关键词： 污水处理   敏感性分析   智能控制   溶解氧   脱氮  

摘要： 污水生化处理过程具有多变量、强耦合、大滞后及强非线性等特征,加上运行过程中发生的诸多复杂生化反应,使得难以准确的构建出数学模型,这些不可测的因素大大增加了系统的不确定性,常规的控制方法难以满足控制要求。本文针对以上问题,以污水处理过程中出水总氮的含量为优化目标,运用全局敏感性分析方法对不确定性参数进行敏感性评估,且针对影响出水总氮的关键变量,通过研究智能优化和控制方法,提出有助于污水脱氮的智能控制策略。以下是本文的主要研究内容:1.针对污水处理过程中被控变量选取的问题,通过将傅里叶幅度敏感性测试(Fourier amplitudes sensitivity test,FAST)方法与神经网络构建的元模型相结合对系统输入参数进行全局敏感性分析。首先关于出水总氮对其相关变量进行全局敏感性分析,筛选得到其中敏感度较高的元素;接着关于出水中氨氮和硝态氮对好氧池和缺氧池中的相关变量进行敏感性分析,将结果结合活性污泥池的工艺机理分析得到高敏感度参数与输出间的作用关系;最后关于出水总氮对筛选得到的不同活性污泥池中的被控变量进行全局敏感性分析,选出其中敏感度较高的变量进行控制。2.针对污水处理过程中溶解氧浓度难以控制的问题,将基于遗传算法优化的神经网络PID控制器(GA-BP-PID)用于溶解氧控制器的设计当中。其原理为根据闭环系统误差通过BP神经网络动态调节增量式PID控制器参数,遗传算法用于对网络初始权值进行寻优以提高控制器收敛性能。相比传统的PID控制,GA-BP-PID初始收敛速度更快,拥有更强的自适应和快速响应能力。3.针对污水处理过程中氨氮浓度难以控制的问题,提出一种基于遗传算法优化的自适应神经网络滑模控制方法(GA-RBF-SMC)。首先通过非线性系统模型设计出理想的滑模控制器,而后通过采用径向基神经网络(RBFNN)实现对理想滑模控制器控制率的估计,最后基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论,证明了该控制器作用下系统的状态变量、输出变量及网络权值具有半全局有界性。其中,遗传算法用于对控制器的参数进行寻优。实验结果表明,所提出的控制器相比传统的PID控制器具有收敛快,稳定性高,鲁棒性强等特点,且与二阶非线性自抗扰控制器相比也有更好的抗扰动能力。4.针对污水脱氮过程能耗高、效益低的问题,提出双回路脱氮控制系统,通过对污水处理过程中氨氮和硝态氮浓度进行控制,来实现脱氮效率的提高。将所提出的控制策略在BSM2平台上进行仿真实验,结果表明所提出的控制策略相较于原系统能够以更低的曝气能耗获得更好的脱氮效果。最后,总结了本文的主要研究工作、成果及不足之处,并对未来的研究方向作出展望。

