关键词： 电力变压器   油浸风冷   自适应控制   神经网络   硬件冗余  

摘要： 电力变压器作为整套电力系统中的核心设备,在电力电能的连接、传输、分配中起着关键作用。变压器的运行寿命与其内部温度密切相关,因此变压器冷却控制系统的性能表现对其正常运行至关重要。对变压器现有冷却器控制系统进行分析,存在控制策略单一、冷却器能耗和故障率较高、冷却容量过渡不够平滑等问题,难以满足现有智能变电运维体系的要求。针对这些问题,通过调查统计北方某省500k V的变压器冷却系统,选择其中运用最多的油浸风冷型(Oil Natural Air Forced,ONAF)变压器作为本文研究对象,首先设计了变压器冷却器的控制策略,进一步,设计了基于双CPU型PLC的控制系统硬件及软件系统。首先,建立了油浸风冷式变压器散热与温升的计算模型。针对油浸式自然风冷变压器,研究其内部热量的不同散出方式。分别对热传导、对流和辐射三种情况进行了分析与计算,并建立了变压器损耗与散热量的计算模型。进一步,对变压器的绕组、平均和顶层的温升进行了计算,探究了影响变压器温升的相关影响因素,得到了变压器的温升模型,为冷却器控制策略的改进和优化提供了依据。然后,对变压器冷却器控制策略进行了研究。结合变压器的运维经验和相关运维规程,针对现有冷却器控制系统能耗高的问题,设计了根据顶层油温区间来选择不同控制模式的策略;针对现有冷却器控制系统中冷却器投入不均衡的问题,提出了冷却风机智能轮换投切模式;针对现有三位式控制系统对变压器温控系统控制效果不佳的问题,结合模糊控制、PID控制和神经网络的控制方法,设计了具有自适应功能的冷却器控制器,实现了由顶层油温对冷却风机的投入数量进行控制的功能。最后,完成了变压器冷却器控制系统的软、硬件设计。基于上述控制策略,先进行了硬件设备的选型及设计。重点进行了PLC的硬件冗余组态和相关元器件的参数设计,并进行了现场安装布局设计。进一步,完成了控制系统的软件设计,主要包括控制系统主程序、冷却风机模糊控制程序和风机智能投切子程序的设计,具备监控功能的人机交互界面设计,以实现冷却风机模糊控制和智能投切。本文从变压器现场运维中遇到的多类型问题出发设计了主变压器冷却器的智能控制系统。该系统具有智能程度高,控制灵活方便、温度变化平滑等优点,对新投运设备的设计和旧设备的改造均能够提供借鉴。

关键词： 磁浮列车   速度跟踪控制   BP-ADRC控制器   参数自整定   鲁棒性  

摘要： 磁浮轨道交通具有安全低碳、静音舒适等优点,是我国构建绿色智慧城市交通网络的有益补充,在我国具有广阔的应用前景。磁浮列车速度跟踪控制作为磁浮列车智能驾驶的重要基础,对磁浮列车运行安全、乘坐舒适性及运营效率有重要影响。因此,开展磁浮列车速度跟踪控制器的可靠性研究,能有效提高磁浮列车可靠性及竞争力,夯实我国现代综合交通运输体系的发展基础。精确平稳的速度跟踪控制是磁浮列车全自动驾驶运行过程安全高效的重要保障技术之一。然而,在复杂多变的运行环境因素和磁场力干扰下,传统的列车速度控制方法难以保障磁浮列车的精确平稳速度跟踪控制需求。本文针对磁浮列车速度跟踪控制进行研究,搭建了磁浮列车动力学模型、速度跟踪控制器和速度跟踪控制仿真模型,并进行了仿真实验。本文主要内容如下:(1)详细分析了磁浮列车运行控制相关文献,建立磁浮列车的纵向动力学模型,有效描述列车运行控制过程的非线性迟滞特性。给出了磁浮列车牵引制动特性模型,针对磁浮列车电液混合制动特性关键问题做了详细描述。构建了磁浮列车牵引计算模型和能耗模型,最后介绍了本文仿真环节用到的目标速度曲线。(2)在复杂静磁场力和多变环境因素干扰下,传统的列车速度控制方法难以实现磁浮列车的精确平稳速度控制。本文提出一种基于参数自整定自抗扰的磁浮列车速度跟踪鲁棒控制方法,以解决磁浮列车在复杂干扰下智能驾驶过程的精确平稳速度跟踪控制问题。并且设计了BP神经网络PID控制器和传统自抗扰控制器,并将两者进行对比分析。(3)根据磁浮列车运行特性,搭建磁浮列车速度跟踪仿真模型,然后用基于BP神经网络控制参数估计的自抗扰控制器(Back Propagation Active Disturbance Rejection Controller,BP-ADRC)进行速度跟踪试验,实现列车速度控制过程中自抗扰扩张状态观测器的参数自适应调整。并且与PID、BP-PID和传统自抗扰控制器进行对比分析。通过实验数据分析可知本文提出的BP-ADRC控制器的速度跟踪精度比传统的PID、BP-PID和自抗扰控制器分别提高32.87%、20.96%和16.66%,速度跟踪平稳性分别提高31.45%、19.78%和16.69%。实验结果表明相比传统的列车速度控制方法,本文设计的BP-ADRC控制器在提升磁浮列车速度跟踪控制精确度和鲁棒性方面具有显著优势,验证了本文提出建模和控制策略的有效性和可行性。

