关键词： 观光车   避障路径规划   路径跟踪   自适应控制  

摘要： 无人驾驶技术是当前备受关注的技术之一,其应用不仅可以有效地解决交通拥堵问题,还可以提高交通安全性,促进交通产业升级。但是,由于技术不完善,相关法律不完善广义上的无人驾驶发展受阻,而针对特定场景的无人驾驶技术将更快的得到应用落地,比如园区内的无人递配送车、无人驾驶观光车等。避障路径规划和路径跟踪控制是无人驾驶技术中的核心技术,有诸多问题亟待解决。综上,本文旨在研究开放式园区无人驾驶观光车的避障路径规划和路径跟踪控制技术,以促进无人驾驶技术在实际应用中的进一步发展。针对园区内半结构化道路路况复杂、路径规划困难等问题,提出了一种未知障碍物分布的避障路径鲁棒规划方法。首先,提出了一种改进的向量场直方图(Vector Field Histogram,VFH)算法确定了最优可通行区域,进而基于最优可通行区域给出了目标状态的确定方法;其次,根据起点与目标状态,提出了基于分段二次贝塞尔曲线的避障路径的描述方法。然后,基于车辆运行曲率约束与目标点的方向变化裕量约束,建立了曲线参数的优化问题,采用序列二次规划(Sequental Quadratic Programming,SQP)算法对曲线参数进行优化;最后采用仿真实验与实车实验验证了所提方法的有效性与实用性,相比其他方法,该方法路径最短且鲁棒性更好。针对机理模型与无人驾驶观光车存在误差且数据驱动建模会受采集数据波动影响的问题,提出一种基于机理模型与数据驱动的车辆运动模型。将车辆机理模型作为数据驱动模型的先验知识,将机理模型预测的状态与实际数据进行比较,从而获得机理模型与实际车辆之间的误差。然后,使用有源自回归(Auto-Regressive with Extra Inputs,ARX)模型对误差进行补偿,从而得到更加准确的车辆运动状态预测结果。除此之外,本文对ARX模型的参数辨识方法进行了改进,在其常用的最小二乘法的性能指标函数中的参数变化限制权重项。最后,通过Matlab进行数值仿真,验证了模型的准确性与稳定性。针对无人驾驶观光车的路径跟踪过程中存在车辆参数复杂,且传感器数据会有波动的问题,提出了一种基于机理与数据驱动的车辆运动模型的路径跟踪自适应控制算法。该算法通过自适应控制器对系统参数进行估计和调整,以实现对路径跟踪控制。本文介绍了自适应控制的基本概念和设计方法,以及无模型自适应控制方法(Model-Free Adaptive Control,MFAC)。最后,通过仿真实验对本文所设计的路径跟踪自适应控制方案和MFAC进行了对比分析,验证本文所设计控制器有着较快的响应能力和较好的抗干扰能力。

关键词： 输入时滞   命令滤波器   自适应动态面控制   有限时间控制   输入量化   事件触发控制  

摘要： 在工业自动化、电力机群和多智能体等控制过程中往往存在输入时滞情况。这种时滞可能来自于执行机构的响应时间、信号处理和通信的延迟,以及控制器计算和执行的时间。输入时滞会影响系统的控制性能,甚至导致系统不稳定。近年来,含输入时滞非线性系统的自适应控制研究一直是控制理论领域的研究热点。但是当基于命令滤波自适应控制方法应用于含输入时滞系统时,以及在含输入时滞系统中考虑量化、事件触发和输入饱和等特性时,仍有较多问题有待解决。因此,本文针对几类含有输入时滞的不确定非线性系统,考虑系统具有状态约束、未建模动态和输入饱和等特性,结合量化控制、事件触发控制、神经网络逼近、有限时间控制和自适应控制等技术,提出几种基于命令滤波的动态面控制(DSC)方案。本论文的主要工作如下:第一,针对一类具有输入时滞和全状态约束的随机非线性系统,提出了一种基于命令滤波的自适应控制方案。结合命令滤波器设计合理的信号补偿器,解决了 DSC中黑箱函数所含变量难以精确描述问题。利用随机输入状态稳定和变能量函数处理随机未建模动态。完善了随机意义下的状态约束定义,并利用Pade逼近与非线性映射方法,将有约束的短时滞系统转换成无约束无时滞系统。对于所设计的命令滤波器,不需要假设输出和输入之间的误差是有界的。仿真实验验证了控制方案的有效性。第二,针对一类具有未知输入时滞和输入不连续的非线性系统,提出了一种基于命令滤波的有限时间控制方案。输入不连续使得基于求导的传统时滞处理方法无法应用,且时滞未知也增加了设计难度。本文在利用信号补偿器处理DSC中黑箱函数的基础上,提出新的补偿器设计方法,能够同时处理命令滤波补偿和未知不连续时滞输入的补偿。设计了合适的Lyapunov泛函,证明了所有信号都是半全局有限时间实用稳定。第三,研究了具有输入饱和与未知输入时滞的多智能体系统有限时间控制问题。在系统地分析当前多智能体系统各个跟随者之间可能存在不同且未知的输入时滞基础上,设计了一种新的命令滤波补偿信号。通过该补偿信号,不仅解决各个跟随者之间不同输入时滞问题,同时也解决了输入饱和导致的输入不可求导问题。通过图论与基于命令滤波的动态面控制,实现了各个子系统与领导者的协同控制。通过数值仿真证明了该方案的有效性。