关键词： 船舶轨迹跟踪   有限时间控制   终端滑模控制   自适应控制   扰动观测器  

摘要： 随着我国海洋经济的蓬勃发展和海洋强国的建设,船舶作为大洋资源勘探、海上运输和海防建设等领域的重要载体,其操作的有效性和安全性的要求正在不断提高。由于拥有易受外部干扰、模型参数不确定性和内部状态较难测量等特点,船舶作为一类复杂的非线性系统,其控制是非常具有挑战性的。因此,对船舶运动的控制算法研究十分必要,其中,轨迹跟踪作为船舶的基本控制问题吸引了众多学者的关注。滑模控制由于其响应速度快、对系统扰动和不确定性的鲁棒性强等特点,已成为船舶系统的有效控制策略。同时,为了从收敛时间方面提升系统的控制性能,有限时间控制方法的引入具有实际工程意义。因此,本文主要对船舶系统有限时间滑模控制算法进行研究分析,主要内容如下: 1)针对三自由度船舶误差系统的有限时间轨迹跟踪控制问题,分别讨论对比了三种滑模控制方案的性能。首先,基于传统线性滑模设计控制器对船舶系统进行控制。接着,引入带有非线性项的终端滑模,使系统在参数变化时拥有更强的鲁棒性和更快的收敛速度,然而这会带来奇异性问题。因此,引入非奇异终端滑模控制方案,解决奇异点问题并降低控制输入的抖振。最终,依据李雅普诺夫稳定理论,证明了在有限时间内,各个鲁棒有限时间控制器能够保证船舶实际位置和速度的跟踪误差稳定在原点附近。 2)针对船舶轨迹误差系统,考虑干扰和模型参数不确定性、跟踪误差不能有限时间收敛以及依赖于不确定上界先验信息的问题,提出一种基于自适应滑模干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制方法。首先,提出了一种非奇异快速终端滑模用以设计观测器和控制器。其次,使用双层自适应方案来逼近观测器中不确定性的上界,设计了增益自适应的滑模干扰观测器用于估计集总扰动。然后,将估计值加到控制器上,使得控制系统能够有效地补偿集总扰动的不利影响,系统状态在有限时间内收敛。最终,在扰动相关界限未知的情况下,所设计的控制方案能够在有限时间内使得船舶实现对期望轨迹的高精度跟踪。

关键词： 岩巷掘进机   截齿截割阻力   有限元仿真   RBF神经网络   PID控制   联合仿真  

摘要： 超重型岩巷掘进机截割对象是包含硬度等级很高且变化范围较大的煤岩,其工作负荷大,施工环境恶劣,煤层特性不仅硬还复杂多变。在截割过程中,截齿承受频繁交变的冲击载荷,易导致截齿磨损、断裂、脱落,严重影响掘进机的截割效率和进给速度,大大降低掘进机的使用寿命。因此,本文提出了一种针对超重型岩巷掘进机的截齿动载荷平稳性智能控制方法,实现了依据截齿截割阻力对截割头转速与摆速的自适应调节,使截齿的截割阻力在允许范围内,该研究具有重要意义。通过查阅国内外相关的文献资料,发现国内外截割头自适应调速大多依据截割电机电流大小、液压油缸压力大小以及截割头振动信号等,很少有对截割过程中截齿受力进行分析并依据截割阻力大小进行调速的研究。因此,为了实现截齿动载荷平稳性智能控制,本文进行了以下方面的研究:首先本文对掘进机的截割机构、截割过程与原理进行了深入的了解,并分析了截割机构在不同截割状态下的动力学特性。根据掘进机截割头载荷计算公式,选取了影响截割头载荷的主要因素,包括截割工况、煤岩硬度、截割头入深、转速、摆速或钻进速度等。依据纵轴式掘进机的截割头设计数据,在MATLAB中编写了截割头载荷模拟程序,并详细分析了各因素对截齿截割阻力与截割头载荷的影响规律,并得出在截齿截割阻力控制的过程中需要控制截割头转速与摆速,为截齿动载荷平稳性智能控制提供依据。为了模拟真实的截割工况,得到截割过程中截齿受力的分布规律,选择有限元仿真对截割头截割煤岩进行了仿真。首先对单齿截割试验进行了建模仿真,验证了有限元仿真的可行性。随后针对不同截割工况、不同截割深度、不同煤岩硬度分别建立了截割头截割煤岩的三维模型,进行了有限元仿真。对仿真结果中每个截齿的截割阻力以及截割头负载转矩进行了统计分析。由于理论计算中每个工作截齿的截割阻力大小相同且准确性较低,因此运用有限元仿真得到的结果对截齿截割阻力计算公式与截割头负载转矩公式进行了修正,用于对截齿动载荷的控制中。通过对截割电机与截割部液压油缸进行分析,得出了截割头转速与截割电机转速、截割头摆速与液压油缸伸缩速度间的关系。并分别运用MATLAB与AMESim建立了截割电机变压变频控制模型与截割部液压系统模型,实现了对截割头转速与摆速的控制。依据多目标优化模型给出了掘进机在不同煤岩硬度下的最优截割参数,在模型中限制了截齿所承受的最大截割阻力与截齿损耗量的大小,保证截齿在煤岩硬度不变的情况下受力不超过额定值。通过结合多目标优化模型,提出了基于RBF-PID的掘进机截齿动载荷平稳性智能控制方法的整体方案。并在MATLAB与AMESim中搭建联合仿真模型,通过联合仿真验证了该方案的可行性。

