关键词： 液压风电   流固耦合   内外扰动   转速控制   功率控制  

摘要： 风能作为清洁可再生能源,是我国能源转型的重要支撑。而自然风存在随机性和间歇性,且风电机组系统长期工作内部参数易时变。因此,为提升风力发电输出电能质量,亟需明确风力机输出特性,提升内外扰动下机组有功功率控制性能。本文以储能式液压型风电机组为研究对象,对机组工作原理、控制需求进行分析,建立各部分数学建模及状态空间方程,便于后续分析和控制。风力机是能量转化的关键部件,为得到有功功率控制系统精准的控制指令,对AH-30 k W风力机特性研究,发现叶片材质对中小型风力机运行特性影响可忽略不计。风力机输出转矩受风影响存在较大波动和抖颤,需全面考虑多源扰动对机组控制性能的影响。利用实验数据与仿真计算相结合,修订的风力机转矩模型误差为5.6%,为有功功率控制提供了指令模型。并网转速控制为机组有功功率控制的前提,此过程经短暂控制即可实现并网,故无需关注内部变量对控制性能影响。提出模糊算法同传统控制相结合控制并网转速,对系统模型简化和稳定性分析,确定传统PID控制参数范围,加入模糊控制对PID进行在线主动调参,实现并网转速智能控制,为有功功率控制提供基础条件。为实现系统在内外扰动下有功功率控制,考虑有功功率控制为长期过程,此过程需观测内部变量对控制性能影响。提出滑模控制器和RBF神经网络相结合控制有功功率,对系统内外扰动进行自主识别和主动补偿,并引入储能子系统协助主传动系统进行有功功率快速精准控制,实现了机组有功功率智能控制。搭建30 k W液压型风力发电机组实验平台,验证了多源扰动下机组并网转速与有功功率主动控制策略的可行性和合理性。

关键词： 海洋工程   水下滑翔机   事件触发控制   自适应控制  

摘要： 为确保水下滑翔机俯仰姿态控制对模型不确定性及执行器故障的鲁棒性并降低控制能耗，提出一种基于事件触发的自适应容错俯仰控制算法。在反步控制的基础上，使用动态面技术避免对虚拟控制律求导；利用基于历史输入、输出数据的径向基神经网络对模型不确定项、环境扰动和执行器故障进行逼近与补偿；设计基于相对阈值的事件触发条件，避免控制律的连续更新，从而降低控制能耗。使用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的所有信号满足半全局一致最终有界。仿真实验结果表明，所设计的控制器在实现鲁棒性的前提下进一步节约了控制能耗和通信资源。

关键词： 控压钻井   递阶结构   非线性模型预测控制   非线性滚动时域估计  

摘要： 石油开采行业不断发展,石油勘察和开采工程逐渐向更为复杂恶劣的地层开展,钻井作业必须采用更加高质量高效率的方式进行。控压钻井作为主流钻井技术,被广泛应用于钻井工程,能有效提升钻井效率并降低安全事故的发生。随着钻井自动化程度的提高,钻井目标趋向于经济、安全和有效的统一,控压钻井技术将面临以下难题:控制过程过于依赖司钻经验,难以平衡对井底安全和钻井效率的把控;井下随钻测量数据存在延时,无法及时获取重要数据。为此,本文开展了面向控压钻井过程的非线性模型预测控制与估计方法的研究。首先,本文提出一种基于递阶结构的钻井系统闭环优化控制策略,在安全压力窗口内实现高效钻井。上层优化基于机械钻速稳态模型,以最优机械比能为优化目标,结合压力窗口等硬约束进行稳态优化,得到当前工况下的最优机械钻速、转速与井底钻压。下层动态控制将上层得到的转速与井底钻压作为优化设定值,并结合井底压力控制目标进行优化控制。结果表明,该控制策略在满足安全条件的情况下,能综合提升机械钻速与钻井效率,并实现钻井参数的自动优化。其次,本文基于井筒水力学模型,考虑到非线性模型预测控制对模型的依赖性,及数据传输延迟或数据缺失的情况,对基本的非线性滚动时域估计方法进行改进。利用已有测量数据估计环空的不可测参数,以此校正井筒水力学模型,同时估计井下状态,补全缺失的井下数据。结果表明,该估计方法在部分真实数据缺失的条件下,仍能实现对控制器内部模型的校正,保证对井底压力的精细控制。最后,基于研究的闭环优化控制系统与井参数和状态估计方法,分析控压钻井工程的各项需求,设计一个控压钻井系统仿真软件用于模拟实际钻井作业,便于及时修正控压钻井系统。结果表明,该软件能结合控制、优化和估计算法,实现对控压钻井过程的模拟,对改善国内控压钻井软件的研究现状具有一定意义。

