,基于非并行分布补偿(non-PDC)设计原理,在存在执行器故障的情况下,设计了基于观测器的具有动态参数的事件触发模糊分散控制器,提高设计灵活性的同时实现了对执行器故障的补偿,而且能够降低执行机构的动作次数。再次,构造动态参数的Lyapunov-KrasovskⅡ泛函结合LMIs方法给出闭环系统渐近稳定的充分条件。最后,通过仿真实验证了该方法的有效性。4)针对带有输入时滞和网络攻击的区间Ⅱ型T-S模糊离散系统,提出了一种区间Ⅱ型模糊鲁棒控制掩设计方法。首先,利用上、下隶属度函数捕捉区间Ⅱ型T-S模糊离散系统的参数不确定性,提高了鲁棒控制过程中的自适应性。通过考虑输入时滞和随机网络攻击的影响,建立了一个新的模糊鲁棒控制器,不仅保证了系统渐近稳定,而且很好地补偿了随机网络攻击的影响。其次,通过建立Lyapunov-Krasovskii泛函,该泛函集成了输入时滞和网络攻击时滞,结合LMIs,给出了该闭环系统渐近稳定的充分条件,并利用凸优化方案求解控制器增益。最后,通过数值算例进行仿真,验证了该方法的有效性。

摘要： 根据自动化程度的高低来区分，目前国内驼峰场的排污方法有两种方式：自动化程度较低的驼峰场，依靠人工手动排污，这种排污方式对现场人员的工作素养要求较高，劳动强度较大，而且受现场人员的责任心影响较大，极易出现巡检不到位、漏排等问题；自动化程度较高的驼峰场采用时间继电器或者PLC进行控制，实现了自动排污，但仍未解决电磁阀故障诊断和排污的优化控制问题。

关键词： 精炼炉   温度预估   配料系统   优化算法  

摘要： 随着现代化科技的飞速发展，工业信息化和数字化已经逐步成为企业发展趋势，这不仅可以提高企业生产效率，降低生产成本，改进产品质量，而且能够加强企业管理，提高客户满意度。精炼炉二级系统作为全流程炼钢的关键，可以实现对生产过程的自动化监测与控制，以提升品量管理，协调炼钢节奏。本系统以某钢铁企业下120T精炼炉为研究背景，针对精炼过程设计了二级智能化过程控制系统，主要实现了模型指导和优化计算等功能，为实现数字孪生精炼炉打下基础。　　首先，本文针对LF精炼炉的基本工艺及特点进行分析研究，建立了精炼炉冶金工艺数学模型。其中，温度预估模型的提出主要是精炼炉现阶段未能找到合适的测温元件达到连续测温的目的，通常以多次测温来获取当前钢水温度，依此调节电弧加热功率。而合金加料模型主要是精炼过程需要对钢水进行合金化操作，通常以人工经验算法计算，此方式未能考虑在合金成本最低的情况下选择合适的物料配比问题。　　其次，针对上述问题，本文通过分析精炼炉能量平衡及传递过程，建立基于SVR算法的温度预估模型，为了使模型算法尽快收敛，又引入PSO算法来优化上述模型，通过对比分析，PSO-SVR回归预测模型的误差相对较小，预报误差在±5℃之内的炉次占总炉次的94其模型可实现对钢水温度的连续预报，为满足终点出站温度，指导基础级选择电弧加热，合理控制加热功率提供数据支持和参考依据。针对钢水合金化操作，通过平均炉次法的方式对合金收得率进行优化调整，在满足钢种成分达标的前提下，以合金成本最低为目标建立基于LP算法的合金配料模型，最终得到最优解集，通过指导基础级自动完成合金成分调整，以此达到降低合金投入成本的目的。　　然后，针对整个精炼二级过程控制系统进行系统架构设计和通迅设计。系统的整体框架以三层架构的设计模式为基础，根据业务需求功能进行模块的划分和设计，最终实现精炼过程级系统中加料、测温、吹氩、通电、喂丝等工艺数据的处理和记录。在通迅方面，作为过程级系统，设计划分不同身份职责的用户分别与基础级和管理级进行数据交互。其中与基础级采用OPC通讯技术进行数据交互，以实现数据实时获取和指导。而与管理级则采用MQ队列通讯技术进行数据下发和上传，借助消息队列完备的工作模式和可靠的工作特性，来保证通迅系统的稳定性和安全性，最终实现炼钢过程的合理调度。　　最后，依据精炼二级系统的各个模块功能设计了友好的人机交互界面，包括主控功能信息、钢种化验对照信息、LF冶炼详细信息、LF冶炼过程信息、温度模型预测以及合金模型指导等。通过后期现场调试，最终取得了令人满意的结果。　　本文设计的精炼炉二级智能控制系统以工艺理论为基础，提高精炼炉设备技术水平为目的，结合相关数据库技术和通讯技术进行系统的设计与实现。该系统通过建立的工艺模型对实际生产进行指导，对提高企业经济，保证精炼效率具有重要的实际意义。