关键词： 运载火箭  

ISBN: (纸本)9787515923291

摘要： 本书共5章, 内容包括运载火箭“智能赋能”技术、运载火箭“机能增强”技术、软件定义运载火箭智能控制系统、运载火箭智能控制系统发展, 着重论述感知识别、规划制导、姿态控制、电气综合 (单机、硬件)、软件设计过程等。

关键词： 下肢运动康复   下肢外骨骼机器人   多模态融合   自适应控制   导纳柔顺控制  

摘要： 中国庞大的人口基数及加速的老龄化趋势催生出了巨大的脑卒中康复患者群体和日益增长的运动训练康复需求,而当前国内康复发展水平还不高,人均康复资源相对短缺。大力发展康复机器人是解决当前康复问题的有效解决方案,尤其是发展帮助下肢康复患者恢复行走能力的下肢康复机器人。目前的下肢康复机器人还依然面临着反馈信息少、关节运动协调性不足、控制方法滞后和训练模式单一等问题,本课题研发了一款集成程度高、多传感反馈、功能多样的智能下肢康复外骨骼机器人系统。系统采用多模态信息融合方法提供实时精确全面的信息反馈,构建了髋、膝、踝主动协同与躯干及重心多自由度主动辅助机构,结合多种自适应控制算法,实现多样个性化的康复训练模式,以提升下肢康复效率和效果,帮助下肢失能患者更快地恢复下肢运动功能。本文的主要工作及贡献如下:第一,根据下肢关节的驱动原理,提出了关节驱动和下肢步态生成的方法。通过膝关节额外力矩运动驱动方法,成功地实现了膝关节的屈伸运动,证明了外力矩驱动膝关节有效性。提出了下肢多关节力矩辅助生成下肢步态的方法,实验结果验证外力矩辅助驱动人体下肢关节生成步态的方法是可行的和有效的。第二,针对现有的下肢康复训练模式单一、下肢关节协同性不足与躯干运动缺乏等问题,研发了一套多康复模式的下肢关节主动协同训练与躯干运动辅助的下肢康复外骨骼机器人系统。提出了多自由度躯干运动辅助和全面的下肢协同运动辅助以及分层控制软件架构方案。分析并求解了系统运动机构的正逆运动学,建立了运动辅助机构的动力学模型,为系统运动控制研究奠定基础。测试和仿真结果验证了外骨骼机器人的运动空间与人体下肢运动空间重叠,能够满足人体下肢及躯干运动的康复需求。第三,针对下肢传统的康复训练反馈数据单一、不及时和不直观的问题,提出了多源信息感知监测网络。面对复杂的使用环境和多种噪声干扰问题,应用卡尔曼滤波理论,提出了多模态融合算法,提升了传感器检测的可靠性和测量精度。结果验证了所设计传感器监测网络及滤波和融合算法的有效性。第四,针对下肢康复训练时躯干运动不协调、手动示教低效不精确、被动训练运动精度差、主动训练柔顺性不足等问题,提出了四种运动康复训练模式。首先,针对重心起伏运动和躯干运动训练问题,提出了能适应患者体重的参数自适应控制策略以及RBF自适应控制策略对患者重心和躯干偏移偏转运动提供辅助。其次,针对手动示教康复训练的弊端,提出基于Kinect相机视觉示教的方法实现下肢的个性化可重复的康复示教训练。再次,针对被动康复步态精度低鲁棒性差的问题,提出了模糊自适应控制策略来跟踪个性化的康复步态。最后,针对主动柔顺康复步态训练问题,提出了基于人机交互力的导纳柔顺控制策略。通过仿真和实验验证了所提出了控制策略的有效性,系统运动辅助功能可以稳定可靠的运行,能够满足下肢康复的运动训练需求。本文从下肢驱动原理出发,结合下肢康复机器人的问题和设计需求指标,搭建起一个完整的下肢康复外骨骼机器人系统研究平台,设计了一个用于感知康复运动过程和状态的多模态监测网络。通过多种自适应控制算法和导纳柔顺控制算法,实现了躯干重心、下肢示教、被动训练和主动柔顺辅助等康复训练模式,仿真和实验结果验证了所设计的下肢康复外骨骼机器人系统和控制算法的可行性和有效性。

