关键词： 无损检测   焊缝   X射线机   拍片机器人  

摘要： 为提高焊缝检测的效率、降低劳动强度、确保作业人员的安全，本文研究了一种主要用于大型注水水池焊缝无损检测的射线检测拍照机器人，其由控制系统、多轴运动模块、吊装平台模块和胶片载具模块组成。本文详细说明了该机器人智能控制系统的系统结构、控制程序、配电结构，并进行了现场测试，证明机器人在功能、性能、稳定性和安全性等方面均符合设计要求。并展望了机器人在大型装备焊缝质量检测领域的广泛应用，以及未来的智能识别系统研发计划。该机器人系统为无损检测领域带来了一项重要的技术创新。

关键词： 最优迭代学习   自适应控制   执行器约束   数据驱动   系统辨识  

摘要： 迭代学习控制通常应用于具有重复运动特性的被控对象,该控制方法利用系统之前的性能误差相关信息对当前的控制信号进行补偿,实现对期望轨迹的完全跟踪。随着深入地研究,类型不同的迭代学习控制方法被众多的专家学者提出,主要有传统的基于压缩映射的迭代学习控制方法,模最优迭代学习控制方法与自适应最优迭代学习方法。其中,自适应最优迭代学习控制是一种控制方法,主要用于解决重复运动控制系统的不确定性问题。该方法是自适应控制和最优迭代学习控制的结合体,具有瞬态响应快、控制器设计简单、单调收敛性和算法实现方便等优点,且已成功地应用于数控机床、工业机器人、光刻机等精密运动控制场合。尽管该方法已经有了成熟的研究成果,但仍需进一步完善和探究。本文首先深入探讨运动控制系统的控制策略,采取PID反馈控制确保反馈加前馈的二自由度控制策略中系统的稳定性,并且在二自由度控制策略的基础上依照最优控制理论设计迭代学习控制器,并给出了其收敛性要求。其次,为了应对时变系统中模型参数发生摄动对传统最优迭代学习控制的影响,研究并提出了两种自适应最优迭代学习控制算法。第一种算法是基于数据驱动的自适应最优迭代学习控制算法,其可有效地辨识系统名义模型每行非零元素,从而更新控制器,此外,还研究了其跟踪性能与收敛性,以期达到更好的跟踪效果。第二种算法是基于最小二乘辨识的自适应最优迭代学习控制算法,通过迭代域上对被控对象单位脉冲响应辨识来更新控制器,引入了性能指标条件与Butterworth滤波器,可以有效地改善辨识的准确率,从而实现更好的跟踪性能。两种算法即可避免建立准确的模型结构,又能实现良好的跟踪性能。通过比较,可以发现第二种算法在处理时变系统问题上表现更出色,优势在于它的计算量更少,收敛速度更快。之后,为解决当前自适应最优迭代学习控制算法受到执行器约束的困境,提出了两种不同的控制算法。第一种算法基于线性不等式约束,其通过给前馈信号设定一个阈值,间接约束控制信号,可以有效地实现对执行器的约束。第二种算法基于目标函数加权约束,其可以控制前馈信号变化的大小和速度,从而间接约束控制信号,以达到更好的控制效果。通过将两种算法进行比较,发现第二种算法能够更好的处理执行器受到限制的问题,并且能够提供更快的收敛速度与更小的稳态收敛值,收敛效果更优。最后,建立了一个以无刷直流伺服电机运动控制系统的实验平台,采用合理的实验方案,将上述算法进行了验证,并通过大量仿真以及实验证明了算法的正确性以及有效性。