关键词： 空气涡轮火箭发动机   动态过程   遗传算法   性能优化   PI控制器参数优化   自适应控制  

摘要： 空气涡轮火箭发动机(Air Turbine Rocket,ATR)是一种涡轮基组合循环发动机,其宽广的飞行包线、卓越的机动性能以及高推力和比冲等优势使其在临近空间飞行器应用中具有广阔的发展前景。然而,由于ATR发动机的飞行包线范围较宽,控制变量较多,要充分发挥其在整个飞行包线内的高机动性,实现控制器参数与飞行条件的自适应调整至关重要。为此,本文采用遗传算法对ATR发动机自适应控制方法展开了研究,主要研究内容如下:首先针对ATR发动机构建了工质物性计算模型和燃烧计算模型。在考虑内部流动特性的基础上,依次构建变几何进气道、压气机、燃气发生器、涡轮、燃烧室、变几何尾喷管等关键部件模型,应用容积法建立了 ATR发动机变几何动态模型,并对其进行了稳态性能及动态性能的计算,分析了变几何参数及控制器参数对ATR发动机动态性能的影响。在此基础上,基于空气流路、富燃燃气流路和燃气流路的特性分析,对各流路内工质的热力学参数计算进行了简化,并将简化模型与原模型计算结果进行了对比验证。仿真结果表明,采用调节燃气发生器流量控制转速,调节尾喷管喉口面积控制涡轮膨胀比的闭环控制方法,可以在多变量耦合的情况下,高效准确的获取ATR发动机动态性能,同时避免了繁琐的迭代过程;通过简化工质的化学平衡计算及压气机与涡轮特性图插值,模型可以降低80%的计算时间。其次,基于ATR发动机稳态模型,将物理转速及压气机工作点作为优化变量,计算得到推力和比冲,并将两者作为遗传算法的目标函数,建立了 ATR发动机性能优化模型。对不同飞行条件下的优化结果进行了深入分析,发现在获得Pareto最优解集后,设计者需要根据实际应用场景与偏好权衡,以确定合适的设计方案;遗传算法的种群规模与迭代次数对优化结果具有显著影响,适当增大种群规模有助于拓宽Pareto最优解的范围。最后,根据控制器性能设计目标,将多个性能评价指标以加权的形成作为目标函数,采用快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)建立了 ATR发动机控制器参数多目标优化方法。该方法可以获得一组最优的控制器参数集—Pareto前沿,并采用基于熵权法的最优解逼近法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)来处理,最终获得当前动态过程最优的控制器参数。对ATR发动机起飞段及爬升段进行仿真,完成加速过程后,控制器参数自动更换优化好的参数,相比继续沿用之前的控制器参数,实现ATR发动机起飞段及爬升段更加快速、稳定、准确的控制过程。

