关键词： 非线性多智能体系统   自适应控制   未知控制方向   全状态约束   神经网络  

摘要： 多智能体系统是分布式人工智能的重要分支,利用智能体之间的局部通信和协同作业实现了控制能力大幅增强,从而可以完成单个系统难以达成的复杂目标,具有更高的灵活性、鲁棒性。经过一定时间的发展,多智能体系统已经被广泛应用于多个领域,如军事领域中多无人机协同作战和侦查、舰艇编队巡航和机器制造领域中多机械臂协同作业等。然而,在这些多智能体系统的实际应用中,通常会受到由实际运行环境中存在的不确定性所带来的限制干扰。为了解决这些问题,需要研究具有不确定性条件下的多智能体系统协同控制方法。本文旨在研究不同不确定性条件下有效控制非线性多智能体系统,以提高其鲁棒性、稳定性和安全性。具体而言,本文将结合Backstepping、神经网络等技术,通过建立合适的模型和控制方法,使其在实际应用中发挥更好的作用。具体如下:(1)具有未知控制方向的多智能体分布控制:在具有干扰和未知参数的条件下,研究了具有不确定性和未知控制方向的网络化非线性智能体的分布控制问题。即智能体动态中高频增益的符号未知,由非线性阻尼技术设计的Nussbaum型自适应控制器保证网络的一致性的同时还保证整个系统是有界的。每个智能体的控制器由一个自适应寻找控制方向的Nussbaum项、一个使系统一致的分布项和一个非线性阻尼项组成以处理智能体动态中不确定项。最后仿真示例证明了该方法可以实现网络的一致性。(2)具有外部扰动的非线性多智能体系统自适应控制:在具有未知扰动的情况下,研究了含有未知量的非线性多智能体系统自适应控制问题。提出了一种分布式设计方法,可实现在有向通信拓扑下的多智能体系统一致性跟踪控制。每个智能体由含有外部干扰和未知量的严格反馈非线性系统建模。通过Backstepping技术和神经网络,为每个从跟随者智能体构造自适应分布式控制器。径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Networks,RBFNN)用于逼近未知的非线性函数,并设计了一个非线性扰动观测器用于估计未知的外部扰动。所设计的控制方案可保证领导者与所有跟随者之间的跟踪误差收敛到原点的一个小邻域。最后仿真示例验证了所提方法的有效性。(3)具有全状态约束不确定非线性多智能体系统自适应控制:在具有智能体状态约束情况下,研究了含有未知量的非线性多智能体系统自适应控制问题。采用命令滤波器来解决“复杂性爆炸”问题。通过应用一对一非线性映射,将具有全状态约束的严格反馈系统转换为无状态约束的纯反馈系统,放宽了可行性条件,解决了智能体之间的通信误差的状态约束。该方案既能保证跟随者的输出能跟踪领导者的输出轨迹,也使得各个智能体状态变量不违反约束限制。最后仿真结果证实了所提方法的有效性。

关键词： 康复步行训练机器人   轨迹跟踪   自适应控制   粒子群优化算法  

摘要： 近年来中国老龄化程度的不断加剧,疾病及安全事故的增加,导致下肢行动障碍的人越来越多。因此康复机器人得到了广泛应用,其轨迹跟踪问题也成为研究重点。目前对于机器人轨迹跟踪已有许多成果,但在以往的研究中把机器人单独进行分析而忽略使用者自身的干扰。针对这一现象,论文考虑由于训练者位姿的改变使重心发生变化影响机器人轨迹跟踪的问题。完成的研究内容如下:考虑到人机系统在实际运动过程中由于使用者位姿的变化,自身质量和转动惯量等不确定因素使用户重心和机器人中心位置不重合,从而导致系统产生重心偏移。对康复机器人机械结构进行分析,建立具有重心变化的系统动力学模型。利用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络对重心变化的不确定物理量进行逼近估计,建立具有重心变化估计的系统动力学模型。基于人机合作环境下重心变化估计的动力学模型,采用自适应控制方法设计控制器和自适应律。根据李雅普诺夫直接法证明系统在所设计控制器的作用下能够达到渐近稳定。通过MATLAB进行仿真实验,分析实验结果,验证了提出的自适应控制方法能够使人机系统对医生指定的训练轨迹进行精确跟踪。为了优化控制器参数,提高系统跟踪精度和工作效率,节省时间。引入一种改进的粒子群优化算法来寻求自适应控制器的最优参数。设定粒子的初始值和最大迭代次数后进行仿真实验,迭代次数达到最大迭代次数时停止优化。提取最优参数来进行对比仿真,分析仿真实验结果,验证了所提出的粒子群优化算法可以使康复机器人实现更精确轨迹跟踪效果,使系统误差减小并快速达到稳定状态。