关键词： 机器视觉   PLC   LabVIEW   智能控制   智能识别  

摘要： 中国茶叶产量居世界首位,而茶叶分级对茶叶质量的控制尤为重要。在茶叶加工过程中,根据茶叶原料容重的不同使用风选机进行分选,从而提高茶叶品质。但目前的茶叶风选机只能依靠人工判断物料种类和含杂率并调整其参数,存在主观性强、茶叶分选误差大等问题。因此,风选过程中茶叶物料的智能识别与和风选机的智能调控亟需实现。针对以上问题,本文搭建了一款茶叶风选试验台并基于机器视觉和PLC控制技术设计了茶叶风选机智能控制系统。本文的主要研究内容和试验结果如下:(1)完成了茶叶风选试验台的搭建。首先搭建了茶叶等级识别机构,实现茶叶图像采集,为茶叶等级识别系统提供硬件基础。然后搭建了风选机构,通过调节振动喂料器频率、风机频率和分隔板位置,实现茶叶的分级。(2)设计了茶叶等级识别系统。首先完成了茶叶原料数据集的构建,然后使用Faster R-CNN、SSD和YOLOv5s模型分别对该数据集进行训练,并对比分析了三种模型的试验结果,最终选择表现最佳的YOLOv5s模型进行茶叶等级的识别。(3)利用PLC控制技术实现了风选试验台的自动化调控。完成硬件选型、PLC梯形图程序设计、各执行机构控制电路设计和搭建试验台电气柜。通过联机调试,完成对振动喂料器频率、风机频率和分隔板位置的调控。(4)搭建了茶叶风选机智能控制系统。首先利用Lab VIEW上位机对茶叶等级识别系统的数据进行采集,然后将数据发送给风选试验台控制系统,进而自动调节试验台的振动喂料器频率、风机频率和分隔板位置,最终实现茶叶风选机的智能化调控。(5)完成了风选试验台参数调节试验。采用单因素试验分别找到振动喂料器频率、风机频率和分隔板位置这三个影响因素的最佳范围,再通过正交试验验证获得最优参数。以白茶原料进行试验,结果表明,当优质白茶占85%时,设置振动喂料器频率为11Hz、风机频率为18Hz、分隔板移动位置右移3cm,风选效果最佳,优质白茶的含量达到95.68%。当次级白茶占85%时,设置振动喂料器频率为12Hz、风机频率为20Hz、分隔板移动位置右移3cm,风选效果最佳,次级白茶的含量达到95.43%。(6)完成了风选机智能控制系统验证试验。试验结果表明,风选试验台运行稳定,该系统能够快速识别茶叶物料等级,准确率能达90%以上,并且茶叶风选试验最优结果与正交试验预测的结果仅有0.4%的误差。验证了茶叶风选机智能控制系统的可行性,为茶叶风选环节的智能化控制提供了技术支撑。