关键词： 切换非线性系统   规定性能控制   自适应控制  

摘要： 近些年来随着科学技术的不断发展，单一的连续或者离散模型已经很难再对系统进行描述，包含着连续和离散行为的切换非线性系统模型受到了越来越多研究者的关注。另一方面，随着现代工业对系统性能指标的要求越来越高，系统状态的瞬态和稳态性能分析设计也变得越来越重要。故切换非线性系统的规定性能控制策略具有重要的研究价值，其将有助于一些实际问题的解决。尽管该研究领域上已经取得了长足的发展，但是仍然存在着不足。例如，现有的一些控制策略中只是将切换非线性系统视作一类传统的非线性系统，在规定性能控制设计中并没有考虑切换信号所带来的影响。由此，本文针对其中的一些不足进行了研究，主要内容概况如下：　　针对一类系统中存在未知函数的严反馈切换非线性系统，考虑切换信号对系统稳定性的影响，提出了规定性能控制方法。首先，使用共同规定性能界限约束系统的输出跟踪误差。其次，通过自适应控制设计调整控制参数，处理系统中的未知非线性函数并保证跟踪误差满足预先设计的性能指标。最后通过驻留时间方法，利用激活的稳定子系统补偿不稳定子系统，保证闭环系统的稳定性。　　针对一类具有外部干扰、未知控制系数和不可测状态的非严反馈切换非线性系统，提出了有限时间规定性能控制方案。首先，使用模型变换来处理未知的控制系数和系统中的未知非线性函数，消除未知控制系数对控制项的影响。其次，通过观测器估计系统中的未知转换状态。通过切换依赖型规定性能界限，以及有限时间规定性能控制设计，保证了跟踪误差的瞬态和稳态性能。这种界限可以针对每个子系统的需求和特性进行调整，并在切换时刻根据跟踪误差和子系统的变化来改变幅值。最后，设计平均驻留时间切换信号，保证了闭环系统有限时间稳定性。　　针对一类非仿射切换非线性系统，提出了有限时间规定性能控制方案。首先，考虑多李雅普诺夫函数在切换时刻所满足的不等式，通过设计驻留时间切换信号，提出了切换系统的有限时间稳定性条件。在该条件中给出了收敛时间的具体表达式和收敛域的具体范围。其次，提出了切换依赖型有限时间规定性能界来约束跟踪误差的瞬态和稳态性能。最后，通过自适应反步设计，获得了非仿射切换非线性系统的有限时间稳定条件，保证了跟踪误差满足预先设计的性能指标和最终闭环系统的有限时间稳定性。

