关键词： 切换系统   鲁棒控制   无扰切换控制   多Lyapunov函数方法  

摘要： 目前,切换系统已成为自动控制研究领域最热门的研究系统类型之一。作为一类典型的混杂系统,切换系统具有重要的理论研究价值和广泛的工程应用背景。现有切换系统研究成果主要针对其稳态性能,很少考虑其暂态性能,特别是切换暂态性能。作为切换系统一种特有的暂态性能,切换时刻大的信号跳变可能会导致系统性能降级,因此,使用无扰切换控制抑制大的信号跳变是一种有效方法。与此同时,控制系统在实际工作过程中难免受到干扰影响,干扰的存在不仅影响系统稳态性能,也影响系统暂态性能。对于受扰系统而言,暂态性能与鲁棒性可能互相影响。但现有关于切换时刻暂态性能的研究主要针对非受扰系统,因此,针对受扰系统研究其鲁棒无扰切换控制问题十分必要。 本文利用多Lyapunov函数方法研究切换系统的鲁棒无扰切换控制问题,并通过Matlab仿真验证了所提控制理论的可行性与有效性。主要研究内容如下: (1)切换系统的鲁棒保成本速率无扰切换控制问题。通过同时设计切换律和切换控制器给出切换系统同时满足鲁棒保成本性能和速率无扰切换性能的判据,克服两种性能需求间可能产生的冲突,实现切换系统的鲁棒保成本性能和速率无扰切换性能兼顾。与已有输入无扰切换控制策略不同,本章更关注切换时刻的速率无扰切换。此外,本章控制方法可以实现子系统不具备鲁棒保成本性能和速率无扰切换性能情形下切换系统满足这两种性能。 (2)切换系统的区间观测输入无扰切换控制问题。通过同时设计区间观测器、基于区间观测器的切换控制器和切换律,给出切换系统区间观测输入无扰切换控制问题可解的充分条件。与已有输入无扰切换控制策略相比,本章在系统状态不可测的情况下,通过设计区间观测器对系统状态分别从上界和下界进行观测估计,并基于观测值设计切换律和切换控制器,实现输入无扰切换性能。 (3)切换系统的事件触发输入无扰切换控制问题。通过同时设计事件触发机制、事件驱动切换控制器和切换律,实现切换时刻与触发时刻的输入无扰切换控制性能,避免可能由事件触发引起的Zeno现象,实现切换系统镇定。并采用动态事件触发机制,更大程度上节约通信传输资源。其次,设计基于状态采样的切换律,即保证了子系统的驻留时间又避免了可能由切换引起的Zeno现象。与已有输入无扰切换控制策略不同,本章提出的无扰切换控制方法只在切换时刻与触发时刻对输入信号进行约束限制,减少了对系统输入的限制时间长度。