关键词： 蒸汽发生器   数据驱动控制   无模型自适应控制   自适应动态规划控制   强化学习控制  

摘要： 蒸汽发生器是连接核动力装置一、二回路的核心装备,集热交换和蒸汽生产于一体,其工作状况直接影响核动力系统的工作性能和安全生产。蒸汽发生器系统的本质强非线性以及内部复杂的物理过程,使得控制设计面临极大挑战。同时,系统本身存在的多耦合、多变量、多约束以及复杂环境扰动等问题也对控制性能提出了更高要求。传统控制技术的自适应性和自学习能力通常存在不足,导致其无法实现核动力装置的最优和高效能控制。数据驱动控制方法通过挖掘受控系统输入/输出的有效数据来设计控制器。它根据系统运行数据设计性能指标函数、建立奖惩机制等来引导最优控制策略的产生,获取系统控制规律,具有快速收敛性、强鲁棒性以及不依赖于专家经验的自整定等优势。因此,探索具有智能自主调节能力的数据驱动控制方法,可望有效解决核动力蒸汽发生器系统存在的多变工况、复杂环境扰动、强非线性等问题,为其高性能控制设计提供技术支撑。综上,本文开展了核动力蒸汽发生器数据驱动智能控制研究。首先,根据核动力蒸汽发生器控制的研究现状和发展趋势,分析了研究其控制方法的重要性和必要性,并阐述了该领域面临的挑战和瓶颈。其次,简单描述蒸汽发生器运行原理,建立了蒸汽发生器数学模型,并对其进行动态特性分析,验证模型正确性和有效性。接着,从经典方法无模型自适应(Model Free Adaptive Control,MFAC)着手,提出了一种类似PID的控制结构并结合遗传算法的MFAC方法,验证了数据驱动控制的可行性。然后,探索了具有一定学习能力的数据驱动ADP控制方法,提出了一种新颖的双评价网络自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming,ADP)控制方法应用于蒸汽发生器,很大程度上改善了系统性能。进一步,基于获得的研究经验,继续挖掘数据驱动控制器的自学习能力,开展了蒸汽发生器数据驱动深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)控制研究,并对提出的三种方法进行了比较分析,DDPG控制方法在快速性、鲁棒性等方面综合评价最为突出。最后,对蒸汽发生器在复杂环境下的数据驱动控制进行了仿真研究,从复杂环境扰动、多任务模式、特性衍变以及未知通信故障等多个方面,验证了数据驱动控制方法的强自适应与处理非设计工况的能力。

关键词： 滑模控制   容错控制   自适应控制   姿态跟踪   执行器故障  

摘要： 航天器需要在恶劣的太空环境里做出各种机动以完成诸如对地观测和航天器之间的对接等航天任务,因此姿态跟踪向来是航天器控制领域的热点和难点,如何让航天器快速而精准地跟上期望姿态也一直是专家学者们最关心的问题。为此,本文综合利用滑模控制、自适应控制和容错控制等方法,研究了航天器姿态跟踪控制问题。首先,基于两相幂次趋近律提出了一种基于线性滑模的自适应容错控制方案;然后对滑模面进行改进,设计了一种基于终端滑模的自适应有限时间容错控制器。具体研究成果为:(1)针对具有执行器故障的航天器姿态模型,基于两相幂次趋近律构造了一种自适应容错控制器。该设计方案能够使得系统状态较快地收敛到滑模面,且收敛时间计算简便。(2)针对线性滑模面以及系统状态渐近收敛所存在的不足,基于终端滑模设计了一种有限时间自适应容错控制器。在该控制器的作用下,系统状态接近滑模面及收敛至平衡点的速度较快,收敛时间有限且易于计算,具有较好的控制效果。(3)上述两种控制策略均使用自适应技术来实现对未知参数的估计,有效增强了系统的鲁棒性。除此之外,通过对执行器进行冗余配置,即使一个或多个执行器完全失效,剩余的执行器仍然能够提供足够的控制力矩,保障航天器顺利完成对期望姿态的跟踪,提高了系统的可靠性。