关键词： 路径跟踪制导   智能控制   移动机器人  

摘要： 移动机器人集群系统因其卓越的任务执行效能和广泛的应用前景,近年来引发了自动化、电子电气和人工智能领域国内外研究学者的高度关注。移动机器人集群系统是以挂载任务载荷的单移动机器人平台为基础,以机器人个体间的通信交互能力为支撑,基于开放式体系架构和人工智能技术等进行构建,具有自主性、低成本、功能可扩展等显著优势,是目前无人技术领域备受关注的研究热点和前沿性课题之一。本论文针对移动机器人协同制导与智能控制话题,以多机器人运动学协同环绕制导及动力学抗扰控制为主线,综合考虑了非规则椭圆曲线恒速环绕、车载通信/采样资源受限、暂态性能增强以及自适应最优控制等实际问题,开展了移动机器人协同路径跟踪制导与智能控制方法研究。具体研究内容包括:1)研究了考虑通信资源受限及暂态性能增强下的多移动机器人协同路径跟踪环绕制导问题。首先,为避免目前主流轨迹跟踪制导框架中存在的参考轨迹时空耦合缺陷,构建了一种路径跟踪制导框架,因其参考轨迹并不涉及与时间相关的参数,相较于轨迹跟踪可获得更加光滑的跟踪效果。其次,为解决多移动机器人通信资源受限问题,研究了一种基于异步的非周期通信方法,借助于事件触发机制及连续时间状态预测器,可在避免芝诺现象发生的前提下,以通信误差略微提升为代价,显著降低移动机器人之间的通信传输频率。此外,为提升移动机器人的协同任务执行效能,设计了一种基于非对称边界函数的新型无超调预设性能控制(Prescribed Performance Control,PPC)方法,通过对路径跟踪误差施加性能约束,能够确保多移动机器人的路径跟踪误差的收敛过程独立于个体初始状态及控制增益并不含有任何超调,实现更为一致的暂态收敛过程,为移动机器人协同任务的时效性提供了有力保障。2)为解决环形轨迹下的多移动机器人协同环绕制导方案观测效能低、应用场景较少等缺陷,基于所提路径跟踪制导框架,研究了更具一般性的椭圆路径导引下的移动机器人协同路径跟踪制导方案。首先,为避免椭圆参考路径下协同相位角间距误差所带来的移动机器人频繁变速问题,巧妙地提出了一种基于协同弧长误差作为协同变量的设计方法,可实现多移动机器人在椭圆参考路径上的恒速观测,有效避免了相位调节所造成的碰撞风险。其次,在前述所设计的无超调PPC方法之上,通过结合具有显性时间调节功能的韩式跟踪微分器,构造了一种无超调指定时间PPC方案,在规避个体制导律参数反复整定的前提下保证了多机器人路径跟踪误差的指定时间收敛能力,显著提升了多移动机器人的协同效能。3)研究了基于事件触发扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的移动机器人动力学控制问题。首先,为提升移动机器人控制系统的鲁棒性,确保在实际扰动环境中移动机器人的速度/角速度实现精准跟踪,针对已有神经网络估计器和模糊逻辑方法所具有的高额计算负担缺陷,构建了具有结构简单、计算简洁和方便调参等优势的ESO用以估计系统的未知不确定性,并通过动力学控制器实现了对集总干扰的主动补偿。其次,为缓解移动机器人传感器采样通道中的信息交互负担,设计了一种固定阈值事件触发机制,相较于已有的事件触发控制方法,所提方案具有简单的参数整定过程,可通过调节预设阈值参数,在不导致芝诺现象的前提下,兼顾动力学控制精度的同时有效节约采样资源。4)为在保证实现移动机器人动力学精准跟踪控制的同时,对其控制能量消耗进行有效优化,研究了带有抗扰能力的移动机器人自适应最优动力学控制问题。首先,构造了ESO用以估计移动机器人系统的集总扰动。随后,依赖于ESO所提供的干扰估计值,通过结合传统的反步控制方法,设计了用以实现动力学稳定跟踪的稳态控制律。其次,基于单层神经网络的自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming,ADP)框架,搭建了可优化控制消耗的优化控制律,需要注意的是由于所提方法只涉及单层的评价网络更新,因此避免了目前主流ADP方法中常采用的执行-评价双层神经网络所带来的高额计算负担问题。最后,将所构建的稳态及优化控制律进行叠加融合得到移动机器人动力学控制输入,实现了跟踪控制精度与控制能量消耗的有效折中。

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。