关键词： 小型无人直升机   非线性建模   串级飞行控制系统   H∞混合灵敏度控制   非线性动力学  

摘要： 作为一种特殊的旋翼类飞行器，小型无人直升机体型更小、承载能力更强、旋翼气动效率更高、续航更持久，是目前已知的任务空间最广的一类小型飞行器。然而，由于小型无人直升机结构复杂、动力学非线性程度高、抗干扰能力弱且静稳定性差，其自主飞行控制面临着很大的挑战。本文聚焦鲁棒控制理论，以实现小型无人直升机的安全稳定飞行为目标，为其设计鲁棒飞行控制系统，提高小型无人直升机在复杂非结构化场景应用的可能性。主要的研究内容包括：　　首先，基于MITX-Cell60SE这类常规构型的小型无人直升机构建了非线性动力学方程，利用通道耦合测试与操纵耦合测试定性地验证了模型的正确性。在直升机最典型的悬停状态下，对其动力学模型进行配平与线性化，实现了直升机的横向、纵向、垂航向三通道解耦，并对各个通道的运动模态特点和稳定性进行了分析。　　然后，确定了小型无人直升机的可用速度、可用姿态角等飞行包络;参考大型直升机的飞行品质规范，得到了适用于小型无人直升机的响应类型和飞行品质要求。同时，针对直升机桨叶横纵向挥舞角难以测量的问题，对直升机刚体动力学与桨叶挥舞动力学进行解耦，引入Notch滤波器，降低了直升机模型的阶次。基于上述工作，设计了基于PID的小型无人直升机轨迹跟踪控制系统，并通过仿真实验验证了控制系统设计的有效性。　　最后，针对基于PID的串级控制系统鲁棒性差的问题，设计了以μ综合控制器为内环控制器，H∞混合灵敏度控制器为外环控制器的鲁棒飞行控制系统架构。前者以其较低的保守性，为内环系统提供了足够的带宽，后者侧重于系统的鲁棒稳定性，能够对外环系统受到的阵风等恶劣扰动进行有效的抑制。仿真实验验证了该飞行控制系统的对模型不确定性和外界干扰的抑制能力。

关键词： 液压位置伺服系统   滑模控制   自适应控制   反步控制   预设性能控制  

摘要： 液压位置伺服控制系统被广泛应用于车辆主动悬挂、轧机等自动化装置的高精度位置跟踪。但由于液压伺服系统本身具有强非线性特性,且存在时变负载扰动、内部参数摄动、不可避免地建模误差、测量噪声等不确定动态,进而严重影响闭环系统的位置跟踪精度及抗干扰性能。因此,为液压伺服系统设计抗干扰能力强、易于工程实现的控制方案具有重要意义。本文针对含不确定动态的液压位置伺服系统进行分析研究,主要内容如下:(1)研发了单作动器液压伺服实验平台电控制系统,包括软硬件系统的设计。阐述了液压位置伺服系统工作原理,分析了系统各组成机构的特性并进行机理建模,选取合理的状态变量构建严格反馈形式的状态空间方程。(2)基于等效滑模控制提出了一种自适应增益控制方案。首先通过坐标变换将液压伺服系统转换为Brunovsky标准型。然后,通过设计自适应切换增益来抑制传统滑模控制在液压伺服系统中应用时易引发的抖振,同时保证切换增益收敛的快速性,无需已知伺服系统不确定动态的上界。最后,通过与等效滑模控制的数值仿真结果对比,表明该自适应策略抑制液压伺服系统抖振的有效性。(3)基于反步控制提出了一种输出暂稳态性能受限的低复杂度控制方案。首先规定液压伺服系统严格反馈模型的输出暂稳态性能,以实现性能受限。然后通过一种易于工程实现的未知动态估计器对伺服系统中的不确定动态和虚拟量进行估计,以解决“微分爆炸”问题。最后,通过与位置式PID的数值仿真结果对比,表明该控制策略的有效性。(4)基于全局无逼近预设性能控制提出了一种带积分的自适应控制方案。首先针对液压伺服系统Brunovsky标准型,利用快速滑模微分器估计系统加速度。然后通过设计自适应增益,使系统跟踪过程不受性能函数收敛和误差波动的影响,从而解决了在误差的性能边界较小时,传统预设性能控制系统在平稳跟踪阶段易发生振荡的问题,同时引入转换后误差的积分来提高系统抗干扰能力。最后,通过与传统方法的数值仿真和实验结果对比,表明了该控制策略的有效性。