关键词： 机械臂   滑模控制   超扭曲算法   干扰观测器   自适应控制  

摘要： 随着科学技术的进步和现代制造业的发展,机械臂产业也得到了蓬勃发展,并在工业生产、医疗、航空航天、农林农耕等领域进行应用。机械臂是一个非线性系统,耦合性强,较为复杂,并且存在各种不确定性,因而机械臂的控制充满挑战性。为了确保机械臂系统进行高效、可靠的工作,本文针对具有复杂不确定性的机械臂系统,结合滑模控制、干扰观测器、自适应控制等技术设计控制器,展开机械臂的轨迹跟踪控制方案研究,主要研究工作如下:(1)针对存在干扰的机械臂的轨迹跟踪控制问题,提出一种分数阶非奇异快速终端滑模控制器。首先,设计分数阶非奇异快速终端滑模面,使得系统状态在有限时间内完成迅速收敛。其次,基于超扭曲算法设计趋近律,从而减小系统中的抖振。同时,设计非线性干扰观测器,可以进行外界干扰大小的准确估计,达到对控制器的补偿目的,进一步提高系统的控制精度。最后,给出控制器稳定性的证明,并且以双关节机械臂作为研究对象展开仿真实验,证明所设计控制器的可行性和稳定性。(2)考虑到机械臂系统中存在的外界干扰,设计一种基于固定时间干扰观测器的分数阶非奇异快速终端滑模控制器。提出一种分数阶非奇异快速终端滑模面,加快系统状态在滑动阶段的收敛速度。设计一种变指数幂次趋近律,该趋近律可以依据系统状态的当前位置,自适应改变运动速度,提升系统的鲁棒性。另外,设计固定时间滑模干扰观测器来解决外界干扰,通过实时估计,实现系统补偿。在Lyapunov函数的理论基础上,证明系统的稳定性。利用仿真实验,证明所设计控制器具有良好的抗干扰能力,而且能够完成对机械臂轨迹的有效跟踪。(3)考虑到机械臂系统中存在的外界扰动和模型误差等不确定信息,设计一种基于固定时间干扰观测器的自适应分数阶滑模控制器。首先,给出分数阶非奇异快速终端滑模面,并根据超扭曲算法设计一种自适应趋近律,从而保证了整个滑模控制阶段的控制性能。此外,对于系统中存在的复合干扰,设计一种自适应固定时间滑模干扰观测器进行估计补偿,提高控制器的跟踪精度。根据Lyapunov稳定性理论,对观测器的有限时间收敛特性和控制器的稳定性进行严格证明。最终,利用仿真实验,验证所设计的控制器具有优越的性能。

关键词： 电除尘器   模糊控制   故障诊断   神经网络   智能控制系统  

摘要： 本文针对钢铁行业广泛关注的炼钢厂节能环保改造的问题,以山东某钢厂的烧结电除尘器系统改造项目为背景,对现场电除尘器以及配套设备进行环保和节能改造。项目中针对烟气浓度变化大且控制不稳定以及电除尘设备能耗大等问题,设计了一套电除尘智能控制系统(Intelligent electrostatic precipitator control system,以下简称IPC系统),在保障炼钢厂正常生产以及满足污染物排放标准的要求下,实现了电除尘器对烟气的稳定控制,同时大大减少了能源消耗,降低了生产成本,为企业带来巨大的经济效益。本课题研究的主要内容以及取得的成果主要分为以下三个方面:(1)基于工艺特征,运用模糊控制技术和分段反馈控制思想,对现场生产过程中的历史数据分析,完成了对IPC系统的总体设计。该系统主要包括对电除尘器高、低压部分控制功能的设计。高压部分,设计了电压跟踪控制、电流跟踪控制、火花率检测控制以及脉冲占空比控制四种控制模式,既实现了对烟气浓度的稳定控制,又降低了能源消耗;低压部分,对原有的传统振打系统进行了改造,引入断电振打和常规振打相结合的方式,解决了极线积灰严重的问题,减轻了设备损耗。对原有输卸灰系统进行控制优化,即在上位机中实现对输卸灰相关参数的检测和设置,有效避免了灰斗堵灰现象的发生。(2)开发了上位机软件系统。该系统可以依据操作权限设置用户登录管理功能,提高了操作的安全性。同时系统能实现对运行数据的实时监控、采集、保存和曲线分析功能。根据操作室内现场工人的经验以及行业内的专家知识,开发了电除尘器故障诊断专家系统,对除尘器的运行状况进行在线分析和故障诊断,并且给出相应的处理方法,为现场故障维修人员提供了有效的参考信息。(3)通过采集现场运行数据,对影响电除尘器除尘效率的因素进行了相关性分析,将相关系数大于0.5变量因素作为模型输入,利用BP神经网络对除尘效率模型进行训练,构建除尘效率预测模型,有效解决了电除尘器除尘效率无法直接测量的难题,为电除尘器的性能评估提供了依据。IPC系统自正常投用以来,该系统能应对各种工况的变化,保持稳定运行状态。由烟尘仪记录的烟尘浓度数据以及电除尘器设备日均耗电量表明该IPC系统实现了各项功能指标,极大的改善了电除尘器的工作状况,降低了除尘器30%的能耗,促进了节能环保产业的发展。