关键词： 不确定非线性系统   自适应控制   智能控制   动态面控制   渐近跟踪  

摘要： 近年来,Backstepping(反步递推)方法在非线性控制理论和实践中都得到了广泛的应用。动态面控制技术是在经典Backstepping理论技术的基础上发展起来的一种有效的非线性控制设计方法。由于该技术不但具备Backstepping方法的优势并且能解决其固有的“复杂性爆炸”问题,因而不管是在理论还是应用研究中都备受重视。然而,基于现有动态面控制技术所提出的控制方案只能保证实现有界跟踪,即跟踪误差只能收敛到一个较小的邻域内,却无法实现零误差的精准跟踪。基于此,本文针对几类典型的不确定非线性系统,结合Backstepping理论、动态面技术和模糊逻辑,提出了一套自适应模糊动态面渐近跟踪控制方案,实现了系统对参考信号的精准跟踪,并给出了闭环系统的稳定性、收敛性和鲁棒性的理论证明。主要内容有以下三个方面:首先,考虑了一类具有非严格反馈结构的非线性分数阶系统的自适应模糊动态面渐近跟踪控制问题。由于非严格反馈系统中的非线性函数包含所有的状态,因此在控制器的设计过程中会产生代数环问题。首先利用模糊逻辑系统来处理未知的非线性,同时利用模糊基函数的单调性成功解决代数环问题。进而设计动态面控制算法,在Backstepping方法的每一步中加入的一阶滤波器可以极大地降低计算复杂度。本文所设计的控制方案可以在保证闭环系统的稳定性的同时实现跟踪误差的渐近收敛。最后,仿真结果验证了该控制方案的有效性。其次,针对具有未知强互联的分数阶非线性大系统,提出了一种事件触发机制下的自适应模糊动态面渐近跟踪控制方案。由于强互联项包含了整个互联系统的所有状态,因此设计方案更加困难。利用高斯函数的性质来处理未知的互联项和非线性函数,这不仅可以在很大程度上放松关于互联的附加假设,并且消除不确定性的影响。此外,建立了一种新的事件触发机制,相较于传统的时间触发方案更能节省通信资源。最后,通过一个仿真实例表明了本文所设计的控制方案在保证闭环系统稳定性的同时还可以实现跟踪误差的渐近收敛。最后,针对全状态约束下的不确定非线性系统,在系统的控制系数完全未知的情况下,提出了一种自适应模糊事件触发动态面渐近跟踪控制算法。通过引入未知控制系数的下界,设计了一个新的障碍李雅普诺夫函数,该函数不仅可以基于边界估计法和光滑函数构造法成功消除控制律中对控制系数下界的要求,又可以使系统状态始终不违反约束。此外,通过在控制器的设计过程中引入正的积分函数,并基于Barbalat引理证明本文设计的控制器能够实现跟踪误差的渐近收敛。最后,通过两个仿真实例验证了该方案的有效性。

关键词： 地下结构抗浮   抗浮控制水头   抗浮智能控制   智能平台开发  

摘要： 研究地下结构抗浮问题对工程建设有着重要的实际价值,目前全国各地的在建工程抗浮事故频发,其中有相当数量的事故原因为施工过程中遭遇暴雨等极端天气或连续大气降雨带来的基坑内地下水位快速上升,此时若基坑内的地下结构尚未完全建立抗浮能力且排水工作未及时开展或现场排水能力不足,就容易出现地下结构实际能够抵抗水头不能满足基坑内实际水头的情况,进而导致抗浮失效事故的发生,甚至结构发生破坏。由此带来了两个主要的抗浮问题:其一是对地下结构的抗浮水头,尤其是对结构安全影响最大的控制水头的取值及设计方法需进一步优化;其二是需探索一种新型工程抗浮的智能化分析及控制方法,对可能发生的抗浮问题进行及时感知、分析、控制,以应对各类可能出现的抗浮问题。基于此种现状本文主要对以下几个方面的内容开展了研究:(1)通过分析建造过程中基坑内地下水位的影响因素,对不同工况下地下结构整体抗浮水头与局部抗浮水头的计算方法进行了设计,并通过ABAQUS有限元模拟对计算方法进行补充验证。通过工程案例计算分析提出地下结构整体抗浮控制水头与局部抗浮控制水头的取值方法,在此基础之上提出了地下结构抗浮控制水头的取值方法,同时给出与之对应的编程规则。(2)对全国各地区主要城市的气象资料进行调研,结合相关文献以及规范标准归纳降雨条件下基坑内不同工况的汇水量计算方法,并结合实际工程进行案例计算。同时对工程常用排水设备的主要参数进行调研,通过对实际工程案例的计算对比提出排水能力分析方法,并给出了一种涵盖汇水计算、排水计算、设备选择、井点数量计算和井点布设的基坑排水能力智能分析及布设方法,同时提出相应的编程规则。(3)通过对常用水位监测设备进行调研并分析确定了水位监测设备的选用方法。综合考虑场区尺度、地形地貌及水文地质等因素,确定了水位监测点的布设规则及主要的监测指标,继而形成基坑内排水的智能控制方法。(4)在综合研究编程规则的基础上,开发了抗浮智能控制系统平台,并应用于实际工程项目中,以实现对现场基坑内的控制水头的智能化计算,汇水量与水位监测一体化,抗浮控制的智能化,并留出足够的人为可控的操作空间,为地下结构施工期间的抗浮安全提供保障。