关键词： DC-DC升压变换器   非线性控制   DSPACE控制器   积分滑模控制器   二阶滑模控制器  

摘要： DC-DC升压变换器是开关电源中一种广泛应用的技术,它可提供电气隔离,并通过控制器对电压进行调节,以实现所需的稳定输出电压。这种调节可以提高工业系统的稳定性,优化电力系统的效率和质量,提高电力转换效率。因此,DCDC升压变换器在现代工业系统中起着重要作用。早期有人主要采用基于线性化模型的线性控制方法研究升压变换器的稳定问题。然而,由于升压变换器系统模型的强非线性、参数变化和外部干扰的存在,这些方法的控制性能不够令人满意。为了获得更好的性能,越来越多的控制领域专家开始研究非线性控制策略,以获得更快的响应速度、更小的稳态误差和更好的抗干扰性。然而,设计一种高性能的DC-DC升压变换器系统是一项具有挑战性的工作。本文针对受线路和负载不确定性影响的DC-DC升压变换器,采用先进的控制算法实现强的抗干扰能力和快速跟踪能力。主要工作内容包括以下几个方面:首先,通过等效变换推导出升压变换器的等效动态模型,但该模型不能准确反映实际状态,因此在平均模型的基础上建立了更加精确的数学模型,考虑到了升压变换器存在的干扰。其次,给出基于升压变换器系统的整体平台安排,搭建了一个基于DSPACE的实验平台,内容包括设计出硬件电路,并对每个电路模块进行分析。同时,介绍了DSPACE控制器,利用控制器实现了PID的控制算法。然后,考虑前面建立的数学模型,提出了积分滑模和二阶滑模控制器,并根据升压变换器系统模型证明了控制算法的稳定性,通过仿真和实验验证了控制算法的可行性。最后,为了解决传统二阶滑模控制器存在的缺点,提出了先进的二阶滑模控制策略应用在升压变换器系统中。通过仿真与实验表明了提出的控制算法明显改善了传统二阶滑模的缺点,具有很强的鲁棒性。

关键词： 柔性机械臂   低冲击切割   末端执行器   自适应控制   轨迹规划  

摘要： 随着各国空间技术发展，航天器发射数量逐年上升，故障航天器也越来越多，由于航天器高昂的造价和发射成本，失效航天器给各国带来了巨大的经济损失和时间的浪费，对故障航天器的维修任务也被给予更多关注。由于维护任务的复杂化和维修需求的增加，相较于航天员出舱维护的高风险、高成本，空间机械臂以其灵活度高、安全性好等优势在维修操作中的应用日益广泛，同时机械臂在完成相关维修任务操作时需借助末端执行器的帮助，随着机械臂控制技术的逐渐成熟，针对特定维修任务的机械臂末端执行器被大量研制。切割是维修作业的常用操作，鉴于任务环境的特殊性，本课题研制应用于维修任务的机械臂末端低冲击切割工具，并基于仿真对机械臂的控制策略进行研究，最后基于实验台和机械臂，完成多材料的切割测试，验证了工具的可用性。　　本文首先针对多种材料切割的目标、操作机械臂柔性过大的因素，研制低冲击切割工具。依据所切割材料特性，确定整体方案，进行传动部件的设计与校核，为避免冲击对工具和工具与机械臂的连接产生影响，在传动系统中设置了扭簧;为解决切割多余物碎屑在真空环境中飞溅影响末端相机和机械臂结构，设计了角度自适应防尘罩，对切割工具的关键零部件进行强度校核，验证了工具设计的合理性。　　其次构建基于机械臂的切割任务机器人仿真系统，针对柔性机械臂任务操作，提出面向连续切割的控制策略。对七自由度冗余机械臂的运动学和动力学进行模型构建，完成了机械臂轨迹规划，采用位置和姿态阻抗实现机械臂的主动柔顺，使用直接力控制进行力跟踪，自适应控制律保证运动内环关节轨迹准确，最后提出切割过程的控制策略，通过仿真验证了切割策略的有效性。　　最后，基于六维力/力矩传感器搭建了三自由度切割模拟试验平台，针对太阳能基板（多层多材复合）、碳纤维板、碳纤维杆及铝合金复合材料蜂窝板进行切割试验，验证了切割工具多材料切割的可行性，进行了不同切割工具转速和机械臂进给速度的切割能力测试试验，得到面向不同材料的有效切割数据。在此基础上，基于7自由度柔性机械臂和气浮平台，按照飞行件工况进行切割试验，使用机械臂辅助进行切割实验，实验验证了切割工具设计的有效性。