关键词： 直线二级倒立摆系统   非线性控制   三步法   RBF神经网络   控制输入受限   扩张状态观测器   全局快速终端滑模  

摘要： 倒立摆是一个典型的非线性时变系统,主要特点有高阶次、强耦合和开环不稳定等,在对倒立摆进行控制的过程中能够有效地反映控制中的稳定性和鲁棒性等关键问题。因此作为实验平台,倒立摆系统能够测试各类复杂算法的有效性和时效性。在实际工程应用方面,倒立摆又可以抽象地表示为多种控制领域中被控对象的基本模型,所以大多数控制理论都是以倒立摆作为对象展开进行研究。本文主要研究了直线二级倒立摆系统的稳定控制问题,对系统进行建模和控制器设计。首先,忽略直线二级倒立摆系统中小车与滑轨之间摩擦,根据直线二级倒立摆系统的物理模型和伺服电机的运动方程与齿轮间隙的关系,通过欧拉—拉格朗日方程建立直线二级倒立摆系统的数学模型。在系统工作点处利用泰勒级数展开进行线性化处理,得到直线二级倒立摆系统的状态空间模型,对其进行可控性和稳定性分析,结果表明,直线二级倒立摆系统在工作点处是完全可控的,但是系统开环不稳定。其次,针对倒立摆系统的欠驱动和非线性等特点,设计出基于三步法的控制方案,推导了三步法控制规律。三步法控制包括类稳态控制、参考动态前馈控制和误差反馈控制,通过三个步骤计算得到直线二级倒立摆系统整个控制规律。同时为了验证其鲁棒性,加入了干扰实验,最后仿真结果表明三步法控制器能够很好的完成倒立摆系统稳定控制,且具有一定的鲁棒性。再次,考虑到直线二级倒立摆中控制输入受约束问题,提出了RBF神经网络对控制输入饱和进行补偿。根据系统误差方程设计滑模控制律,然后在直线二级倒立摆系统中引入等效控制律,采用饱和函数替代切换函数,结合RBF神经网络,根据神经网络输入实际范围来设计高斯基函数的参数。仿真结果可知,系统在控制输入受限情况下,仍能完成二级倒立摆系统的稳定控制。最后,为了进一步提高直线二级倒立摆系统的响应速度和抗干扰能力,设计出基于扩张状态观测器的全局快速终端滑模控制方案,在扩张状态观测器设计中,根据直线二级倒立摆系统的特点,将系统按照状态变量分为三个子系统,将扩张后的系统状态补偿到控制器中,增强了系统的抗干扰能力。仿真结果表明,扩张状态观测器能够进行扰动观测,迅速跟踪上系统状态,结合全局快速终端滑模控制器,使系统响应速度加快。对于倒立摆系统的稳定控制问题,本文提出的三种控制方法分别研究了系统快速控制问题、控制输入受约束问题和抗干扰问题。以滑模控制为基础,设计出不同的滑模控制器完成对直线二级倒立摆系统的稳定控制,实验结果表明所设计的控制器具有良好的控制效果。