关键词： 干腌火腿发酵   物联网   采集系统   智能控制  

摘要： 随着政府部门越来越重视数字农业的建设和发展,物联网作为一项新兴的信息化技术,越来越受到重视并广泛应用在食品与农业生产中。我国传统干腌火腿属于自然发酵肉制品,生产工艺复杂且标准化程度较低,一般中小企业和家庭式作坊,生产干腌火腿发酵过程大多在自然条件下进行,很大程度上限制了火腿的品质和统一性。干腌火腿发酵的环境条件对于火腿的品质好坏有很大影响。基于目前较为成熟的物联网技术,考虑适宜的成本,设计一套干腌火腿发酵环境监控系统,为制定火腿发酵标准化与规范化提供参考,提高干腌火腿发酵环节的科学管理,本文主要研究内容与结果如下:1、设计了干腌火腿发酵环境物联网监控系统的整体方案。通过文献查询和调研访谈等方法,对干腌火腿发酵系统进行需求分析后设计了系统总体方案。2、完成了系统的硬件和软件部分设计。系统采用STM32F103RET6主控芯片,LTE组网方式,针对火腿发酵环境,选择合适的食品级传感器,采集相关环境数据,采用RS485网关,MQTT传输协议,将采集环境信息数据,即时上传至物联网平台存储并进行分析。3、研究建立了火腿发酵室内环境控制策略。本设计采用温湿度PID耦合控制模型来实现,建立温湿度PID控制模型后,通过仿真实验验证其效果,仿真结果表明温湿度PID耦合控制模型控制效果比单温度、湿度PID控制模型更优。4、完成了环境监测数据采集和火腿理化指标检测。系统共收集环境监测数据33568条。监测火腿发酵成熟后,对火腿理化指标进行检验,检验结果表明监测发酵火腿的理化指标符合GB 2730-2015食品安全国家标准,理化品质也与传统发酵火腿的质量相似。通过系统测试,验证了系统各部分功能完整;在实地测试点测试,测试系统能稳定运行、正常监测和采集环境数据;操作便捷,测试效果较好,对科学管理干腌火腿的发酵环节有一定参考价值。

关键词： 欠驱动系统   惯性轮摆   稳定控制   扰动观测器   鲁棒控制  

摘要： 惯性轮摆系统是一个具有两个自由度和一个控制输入的欠驱动机械系统。该系统是人类行走、火箭发射等动态过程的简化物理模型。虽然惯性轮摆系统的物理结构简单,但它却具有强非线性、二阶非完整约束等欠驱动系统所具有的典型特性。因此,学者们常以这个机械系统为对象来研究欠驱动系统的运动控制策略,并以此为基础将研究成果推广到航空航天、机器人等领域内欠驱动机械系统的运动控制中。本文以惯性轮摆这个典型的欠驱动机械系统为对象,深入分析了系统的动力学性态,并提出了稳定控制器、扰动观测器和鲁棒控制器的设计方法。为解决惯性轮摆系统的全局稳定控制问题,本文基于反步法提出了一种稳定控制器的设计方法。首先,为原系统构造一个同胚坐标变换,将原系统变换为一个结构相对简单的新非线性系统。然后,利用虚拟输入与反步递推的方法,为变换后的系统设计了一个Lyapunov函数。最后,通过Lyapunov稳定性理论来分析设计控制器,以此来实现闭环控制系统的全局稳定控制目标。另外,考虑控制系统运行的实际环境,研究了惯性轮摆系统存在匹配外部扰动情形下的鲁棒运动控制问题。首先,根据轮摆系统内部的动力学形态特点,设计了一个扰动观测器,来估计系统的外部扰动。其次,对轮摆系统仍采用上述构造的坐标变换,并利用扰动观测值得到了原系统输入与变换后系统输入的关系,将原系统的鲁棒控制问题转化为了新系统的稳定控制问题。然后,针对变换后的非线性系统,利用Lyapunov函数、近似线性法和控制器切换的思想来设计控制器,将系统渐近稳定在原点处,进而使得存在外部扰动情形下惯性轮摆的鲁棒控制问题得以解决。