关键词： 有源电力滤波器   无谐波检测   负载自适应   重复控制  

摘要： 随着电力系统中电力电子设备使用的增多,电力系统谐波问题日益突出。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)在谐波治理方面具有能够灵活、实时地补偿谐波、动态性能好等优点,在谐波治理领域广受关注。传统谐波电流注入法的APF因谐波检测环节的存在,其中的低通滤波器带来的检测误差会影响电流的跟踪控制精度。针对这一问题,本文提出一种基于基波电压检测方法的控制原理,避免了谐波检测环节带来的误差,并对电压跟踪控制策略进行研究。本文在对传统谐波注入型APF的结构及原理分析的基础上,针对谐波检测环节所固有的检测误差,提出一种基于基波电压检测的控制方法。通过对其控制原理的分析,得出基波电压检测法的满足条件。APF控制系统采用双闭环控制策略,并以电流内环比例控制器和电压外环比例积分(Proportional Integral,PI)控制器为例,通过对等效谐波传递函数的分析,得出在固定负载的工况下,基波电压检测法的满足条件,据此得到内环比例控制器参数的取值范围,并通过仿真验证了所提方法的有效性。针对所设计的APF在PI控制下负载变化时鲁棒性较差的问题,引入重复控制对电压的跟踪控制做进一步研究。而基本重复控制的内模稳定性不高,同样无法适应负载的变化,本论文提出一种改进重复控制方法,通过在内模的反馈通路串联反馈增益系数Q(z)增加了系统的稳定性。针对重复控制本身存在一个基波周期的延迟的问题,采用PI控制和改进型重复控制串联构成的复合控制策略对基波电压进行跟踪控制,通过对控制参数的设计满足在负载变化时的自适应要求。最后在MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证了基波电压检测控制方法的滤波可行性,实现了在阻性、阻感性、阻容性三种不同负载特性下的复合控制策略的滤波有效性,并且通过对负载变化过渡过程的分析验证了该控制方案的自适应性,最后通过仿真验证了该复合控制方法具有较好的频率适应性。

关键词： 非线性脉冲系统   最优控制   鲁棒控制   数值计算   批式流加发酵  

摘要： 1,3-丙二醇(1,3-PD)是一种重要的有机化合物。微生物发酵生产1,3-PD是一种环境友好,效率较高的生产方法,微生物批式流加发酵广泛应用于工业化1,3-PD生产。本文以微生物批式流加发酵生产1,3-PD过程为背景,研究了一类非线性状态依赖脉冲系统的最优控制问题,主要内容包括:1、在批式流加发酵生产1,3-PD的过程中,当甘油浓度达到临界值时,会发生甘油和碱的脉冲,以提供足够的营养和适宜的发酵环境。据此,提出了一个非线性状态依赖脉冲控制系统来描述该过程,其中流加过程中流加的甘油体积和发生脉冲时甘油的临界浓度为控制变量。并讨论了该控制系统的一些重要性质。然后,分析了系统状态对动力学参数的灵敏性。进一步,以1,3-PD产量为性能指标,提出了一个含有连续状态不等式约束的最优脉冲控制模型,并证明了最优脉冲控制的存在性。此外,使用精确罚方法将该问题转化为一个只有盒式约束的罚问题。为了求解这一问题,提出了一种改进的差分进化算法来寻求最优脉冲策略,通过数值例子验证了所提出的改进差分进化算法的有效性。进一步,将改进的差分进化算法用于求解最优脉冲控制问题。数值模拟结果表明,通过应用最优脉冲策略,在标称参数值下,1,3-PD的产量显著增加,并且关键动力学参数的扰动对最终1,3-PD的最优产量有显著的影响。2、考虑到发酵过程中存在的时滞现象,为了更好的描述实际生产,提出了一个状态依赖脉冲时滞系统来描述批式流加发酵生产1,3-PD的过程。针对批式流加发酵过程中含有不确定的动力学参数,提出了一个鲁棒最优脉冲时滞控制问题。其中,甘油流加时的脉冲体积和发生脉冲时甘油的临界浓度为控制变量。在目标函数中,同时考虑了1,3-PD的产量和该产量关于动力学参数的灵敏度。通过约束转换技术,将该问题转化为仅具有盒式约束的罚问题。在此基础上,设计了一种并行优化算法来求解转化后的罚问题。数值结果表明:考虑灵敏度时,系统的鲁棒性大为提高,同时不会对1,3-PD的产量产生较大影响。