关键词： 自适应动态规划   鲁棒控制   经验回放   非线性系统最优控制   神经网络   约束输入  

摘要： 最优控制一直是控制领域中一个重要研究课题。特别是对非线性系统最优控制的研究,其成果可用于大量的实际工程建模。随着科技的发展以及生产生活的需要,被控系统规模不断扩大,其机理更加复杂,因此很难直接构造精准的数学模型。而传统的控制方法需要精准的模型信息,因此有必要提出新型的智能控制方法来解决模型未知情况下的最优控制问题。自适应动态规划是解决此类最优控制问题的有效方法之一。该方法利用强化学习、动态规划和神经网络等理论,构建基于神经网络的“行为一评价”结构,迭代逼近最优控制问题中的代价函数及其控制策略。因扰动普遍存在于被控系统中,如何设计控制器来提高系统的抗干扰能力也是一个需要考虑的重要问题。本文针对连续时间非线性系统的鲁棒控制问题,运用基于经验回放机制的自适应动态规划寻找最优控制策略,从而实现闭环系统的镇定且满足一定的性能指标。主要研究内容包括:(1)针对非线性系统的鲁棒控制问题提出了基于经验回放机制的“行为一评价”网络结构的自适应动态规划算法。该算法通过构建神经网络逼近HJI方程的解,然后应用自适应动态规划方法迭代寻找最优控制策略,使被控系统实现闭环系统镇定的同时,且满足一定的性能指标。最后给出了系统稳定性分析,并仿真验证了算法的有效性。(2)针对控制输入带有饱和约束的连续时间仿射非线性系统的鲁棒控制问题提出基于经验回放机制的“行为一评价”网络结构的自适应动态规划算法。该算法通过构建神经网络逼近HJI方程的解,然后应用自适应动态规划方法迭代更新寻找最优控制策略,使被控系统闭环镇定的同时,且满足一定的性能指标。最后给出了系统稳定性分析,并仿真验证了算法的有效性。

关键词： 虚拟同步发电机   阻抗比   相角裕量   自适应控制   参数设计  

摘要： “双碳”目标带来分布式电源在电网中占比的提高,随着电力电子设备的大量应用,导致现代电网存在着惯量缺失和阻尼不足的现象。因分布式电源对频率和电压的调节作用不能和传统同步发电机的性能相媲美,通过在控制过程中引入同步发电机的转子机械运动方程,提出了虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术,以改善分布式电源的运行特性,有助于提高电网对新能源发电的接纳能力。VSG技术虽然可以为系统提供惯性支撑能力,但也提高了控制的难度,存在并网系统稳定性问题,同时为了更好地发挥虚拟惯性作用,也需要通过对控制参数进行优化,以提高其对电网的适应性、改善暂态过程。虚拟同步发电机控制包含有功无功控制环节和电压电流双闭环控制环节,在对并网系统进行稳定性、暂态性能分析时,大部分均是从建立传递函数或空间状态方程出发,通过根轨迹分析稳定性,以此为基础进行控制系统参数设计,这就存在着在对于参数进行选取时,特别是对暂态性能进行优化时,对不同电网的适应性考虑得不够充分。针对VSG控制对不同电网强度的适应性问题,本文在对VSG输出阻抗建模、进行并网系统稳定性分析的基础上,提出一种基于VSG输出阻抗与电网阻抗比相角裕量的参数设计方法。首先,采用谐波线性化方法,建立考虑功率环的VSG正负序输出阻抗数学模型,在此基础上考虑电压电流双闭环的正负序输出阻抗模型,并采用伯德图分析VSG中惯量、阻尼和电压电流环比例谐振系数对正负序输出阻抗频率特性的影响;其次,采用VSG与电网阻抗比的奈奎斯特曲线,进一步分析VSG与电网之间的交互稳定性,得到满足并网系统稳定性的VSG控制参数范围;基于以上分析,提出一种基于交互系统阻抗比相角裕量的VSG控制参数优化设计方法,该方法提高电网强度适应性,在兼顾VSG一次调频特性的同时,可以改善并网系统暂态性能,并给出了设计方法和步骤,并采用MATLAB/Simulink模型仿真验证参数设计的合理性。同时,为了与现有基于控制环路传递函数的参数设计方法进行对比研究,进一步基于传递函数,分析了考虑电网影响的参数范围,并且从控制回路出发,根据控制性能要求,选择不同的控制参数。最后,为了实现对虚拟同步发电机的暂态过程进行优化,首先分析了虚拟惯量和阻尼系数对暂态性能的影响,研究了虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略,然后在自适应控制基础上,通过MATLAB/Simulink模型仿真和RT-LAB实时仿真系统,对比分析本文所提参数设计与基于传递函数参数设计方法所确定参数范围的暂态效果,验证了本文所提方法在不同电网强度时,对并网暂态性能的优化效果。