关键词： 电力网   经济运行   储能系统   电力用户侧   自适应控制   Stackelberg博弈  

摘要： 电力是经济活动的重要物质基础，随着经济的发展，电力系统运行的安全性、经济性正面临着愈发严峻的全方位挑战。越来越多的敏感负荷对电能质量提出了愈加苛刻的要求;日益增大的峰谷差、新能源波动性、发用不匹配等现象逐渐成为电力系统经济运行的瓶颈。如何使用储能系统保障敏感负荷的运行安全，如何高效利用储能系统在复杂电价制度下充分调动电力用户参与需求侧响应的积极性，提升源网荷储多元互动水平，成为必要的研究主题。针对这些问题，本文的研究内容及贡献如下:　　1.保护负载的单相储能系统自适应保性能控制技术:为了保障敏感负荷的运行安全，本文使用非线性误差映射函数与反步法，设计了一种包含谐波抑制的单相储能系统自适应保性能控制技术，保障了其输出电压始终满足预先设定的上下限要求，从而保证了敏感负载的运行安全，同时降低了输出电压的总谐波失真,提高了储能系统的输出电能质量;2.电网为了提升其运行经济性、减轻自身压力，针对电力用户提出了分时电价、需求收费等复杂电价制度以引导其用电行为。在此背景下，为了提高用户侧储能系统的经济性、提升源网荷储多元互动水平，本文提出了两种基于运营商-用户Stackelberg博弈过程的用户侧共享储能系统运行模式，保障了用户的需求侧响应自主决策权，提升了用户用电成本节省效果，还在此基础上探索了用户侧共享储能系统为电网侧提供辅助服务的能力:　　1）侧重用户利益保护的、基于储能容量交易的复杂电价制度下共享储能系统运行模式:本模式中，共享储能运营商向用户出租储能容量，各用户自主决定每月租赁的储能容量及其充放电调度策略。本模式相比另一模式，对用户的降费效果有更优的保障;2）侧重架构简洁的、基于电量交易的复杂电价制度下共享储能系统运行模式:本模式中，共享储能运营商向用户售卖电能，各用户自主决定各时段的购电策略。本模式相比另一模式，架构更简洁，用户所需操作更少、决策更简单。　　本文使用了双层优化与算例分析的方法分析了上述两种模式的可行性与经济性，使用MPEC与多种线性化方法将非线性的双层优化模型转化为MILP模型以便求解。