关键词： 压电定位   迟滞   自适应控制   预设性能控制   滑模控制  

摘要： 基于智能材料的驱动器以快速响应、定位精密等优良特性受到很多研究者的青睐。由于压电陶瓷的逆压电效应,可以获得高精度的微小位移,因此本文利用这一特性设计了基于压电陶瓷的精密定位装备,可用于高端机床、医疗服务和航空航天等领域。然而压电陶瓷也存在许多的非线性特性,例如迟滞非线性、蠕变非线性,本文研究了具有非线性回滞压电陶瓷驱动定位系统的建模与控制。对于压电定位系统的建模,本文提出了一种离散Hammerstein结构模型,将压电定位系统的静态特性和动态特性串联在一起,利用离散PI(Prandtl-Ishlinskii,PI)模型来描述静态的迟滞非线性现象,利用离散二阶传递函数表示动态特性,将PI模型的输出作为动态传递函数的输入来建立整个压电定位系统的模型。由于离散系统便于复杂控制方法的实现,同时不降低计算速度,且离散系统的传输信号具有更高精度,因此可获得更好的控制效果。相比于传统的Hammerstein结构,PI模型的权重系数利用非线性最小二乘法来辨识,线性部分由最小二乘法辨识得到,这有利于将复杂的系统模块化,在满足拟合精度的同时简化计算过程。由于压电定位系统的精度一般要求微纳米级,因此当系统的外部存在振动时导致系统模型的参数发生改变对依赖于模型的控制方法来说是致命的。本文提出了前馈补偿与自适应反馈结合的鲁棒跟踪控制方法来解决这一问题,设计了非线性回滞特性的前馈伪逆补偿器,并针对逆补偿误差和动态特性采用自适应反馈控制。这里,依据模型变化特点实时自适应在线估计模型的系数,即模型的参数是在线调整的,再利用反馈控制来实现对参考位移的跟踪,其优势在于控制器可以实时的适应于模型参数的改变,使系统保持在最优状态,并从理论上证明了提出控制系统的稳定性。结果表明,提出的自适应控制效果优于PID控制。另一方面,针对具有一定约束需求的精密定位系统,本文提出了一种具有前馈补偿的预定性能滑模控制方法,其优势在于可以预先设定好控制器的性能,通过合理设计控制器满足预先设定的性能指标。具体来说就是将预设性能控制的思想引入到离散时间滑模控制中,利用新的预设性能函数和动态收敛函数描述出误差的收敛区域,随后把转换误差当作原始误差来设计离散时间滑模控制器,控制的目标是将原来的误差收敛到预设的收敛区域内,同时从理论上证明了误差一旦进入预设的收敛区域,便会一直保持在该区域内,并求取了滑模控制的准滑模带,最后实验对比了常规的滑模控制,预设性能滑模控制收敛速度更快,误差精度更高,且有效改进了滑模控制抖振现象。

关键词： 机械臂   非标定系统   视觉伺服   自适应控制   执行器故障  

摘要： 随着工业自动化的推行，机械臂的应用领域在不断扩大，而这些新兴领域对机械臂控制系统的需求也变得更复杂多样。综合了传感技术、图像处理技术和运动控制技术的视觉伺服系统大幅度提升了机械臂操作的智能化、自主化程度，成为当下的研究热点。视觉伺服控制设计是视觉伺服技术的重中之重，而标定问题则是视觉伺服控制设计中的核心问题。对于传统的视觉伺服控制方案，参数标定的精度和伺服精度直接相关，然而传统的标定方法不仅精度难以保证，而且过程复杂、成本昂贵。为解决这一问题，无标定的视觉伺服控制方案被提出，简化了系统的标定过程，同时还提高了系统的适应性。然而，大多现有的无标定视觉控制方案只针对相机的标定问题，而忽略了非标定环境中的其他不确定性因素。　　因此，本文针对非标定环境下机械臂的视觉伺服问题展开研究，主要考虑了相机、机械臂运动学、动力学、末端执行器中的不确定性和未知执行器故障对系统性能的影响，提出了一套从镇定控制到跟踪控制的完整视觉运动控制方案，并探讨了基于该方案的容错控制问题。本文的主要研究内容和贡献如下：　　（1）研究具有运动学、动力学不确定性的机械臂的无标定视觉镇定控制问题并提出了解决方案。首先，构造与深度无关的复合雅可比矩阵和深度雅可比矩阵，将相机参数和机械臂物理参数同时参数化为统一的线性形式，避免相同参数的重复估计。其次，引入参数投影算法约束自适应参数的更新方向以建立系统的全局稳定性，并通过理论分析严格证明了系统的渐近收敛。　　（2）针对具有运动学、动力学不确定性的机械臂的无标定视觉轨迹跟踪问题，提出了一种基于自适应滑膜控制器的解决方案，进一步考虑了末端执行器的不确定性。所提自适应算法不需要任何强假设和限制条件，保证了估计雅可比矩阵的可逆性，从而提高了系统对未知参数的鲁棒性。通过严格的稳定性分析成功建立了系统的全局稳定性，并证明了图像跟踪误差能够随时间收敛到零。　　（3）研究具有未知执行器故障约束的无标定视觉跟踪控制问题，并提出了一种自愈合的自适应视觉跟踪控制方案。首先，基于动态解耦技术将未知故障参数与不确定的动力学模型解耦，实现视觉伺服控制设计与容错控制设计的分离，简化了冗余系统的控制器设计。紧接着，基于自适应算法设计故障补偿器，提高了系统对于未知执行器故障的愈合能力。此外，在系统发生有限次执行器故障后，通过分段李雅普诺夫理论成功地建立了系统的全局稳定性和渐近收敛性。