关键词： 压电式快速反射镜   自适应控制   预定时空收敛   滑模控制   输入饱和  

摘要： 随着空间激光通信和激光加工等技术的飞速发展,传统跟踪控制技术已经无法满足如今的高精度要求。因此,由粗跟踪和精跟踪组成的复合跟踪控制技术得以发展。快速反射镜系统作为复合跟踪系统的精跟踪子系统,其控制精度决定了复合跟踪系统的最终精度。为了优化系统的性能,实现压电式快速反射镜的高速高精度控制,论文的主要研究内容安排如下:首先,基于预定时间函数和状态相关上界假设,提出了预定时空自适应滑模控制方法,实现了压电陶瓷驱动器的预定时空收敛。而且,收敛时间和收敛精度均与初始位置、集总不确定性和其它控制参数无关。通过使用状态相关上界假设,提出方法消除了集总不确定性恒值上界假设的保守性。基于理论分析、数值仿真和压电陶瓷驱动器实验,验证了提出方法的有效性。其次,基于饱和容忍因子和时基障碍函数,提出了饱和容忍预定时空自适应超扭曲控制方法,实现了输入饱和下压电式快速反射镜的饱和容忍预定时空收敛。辅助系统产生的饱和容忍因子构建了饱和容忍预定空间和输入饱和之间的联系。通过集成饱和容忍因子,提出方法可以根据输入饱和的状况自动调整饱和容忍预定空间。此外,提出方法不但减少了控制增益的高估,而且避免了控制方法的分割。通过理论分析、数值仿真和压电式快速反射镜实验,说明了提出方法的优越性。最后,基于参考收敛微分函数,提出了饱和容忍严格预定时间控制方法,实现了输入饱和下标称压电式快速反射镜系统的饱和容忍严格预定时间收敛。然后,基于饱和容忍严格预定时间控制方法和新型障碍函数,提出了饱和容忍严格预定时空自适应滑模控制方法,实现了输入饱和下压电式快速反射镜的饱和容忍严格预定时空收敛。鉴于理论分析、模拟仿真和压电式快速反射镜实验,表明了提出方法的有效性。