关键词： 谣言传播模型   动力学   最优化控制   惩罚机制  

摘要： 随着互联网和通讯技术的快速发展,越来越多的人可以通过社交平台了解全球各地的信息.然而，这也为网络谣言的传播提供了平台.谣言是指未经认证的虚假信息，它的传播速度很快，传播范围广泛，并且部分谣言可能在较短时间内对国家，社会以及对人们的生活造成危害,产生恶劣影响.因此，研究谣言的传播机制具有重要意义. 本文主要分析在不同环境下谣言传播模型的动力学行为,其内容概述如下:　　在第一部分中，首先介绍谣言的传播特点以及谣言对人类和社会带来的严重影响.其次分别给出了单语言环境和多语言环境下谣言传播模型的研究现状.通过对研究现状的介绍与总结,给出本文的研究框架.　　在第二部分中，考虑到谣言传播受多方面因素影响，建立具有Holling-Ⅱ功能反应函数的 IASEWR(Ignorants-Super Spreader-Normal Spreader-Hesitant-Wise-Remover)谣言传播模型.首先,基于平均场理论提出IASEWR模型的动力学方程，并推导得出基本再生数(阈值)R0. 其次,通过构造Lyapunov函数,证明无谣言平衡点和谣言盛行平衡点的全局渐近稳定性.此外，为了减少谣言传播者的密度，利用Pontryagin最大值原理，提出一种抑制谣言传播最小化成本的实时优化方法，以在预期时间段内消除谣言且控制成本最少.最后,通过数值模拟来说明理论的有效性.　　在第三部分中,考虑谣言传播过程中可能会涉及多种语言，相同的信息会被翻译成多种不同的语言进行传播.同时，由于社交平台上出现各种各样的翻译软件，为不同语言之间的转换提供了平台，从而导致谣言信息在多语言环境下快速传播.此外,考虑到谣言传播过程中会产生时滞.故在多语言环境下建立具有惩罚机制和时滞的谣言传播模型.首先,通过分析平均场方程,推导得到模型的基本再生数R0.其次,基于Routh-Hurwitz准则，Lyapunov理论和LaSalle不变原理，讨论无谣言平衡点和谣言盛行平衡点的存在性与全局渐近稳定性.此外，为了最小化控制成本,提出带有惩罚机制的控制策略.最后,通过数值模拟来阐明理论结果的有效性与合理性.

关键词： 虚拟惯量   双馈风电机组   低频振荡   自适应控制  

摘要： 随着新能源技术的发展,电力电子装备对于电力系统的影响也越发显著。为改善由于电力电子集群并网导致的系统惯量调节能力降低等问题,虚拟惯量控制的引入成为提高电力系统稳定性不可替代的关键措施。但随着大规模的虚拟惯量控制的新能源电力电子集群并网,逆变器的控制可能会导致与其他并网机组发生机电耦合,改变系统的阻尼特性,诱发更为严重的低频振荡。针对上述问题,本文选用含虚拟惯量控制的双馈风电机组进行对系统低频振荡的研究,并提出了一种惯量和阻尼自适应调节的控制策略。本文的主要内容如下:针对双馈风力发电机系统的原理,对其基本结构及其运行原理进行了系统性分析,建立了风力发电机模型、发电机模型、轴系传动系统模型及桨距角模型等的数学模型,并在此基础上建立了双馈风电机组转子侧及定子侧变流器控制方式的数学模型。为了对低频振荡问题进行后续分析,需要对风电机组的动态模型进行适当的简化。解释了双馈风电机组的虚拟惯量控制中虚拟惯量参数的数学原理,并构建了其并入电力系统的模型,对基于虚拟惯量控制的双馈风电机组在系统中并网造成的动态响应进行观察分析,通过改变系统中虚拟惯量系数、风电渗透率、风速及是否参与调频等特性,观察系统在此情况下受到的扰动,筛选出能达到对系统稳定性的最优运行效果的参数。搭建合适的含虚拟惯量控制的风电机组并入两区四机电力系统的模型,制造小扰动造成系统低频振荡,通过总最小二乘子空间旋转不变性算法(TLS-ESPRIT)的方法对系统输出的功率振荡信号进行分析,在不同工况如风电机组直接并网、等容量替代同步发电机及不同并网位置等情况下研究区域间和区域内的功率振荡情况。通过对惯量和阻尼在虚拟惯量控制中的作用进行分析,结合转动惯量和阻尼系数两种参数的特点及影响,提出了一种自适应的虚拟惯量与阻尼控制策略,分析并整合了惯量和阻尼的选取原则,可以更加灵活地对系统的惯量和阻尼系数进行调节,减小功率波动带来的危害。同时通过仿真验证了文中所提方法相较于固定参数的传统虚拟惯量控制策略可以更好地抑制暂态过程中频率和有功功率的波动,并减少了暂态时间。