关键词： 换热器   温度控制   预测函数控制   串级控制   前馈控制  

摘要： 换热器是工业中常用的传热设备,选择合适的控制方案稳定换热器出口温度具有一定的现实意义。本文将第三代模型预测控制-预测函数控制算法(PFC)应用在换热器出口温度控制上,针对该PFC算法进行改进,并对改进预测函数控制(IPFC)方案做了仿真比较。主要研究内容如下:1、首先,根据对换热器系统的控制特点进行特性分析,从静态特性分析中给出四个控制通道的放大系数求解公式,从动态特性分析中给出四条控制通道的传递函数数学模型。并通过工业现场中换热器设备实际运行数据不断修正和优化换热器四条通道的模型。2、其次,分析增量式PID控制算法和PFC控制算法的特点,利用两者对偏差求解的共通性,将PID控制的理论公式代入PFC算法的二次型性能指标公式中,对PFC算法进行改进,综合两种控制算法的优点。并将IPFC控制算法与传统PID算法和PFC串级PID算法进行了仿真比较,结果证实了该改进算法的响应速度更快,以及在模型参数变化时也能获得不错的控制效果。3、第三,针对该改进算法需要调节的参数多、手动试凑较难的问题,提出一种带压缩因子的粒子群算法(CFPSO)优化IPFC参数控制方案,通过仿真实验也验证了该优化算法寻优的有效性。4、最后,针对换热器可能会受到外界大扰动从而影响出口温度的问题,本文提出了两种串级控制方案。第一种是基于IPFC的串级控制方案,主控制器选用IPFC控制器,利用串级控制回路对干扰抑制效果好的优点,并与两种串级控制方案进行仿真比较,验证了该串级控制方案的优越性。第二种控制方案是基于IPFC的前馈-串级复合控制方案,针对换热器输入变量中三组可以测得但不能作为操纵变量的扰动,选用前馈控制对扰动提前补偿,从而大大降低了干扰对控制系统的影响。对三类扰动在模型匹配和模型失配下各做了仿真分析,证明了该方案对干扰优越的抑制效果。