关键词： 非线性信息物理系统   欺骗攻击   自适应容错控制   事件触发策略   神经网络技术  

摘要： 随着计算机科学、人工智能及自动化技术的发展与交叉融合,由网络和物理组件组成的非线性信息物理系统(CPSs)在实际中得到了广泛应用,这使得对其研究具有十分重要的实际和理论意义。另一方面,非线性系统的自适应控制已经成为控制领域的一个研究热点,特别是针对非线性CPSs如何构造有效的自适应控制策略更是获得了众多学者的研究兴趣。由于通信网络高度的开放性,非线性CPSs不可避免地存在一些安全隐患,例如拒绝服务攻击,欺骗攻击,重放攻击等。因此,如何消除欺骗攻击的影响并保证非线性CPSs的稳定性是一个十分具有挑战性的课题。本文研究了欺骗攻击下两类非线性CPSs,通过提出新颖的坐标变换技术并利用攻击后的状态设计相应的控制器,构建了自适应控制算法,实现了非线性CPSs的安全控制。具体工作如下:(1)针对一类具有欺骗攻击和执行器故障的非线性严格反馈CPSs,提出了两种新的自适应容错安全控制方案。首先,由于欺骗攻击改变了系统真实状态,使得实现欺骗攻击下非线性CPSs的跟踪控制是一个十分困难的问题,并且相关成果较少。因此,提出了一个防御欺骗攻击的自适应容错跟踪控制算法。通过设计将参考信号和攻击增益同时考虑在内的新颖坐标变换,确保了系统的跟踪控制和稳定性。介绍Nussbaum技术来消除欺骗攻击对非线性CPSs的影响并释放了攻击增益符号的限制。通过backstepping过程可以得到闭环系统内的全部信号都是有界的,同时系统的输出可以跟踪上期望的参考信号。其次,对欺骗攻击提出了更一般假设,设计了一个新的自适应容错安全控制方案,保证了遭受攻击系统的稳定性以及闭环系统中的所有信号都是有界的。最后,所提出两个算法的有效性都被仿真实验所验证。(2)针对一类带有欺骗攻击、执行器故障和时变时滞的非严格反馈非线性CPSs,提出了一种基于事件触发策略的自适应控制方案。首先,针对欺骗攻击介绍合理的假设,并给出改进的坐标变换方法,消除了欺骗攻击给控制设计带来的困难。通过在backstepping过程中设计自适应律,有效的解决了执行器故障的影响。其次,分别采用LyapunovKrasovskii函数和神经网络逼近技术补偿未知时滞项和处理建模的不确定性。进一步的,介绍相对阈值事件触发策略,利用被攻击的状态构造一种新的事件触发控制器,确保通信资源仅在满足触发条件时才会被传输,从而节省网络带宽。理论结果表明,所提出的控制策略可以确保信号在闭环系统内是半全局有界的。最后,仿真实验证明了所提出策略的有效性和实用性。

关键词： 虚拟同步发电机   负荷虚拟同步机   虚拟同步化微电网   虚拟惯量   自适应控制  

摘要： 随着社会和工业的不断发展,分布式新能源以微电网的形式大规模接入现代电力系统,以电压源型逆变器为代表的电力电子设备也在逐渐取代传统同步发电机的位置,使得现代电力系统正逐步朝着“高比例可再生能源”和“高比例电力电子装置”的双高方向发展。但以新能源为主体的微电网由于缺乏惯量支撑,无法有效平衡电压和频率的波动,会严重威胁微电网系统的稳定运行,而大量波动的微电网甚至对电力系统正常运行造成巨大影响。为了提升微电网系统的惯量水平,为现代电力系统稳定运行提供支撑,本文提出一种具有自主惯量响应能力的虚拟同步化微电网,微电网内部全部逆变型与整流型单元均采用虚拟同步控制方法,能够模拟同步机的物理特性,又应用基于最优自抗扰的惯量自适应控制方法,实时响应微电网在波动各阶段不同的惯量需求,提高了系统的鲁棒性,加快了响应速度,为微电网提供了稳定的电压与频率支撑。本文的主要工作如下:首先,基于虚拟同步发电机与负荷虚拟同步机的基础控制算法,分析了虚拟励磁控制器和虚拟转子控制器的输出阻抗特性,总结虚拟阻抗和同步机下垂特性的相同点。接着,针对虚拟同步发电机的特点,设计了一种自抗扰、实时调整的自适应控制器。与传统固定参数控制和上下界控制相比,自抗扰控制器能够快速有效地响应系统扰动,提高了系统的鲁棒性。仿真与实验结果皆验证了自抗扰控制方法对系统频率稳定的作用。最后,建立虚拟同步化微电网系统,引入电力系统最小惯量需求的概念,对微电网系统最小惯量需求进行评估与补偿。当扰动发生时,基于虚拟同步控制技术的分布式发电单元、储能单元和负载单元都会根据惯量需求实时改变自身惯量大小,使得惯量之和始终达到微电网系统的最小惯量需求。仿真与实验结果也验证了所提虚拟同步化微电网系统不仅能够实时满足最小惯量需求,并且保障了微电网系统稳定运行。

摘要： 随着科技的不断发展,多传感器融合技术和智能控制理论在视频音效处理领域的应用日益广泛。本文旨在设计一种基于多传感器融合技术的视频音效智能控制系统,以满足系统功能和性能需求,并实现音效与视频内容的协同控制。