关键词： 柱塞气举   智能控制   柱塞到达传感器   STM32  

摘要： 在天然气井生产后期,由于地层能量不足,产出的气体难以将井底的液体携带排出。井底积液严重将导致天然气产量减少。近年来,国家大力推进数字油田建设,使得物联网技术在油气田中应用广泛。将油气井的生产设备接入互联网可以加强开采过程的自动化程度,提升管理效率。柱塞气举作为一种常用的技术,这种技术的应用有利于生产后期天然气井排出积液、提高产量。但是柱塞气举设备通常情况下只能按照设定好的工作周期运行,不能随着天然气井情况的变化来自动调整工作周期。并且柱塞作为一种机械设备,不能实时获取井下的实际情况。为了实现柱塞工作周期的智能调整,本设计在柱塞气举控制器中添加了两种优化控制方法:时间优化和套压拐点优化。同时,在柱塞内部加装传感器,用以准确地获取井下情况。智能柱塞系统包含了地面和井下两个子系统。井下数据采集子系统以STM32L051为核心,使用温度传感器PT100和压力传感器CY310采集数据,在到达井口后通过RFID模块发送给地面的柱塞控制子系统。地面的柱塞气举控制子系统使用STM32F407为核心,通过MODBUS采集油压套压数据,使用RFID模块获取井下数据采集系统的数据,采用中断方式检测柱塞到达传感器的信号,并通过4G DTU将这些数据传输到云端,使用LCD显示屏和4个按键进行显示和操作。柱塞到达传感器使用STM32F103作为处理器,通过磁场传感器RM3100检测油管附近磁场。在柱塞到达传感器启动后采集一百次的磁场强度,并计算平均值,将平均值的1.2倍作为阈值来判断柱塞是否到达井口。云端的上位机不仅可以通过网络获取柱塞气举控制器的控制参数与采集到的数据,并且能够将设置的控制参数实时发送到现场并使其生效,还能够对柱塞的工作状况进行智能诊断。经过现场实验,地面柱塞气举控制器能够在现场稳定运行。时间优化和套压拐点优化能够通过自动调整柱塞的工作周期来稳定天然气产量,减少井底积液,降低天然气产量下降的速度。

关键词： 电网模拟器   输出电压   Lyapunov自适应控制   重复控制   稳定性分析  

摘要： 近年来,随着新能源分布式发电系统的大规模并网,电网对并网设备的故障穿越性能提出了更高的性能要求。由于电网运行状态存在不可控性,无法用来测试并网设备的并网适应性,因此需要研究电网模拟器来复现电网各种工况。本文对如何提高电网模拟器高次谐波跟踪性能进行了深入研究,主要研究工作如下: 1、分析电网模拟器的研究背景和技术现状,介绍常见电能质量问题及电网模拟器的功能需求,对电网模拟器逆变侧进行建模和设计,提出了三单元H桥级联电网模拟器逆变侧拓扑结构,通过串联桥臂模块以提高电压等级和减小谐波污染。 2、设计重复控制的内环控制器,针对电网模拟器设备老化导致参数偏移的问题,提出了Lyapunov自适应控制策略,相比传统双闭环比例积分(PI)控制具有更大的控制带宽、更强的抗扰动性和更广的稳定裕度。本文通过分别推导连续域和离散域的全局传递函数进行参数设计、性能分析和稳定性分析,受限于数字处理器采样、计算延时的影响,Lyapunov自适应控制的控制性能发生下降。从仿真波形观察比较得出,相比于传统双闭环PI控制,Lyapunov自适应控制具有更好的稳态跟踪性能和动态响应性能。 3、将Lyapunov自适应控制系统作为被控对象设计重复控制器,提出了重复自适应控制器,可以提高系统稳态跟踪精度以实现最高19次的高次谐波无静差跟踪。由于传统重复控制内模在模拟频率偏移故障时,系统频率偏离谐振频率会导致稳态跟踪精度降低,本文从扩大高增益控制带宽的角度提出了一种分层重复自适应控制器,可以提升系统频率在48～52Hz范围内波动的高次谐波跟踪性能。通过推导离散域全局传递函数给出了重复控制器和分层重复控制器的参数设计、性能分析和稳定性分析,通过仿真研究比较重复自适应控制系统和分层重复自适应控制系统的控制性能,验证了两种控制方案的可行性。 4、在以上研究的基础上,通过软件仿真和硬件搭建模拟了电网模拟器的部分功能,验证了本文理论分析的正确性与所设计电网模拟器的可行性。