关键词： 边缘智能控制器   边缘控制系统   群签名   匿名认证   轻量级认证  

摘要： 边缘计算利用其高可靠性、低时延和低能耗等优势,能够助力工业物联网的发展,能给工业生产带来更多的价值和效益,譬如提高工业生产效率、降低能源消耗和生产成本。在基于边缘计算的工业物联网中,边缘计算对数据的本地处理能力提出了更高的要求。传统的工业可编程逻辑控制器无法完成这样的任务。因此,边缘智能控制器应边缘计算的需求而生。作为边缘计算的核心组件,边缘智能控制器的安全和可信运行对边缘计算的推广和发展具有重要的意义和影响。身份认证作为保障工业物联网安全的第一道防线,可以有效防止攻击者冒充合法设备获取资源及访问权限,同时保证合法设备之间的访问和交流是安全可靠的。因此,本文针对边缘智能控制器的认证机制进行了深入的研究。第一,针对边缘智能控制器和边缘服务器之间的身份认证问题,本文提出了一种面向边缘智能控制器的高效可撤销匿名认证方案。该认证方案基于群签名技术所设计,在保护边缘智能控制器的身份隐私的同时,可以实现追溯边缘智能控制器的身份信息,并应用高效可撤销机制来撤销任何非法或者异常的边缘智能控制器。通过安全性分析,本文证明了该认证方案具有匿名性、完整性、可追溯性、前向安全性、抵御重放攻击以及高效可撤销性。此外,性能分析与比较表明,在满足更多安全属性的同时,该认证方案拥有更低的通信开销和计算成本。因此,该认证方案对边缘智能控制器是有效且可行的。第二,针对边缘智能控制器和终端设备之间的身份认证问题,本文提出了一种面向边缘控制系统的轻量级认证方案。需要接入边缘智能控制器的终端设备计算和存储能力有限,传统的基于非对称密码的认证方案,由于其高计算成本难以在资源受限的设备上进行部署。因此,本文利用计算成本低的哈希函数和异或运算设计了一个轻量级认证方案,能够实现边缘智能控制器与终端设备之间的双向匿名认证和密钥协商。通过安全性分析,本文证明了该认证方案能够提供必要的安全特性和抵御主要的已知攻击。此外,性能分析与比较表明,在满足更多安全属性的同时,该认证方案拥有更低的计算成本。因此,该认证方案对于边缘控制系统是有效且可行的。

关键词： 复杂网络   分数阶   时变时滞   扇区非线性输入   组合投影同步   函数投影同步   自适应控制  

摘要： 自然界中复杂系统无处不在,这些系统可以看成是复杂网络。同步是复杂网络动态行为中最广泛且最典型的行为之一,对复杂网络的同步研究具有重要理论意义和实际价值。本课题基于Lyapunov稳定性定理、分数阶微积分理论和不等式变换理论,研究了含扇区非线性输入、时变时滞耦合、外界干扰等因素影响的复杂网络的同步问题,得到的主要结论如下:(1)研究了存在时变时滞耦合和外部干扰的整数阶复杂网络组合投影同步。定义了组合投影同步的同步形式,把多个驱动和响应系统之间的组合投影同步转变成了求解系统误差稳定性问题。基于Lyapunov稳定性理论和不等式理论设计了自适应控制器,使得两个驱动系统和一个响应系统按照给定的比例因子实现同步。控制器设计中不包含时滞项,有效克服了时变时滞的影响。数值仿真验证了理论分析的正确性。(2)研究了具有外部干扰的多时变时滞耦合分数阶复杂网络的组合投影同步。分数阶复杂网络相较于整数阶复杂网络可以更精确地模拟系统的动态行为,因此将复杂网络同步研究从整数阶扩展到分数阶。首先给出了具有外部干扰的多时变时滞耦合的分数阶复杂网络的数学模型。然后,基于Lyapunov稳定性理论和分数阶微积分理论,设计了自适应控制器,实现了多个驱动系统和响应系统的组合投影同步。最后,通过数值仿真验证了理论分析的正确性。(3)研究了具有扇区非线性输入的多时变时滞耦合的整数阶复杂网络函数投影同步。函数投影同步将比例因子由常量扩展到了函数,是一种更广义的同步形式。基于Lyapunov稳定性理论以及不等式理论,设计了自适应控制器,使得驱动和响应系统能够按照给定的函数比例因子实现同步。理论分析表明本文的控制方案能有效解决控制输入限制在扇区范围的问题,在扇区边界值已知和未知的情况下,均能实现复杂网络同步。数值仿真验证了控制方案的有效性。(4)研究了具有扇区非线性输入的多时变时滞耦合的分数阶复杂网络的函数投影同步。首先将复杂网络模型由整数阶扩展到分数阶,构建了具有扇区非线性输入的多时变时滞耦合的分数阶复杂网络的数学模型。然后,基于Lyapunov稳定性理论和分数阶微积分理论,分别考虑了扇区边界值已知和未知的情况,设计了相应的自适应控制器,实现了驱动和响应系统的函数投影同步。最后,通过数值仿真验证了控制方案的有效性。