关键词： 永磁同步电机   无位置传感器控制   高频方波随机注入   级联扩张状态观测器   相电流重构  

摘要： 永磁同步电机具有功率密度高、运行效率高等显著优势,已广泛应用于电气化交通、航空航天以及智能家电等重要领域。在许多应用场合中,由于电机内部空间紧凑或运行环境复杂恶劣导致位置传感器难以安装,因此研究永磁同步电机无位置传感器控制技术具有重要的理论意义和应用价值。目前,低速域运行性能提升仍然是永磁电机无位置传感器控制系统的技术挑战之一,高频信号注入方法是实现低速运行控制的有效技术路线,其主要存在以下关键问题:高频注入法引起的附加噪音影响系统运行适应性,单电阻采样方式在低速非重构区导致系统控制性能降低,复杂工况下系统抗扰性能需要进一步提升等。因此,高频信号注入法鲁棒控制策略还需进一步深入研究,对实现高性能永磁电机无位置传感器驱动系统的推广应用具有重要意义。针对空调永磁压缩机驱动系统,本文围绕其低速运行高频信号注入无位置传感器鲁棒控制策略进行研究。 针对传统固定频率高频信号注入法导致噪音较大的问题,本文提出一种基于随机初始相位高频方波电压信号注入的无位置传感器控制方法。根据随机脉冲宽度调制的思想,构建随机概率选择机制,将不同初始相位的多个高频方波电压信号随机注入到永磁电机定子绕组中,以扩展高频能量谱的频率分布范围,从而降低所激励电流产生的附加高频噪音。研究了一种基于高频响应电流增量信息提取的转子位置估计方法,有效适应了随机初始相位注入方式对信号处理的特殊要求。并通过电流功率谱密度理论,分析了固定频率高频信号注入法和所研究随机高频电压信号注入法产生高频噪音的差异,从理论上阐明了所研究方法拓展高频能量谱的机理。实验结果表明,该方法可以在满足无传感器低速稳定运行的条件下,降低了高频信号注入导致的附加噪音。 矢量移相调制策略是解决单电阻采样的低成本永磁同步电机驱动系统低速运行存在非重构区的有效方法,但是由于数字控制系统的分时采样特性,导致低速运行区域存在明显的电流重构误差。针对单电阻采样无位置传感器永磁同步电机驱动系统,本文提出一种基于开关周期内局部平均电流变化率估计的相电流重构误差抑制方法。由于不同扇区内电流误差特性差异较大,通过比较实际采样点和理想采样点,对基于电压矢量移相的单电阻采样系统在低速区引起的电流纹波和重构误差进行建模和分析。进而,根据理想采样点与实际采样点之间的电流纹波特性,通过采样值快速获得更准确的电机相电流信息。该方法无需改变电路拓扑结构,并且不会增加调制策略的复杂性。相较于传统方法,所提出的方法在获得电流变化率时无需对含有转子位置信息的电感矩阵求逆,相电流采样误差补偿过程被简化,减少了控制芯片的计算负担。实验结果表明,所提出的方法可以有效改善电机相电流重构性能,降低电机电流谐波含量。 自抗扰控制理论在提升永磁电机无传感器控制系统鲁棒性方面具有独特的优势。然而,传统线性和非线性自抗扰控制策略在复杂工况下对抑制不同形式扰动具有各自的局限性。为了进一步拓宽自抗扰控制策略对扰动信号的抑制能力,提高永磁电机无位置传感器控制系统的鲁棒性,本文提出一种基于变增益非线性误差描述函数(efal函数)的级联自抗扰控制策略,以改善电机转速环控制性能。所研究的非线性efal函数可结合线性函数和指数函数的优势,有效抑制位置观测器误差,提高自抗扰控制策略对驱动系统扰动量的观测效果。在此基础上,采用级联扰动观测方式保证对扰动信号的快速估计和补偿,并从描述函数、幅频特性、扰动补偿性能和系统刚度的角度,论证了所提出方法对系统鲁棒性的改善效果。实验结果表明,所研究方法可以有效抑制永磁同步电机无位置传感器控制系统扰动的影响,降低了转速环超调和响应时间,改善了系统的动态响应能力。 在上述研究基础上,通过基于瑞萨主控芯片的单电阻采样永磁同步电机驱动器实现所研究算法,对随机高频方波电压信号注入的转子位置观测器、基于电流变化率估计的电机定子电流重构策略、基于级联扩张状态观测器的自抗扰控制策略进行集成,通过实验平台验证了所研究方法的有效性,并在变频空调系统中对所研制的驱动器进行工程化应用研究。通过工况室测试表明,所研究的永磁同步电机无位置传感器控制方法具有较好的性能。