关键词： 随机非线性系统   障碍Lyapunov函数   事件触发机制   跟踪控制   输出反馈   自适应控制  

摘要： 在实际工程领域中,考虑到硬件因素以及人为需求等因素的影响,往往需要对系统的状态做出一定的约束,如何在满足约束条件下使得系统的动态性能得以保证显得尤为重要;除此之外,在现实中系统难免会遭遇随机噪声,考虑随机噪声对系统的影响并设计相对应的控制策略具有重要意义;同时,在网络化控制盛行的今天,事件触发控制凭借其显著减少控制器更新次数的特点,能够极大的提高通信资源利用效率。综合上述各点,本文以数字控制技术为背景,以一类输出/状态受限的随机非线性系统为研究对象,探索随机受限系统的事件触发机制设计和Lyapunov分析方法。主要研究内容如下:一,针对具有全状态受限的严格反馈非线性随机系统,提出了一种基于事件触发机制(ETM)的采样自适应跟踪控制方案。通过引入正切型随机障碍Lyapunov函数(SBLF)并结合反推设计方法,设计了一种自适应事件触发控制器。利用随机系统稳定性理论,证明了所有状态几乎必然不能违反其约束条件并且事件触发机制避免了Zeno行为。同时,闭环系统所有信号几乎必然有界,且跟踪误差在四阶矩意义上收敛于任意小的紧集。最后通过机械臂系统仿真验证了该控制方案的有效性。二、针对受未知参数影响的时变受限随机非线性系统,提出一种自适应动态事件触发的渐近跟踪控制方案。为了解决未知参数和状态约束的影响,采用时变受限条件相关的正切型随机障碍Lyapunov函数和反推设计方法,构造相对阈值型的动态事件触发控制器和自适应律。基于随机系统稳定性理论和随机芭芭拉引理,证明了闭环系统的所有信号几乎必然有界且系统状态几乎必然不能违反约束条件,跟踪误差几乎必然渐近趋于零,且所提出的事件触发机制几乎必然不发生Zeno行为。通过数值实例,验证了所提控制方案的有效性。三、针对系统状态未知的不确定随机受限非线性系统,提出一种自适应事件触发输出反馈跟踪控制策略。首先设计自适应全维状态观测器估计原系统的状态,然后引入对数型障碍Lyapunov函数(BLF)并结合反推设计方法,构造自适应律、绝对阈值型的事件触发机制以及控制器。基于随机Lyapunov稳定性理论,证明了观测器的收敛性,闭环系统在几乎必然意义下有界性,同时所有状态几乎必然不会违背约束条件,跟踪误差在四阶矩下趋于原点附近的任意小邻域。在此基础上,进一步探讨了传感器到控制器、控制器到执行器的双通道事件触发控制的设计和性能分析问题。最后,给出仿真案例来说明所提控制方案的有效性。