关键词： SerDes电路   码间干扰   均衡器   自适应控制   眼图  

摘要： 近年来,对更高传输速率和效率的持续需求推动了当前高速接口的快速发展,并行总线技术逐渐被串行总线技术替代,甚至向更高的性能和速度水平发展。SerDes电路被广泛应用于高速传输系统中来提高传输性能,如USB、SATA、超传输、PCI Express等。然而,互连信道中与频率相关的损耗由趋肤效应和介电损耗导致,并且随着传输速率的增加而增加,直接限制了信道带宽,引起码间干扰。码间干扰会使接收到的码元信息判决错误,增大误码率,降低传输信道的通信质量,最终导致接收端眼图闭合。为了使信号经过有损信道后依旧可以保证较好的接收数据,即保证接收端信号波形和时序的完整性,需要在SerDes收发器中采用各种均衡技术。本文结合有源电感和负阻抗转换器,设计实现了一款模拟均衡器,适用于严重损耗的长传输信道。首先,利用有源电感代替传统均衡器的负载部分,可以增加一个零点扩展带宽;其次,利用负阻抗转换器和电容组合产生负电容抵消输出节点的电容,可以在不牺牲直流增益的同时提供高频增益;最后,利用斜率检测技术设计了自适应控制回路来调节均衡器的增益曲线,防止由于外界环境变化、通信链路中连接器改变等因素造成信道特性改变时,均衡器会出现过均衡和欠均衡的状态。SerDes电路自适应控制均衡器包含了模拟均衡器、自适应控制回路和输出缓冲器三部分。本文采用SMIC 0.13μm CMOS工艺库对SerDes电路自适应控制均衡器进行电路仿真分析和版图设计,版图面积为893μm*532μm。前后仿真结果表明,模拟均衡器电路在6.25Gbps速率下,可以更好地为有损信道提供补偿,补偿的最大值在3.3GHz达到了20d B,使高速串行链路接收端的眼图能够明显地张开,水平张开度达到了0.8UI。本文所设计实现的自适应控制均衡器能针对不同损耗的SerDes电路信道进行补偿,恢复接收端信号质量,改善眼图的垂直张开度和水平张开度,实现自适应功能。

关键词： 无人机编队   跟踪控制   有向拓扑   传输时延   编队避障  

摘要： 随着自动控制技术不断提高,无人机研究和应用呈现出快速发展的势头,单个无人机具有成本低、灵活可靠等优点使其广泛应用在军事、物流及航拍等多个领域,无人机编队协同作业可以进一步满足各类复杂任务的需求。然而,在无人机编队执行任务时,由于任务环境以及软硬件设备等影响,使得编队网络中存在通信约束和编队内部碰撞等问题,从而影响无人机编队在完成复杂任务时的性能表现,亟待相应的解决方案。因此,本文针对通信约束下无人机编队安全跟踪鲁棒控制问题展开研究。主要研究内容如下:一、针对无人机编队通信网络中存在的传输时延问题,设计了一种分布式鲁棒跟踪控制策略。首先,考虑外部干扰的影响,建立无人机编队控制模型。其次,基于有向网络拓扑设计含有传输时延的控制算法,同时针对传统控制算法鲁棒性不足的问题引入_∞性能指标,提升无人机编队在通信约束下协同跟踪的鲁棒性。最后,通过对所提出的协同跟踪控制策略仿真,验证了控制算法的有效性。二、研究了内部碰撞问题下的无人机编队协同控制方法。首先,构建无人机编队协同控制模型。其次,针对系统内部避障问题,提出了编队运动避障方案,通过预先设定编队中各个无人机的运动范围,以保证各系统运动轨迹在预设区域内变化。然后,设计分布式预设性能函数,同时基于有向拓扑网络结构构建无人机编队相邻信息的状态辅助变量,并提出一种分布式安全跟踪控制方案,在完成编队运动的同时实现编队内部避障。最后,通过仿真结果验证了控制方案的有效性。

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。