关键词： 板式换热器   温度控制   解耦控制器   自抗扰控制器   遗传算法优化  

摘要： 板式换热器因具有占地面积小、换热效率高等优点,在我国工业生产和民用供热领域应用十分广泛,是热量交换中的常用设备,通过冷热流体的热交换使出口温度达到目标要求。随着换热器的应用领域范围扩大,人们对其温度控制的稳定性、抗滞后性、抗干扰能力的要求也越来越高。本文从板式换热器的热交换原理分析及建模、耦合回路的解耦控制器设计、控制器抗干扰性能的研究以及抗干扰控制器的参数优化四个环节出发,针对质调节和量调节两条耦合支路,设计状态反馈的解耦控制器,研究基于自抗扰控制器的温度控制方法,解决板式换热器温度控制的解耦、抗干扰和精确调节等关键问题,提升板式换热器系统的工作性能。本文主要研究工作包括:第一,本文在研究板式换热器的热交换原理和板式换热器结构的基础上,以换热器温度控制建模作为研究对象,研究板式换热器温度控制中强耦合强滞后以及控制过程中受扰失稳等特点,通过调节一次侧出水阀门开度和二次侧循环泵频率实现对二次侧温度的控制优化,用高斯-牛顿迭代法进行模型的系统辨识,提出的递推算法因运算步骤简单,在工业生产条件中较为容易实现。第二,为了克服板式换热器温度控制中强耦合的缺点,改善现有解耦算法的解耦效果,本文对控制对象的耦合性特点进行分析,设计基于状态反馈的解耦控制器。为全方位测试该控制器对控制对象的结构性能,对照传统交叉解耦和前馈解耦器,针对响应时间和解耦程度进行对比实验。仿真实验结果表明,基于状态反馈的解耦控制器调整时间最短,且解耦程度最佳。第三,针对板式换热器温度控制时变性、滞后性、易受干扰等特性,采用自抗扰控制器(ADRC)抑制外部干扰,并用遗传算法优化其参数。对所建立的扩展状态观测器(ESO)跟踪性和系统稳定性进行分析,通过调节ADRC中非线性状态误差反馈控制律系数,实现系统有界输入条件下的稳定。为验证自抗扰控制器的工作性能,通过与传统PID控制、自适应模糊PID等控制方法进行实验对比分析,结果表明,自抗扰控制器调整时间最短,反应时间最快,抗滞后性最强。第四,通过设计和搭建多种工况和扰动条件下的板式换热器温度控制仿真实验,验证该控制算法的优越性。仿真结果表明,基于遗传算法参数优化的状态反馈解耦控制器能够实现温度控制的完全解耦,ESO具有良好的跟踪性能,控制器具有更好的抗干扰性能,响应速度和抗时滞性能上得到极大改善,保证换热站高效平稳运行,该算法在现实工程中具有很好的实践应用价值。

关键词： 交错并联   恒功率负载   非线性控制   稳定性分析   非线性扰动观测器  

摘要： Boost变换器常用作微电网燃料电池、太阳能的电能变换模块,然而传统Boost变换器的输出受到系统功率限制,难以满足大电流输出、高功率密度的要求。此外,直流微电网(DC Microgrids,DCMs)中的分布式能源经Boost变换器转换后连接至直流母线时,DCMs系统中的恒功率负载(Constant Power Load,CPL)存在负阻抗特性,会引起母线电压振荡。为了解决上述问题,本文以交错并联Boost变换器为研究对象,对含CPL的直流微电网母线电压进行稳定性控制研究。为抑制CPL中负阻抗特性对交错并联Boost变换器输出造成的影响,首先结合平均电流控制建立了串级比例-积分(Proportion-Integral,PI)控制器,以保证交错并联变换器各相电流均衡。其次,在串级控制结构的基础上,利用微分平坦理论对内外环分别进行前馈设计,替换PI控制器,并通过选取符合平坦特性的内外环输出,使得逆动力学系统能被平坦输出线性表示。最后,采用线性反馈化方法进行误差反馈设计,由此提出了串级平坦控制策略。针对交错并联Boost变换器中电路参数摄动对系统的不利影响,在串级平坦控制器基础上提出了一种内环微分平坦控制(Differential Flatness Baesd Control,DFBC)、外环全局快速终端滑模控制(Global Fast Terminal Sliding Mode Control,GFTSMC)的复合控制策略。首先,在外部电容能量环的动态模型基础上设计了终端滑模控制器,为削弱滑模控制的抖振影响,在滑模控制中引入了终端趋近律。其次,利用Lyapunov稳定性理论分析了外环滑模控制器的收敛性。最后,通过仿真验证可知,复合控制策略下的系统对电路参数摄动具有较强的鲁棒性,并且在受到负载扰动时具有良好的稳定性能和均流效果。为了克服系统输出受大范围外界扰动的不足,提出了基于非线性扰动观测器(Nonlinear Disturbance Observer,NDO)的复合控制策略。首先,设计了交错并联Boost变换器系统的NDO并将观测值反馈到复合控制律,进一步抑制外部扰动的影响。其次,通过Lyapunov稳定性理论对NDO进行稳定性分析,得到了观测器增益参数的选取依据。最后,对NDO补偿后的外环控制器的稳定性和有限收敛性进行证明。通过仿真验证可知,观测器能够快速精准的跟踪外部扰动,在受到外部扰动时系统具有良好的暂态性能。