关键词： 锚泊定位   位置导引函数   辅助动态系统   鲁棒自适应   改进遗传算法  

摘要： 锚泊定位系统因其结构简单、成本较低且可靠性与安全性较高等优势在工程船舶中得以广泛应用。然而,锚泊定位系统受船舶运行条件及环境干扰等因素的影响存在明显的不确定性,同时系统输入存在限制,进而对工程船舶锚泊定位系统的可靠性、安全性、鲁棒性提出更高要求。因此,本文以工程船舶为研究对象,针对其锚泊定位鲁棒控制开展研究,主要研究内容如下:(1)针对系统输入受限下的工程船舶锚泊定位控制问题,设计抗饱和导引动态面控制器。首先,对锚泊定位系统输入受限特性进行分析;其次,设计位置导引函数限制系统输入变化率,设计饱和平滑函数处理饱和限制,引入辅助动态系统降低输入饱和对系统性能的影响,在此基础上设计抗饱和导引动态面控制器,并通过李雅普诺夫函数证明系统稳定;最后,通过仿真实验证明控制器的有效性。(2)针对存在系统不确定性的工程船舶锚泊定位控制问题,设计鲁棒自适应抗饱和导引动态面控制器。首先,对锚泊定位系统不确定性进行分析;其次,设计干扰观测器估计未知时变海洋环境干扰,设计自适应律补偿不确定性对系统性能的影响,设计鲁棒控制项补偿系统误差,在此基础上设计鲁棒自适应抗饱和导引动态面控制器,并通过李雅普诺夫函数证明系统稳定;最后,通过仿真实验证明控制器的有效性。(3)针对锚泊系统张力分配优化问题,设计基于改进遗传算法的张力分配优化算法。首先,对锚泊系统物理特性进行分析,建立优化模型,设计基于受力均匀度及目标张力控制的目标函数;其次,针对遗传算法固有缺陷,对初始种群生成方式、交叉算子与变异算子更新策略加以改进,提出一种改进遗传算法应用于锚泊系统张力分配优化问题之中;最后,通过仿真实验证明优化算法的有效性。

关键词： 永磁同步电机   不确定性干扰估计器   滑模控制器   误差符号的鲁棒积分   非线性观测器   自适应控制  

摘要： 近年来,永磁同步电机由于其结构简单、效率高、节能等优点,已逐渐成为工业领域最具潜力的电机之一,被广泛应用于铁路牵引系统、电动汽车、航空航天等领域。但是,电机中存在的不确定性和外部干扰会对电机的速度精度产生影响,而如何克服系统中的不确定性和外部干扰,对于电机的速度跟踪精度具有重要的研究价值和意义。本文针对含有不确定性和外部干扰的电机系统,基于滑模控制、自适应控制、不确定性干扰估计器、非线性观测器等方法设计了解决外部干扰问题和提高响应速度的方法,主要研究内容如下:(1)考虑到永磁同步电机伺服系统存在的不确定性和未知扰动,设计了一种基于不确定估计器的滑模控制器。首先,设计不确定性干扰估计器估计未知扰动。然后,针对电机存在的抖振、跟踪精度差问题,设计基于不确定性干扰估计器的永磁同步电机滑模控制策略,并基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后,在不同外部干扰条件下进行仿真,仿真结果表明,设计的控制器跟踪误差很小,证明其具有良好的抗干扰能力。(2)为了减少对于模型数据信息的依赖,设计了一种基于误差符号的鲁棒积分的自适应滑模控制方法。首先,设计误差符号的鲁棒积分观测器并证明了它的稳定性。然后,设计自适应滑模控制器并结合补偿的外部扰动,并基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后,在不同外部条件下进行仿真和实验,仿真和实验结果表明,该方法使得响应速度提高了0.1s,减小了超调8r左右,且有效抑制了滑模控制器中存在的抖振。(3)为了简化计算、调参的流程,设计一种基于非线性观测器的永磁同步电机快速终端滑模控制。首先,改进非线性观测器估测外部扰动。然后,改进新的混合趋近律,并基于此设计快速终端滑模控制器,并基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后,在不同外部条件下进行仿真和实验,仿真和实验结果表明,该方法有效改良不确定性和外部干扰,该方法使得响应速度提高了0.05s,改善滑模控制器的抖振。

关键词： 水下低频噪声   主动控制   相控阵   定向调控  

摘要： 水下航行体作为水下重要的探测平台,其辐射噪声不仅是暴露自身的主要特征,还会对自身水声探测设备产生干扰,影响探测距离和探测精度,对其辐射噪声实施有效控制可以有效提高其隐蔽性与作战能力。目前,水下航行体辐射噪声有源控制方法广泛受到关注,但是对于大尺度复杂结构,很难实现全空间声场的有效降低,因此,如何利用有限次级声源实现主要辐射方位的噪声控制具有十分重要的研究意义与应用价值。本文总体思路是从阵列天线理论以及相控阵技术入手,调控次级声源阵列对水下航行体的低频辐射噪声进行定向主动控制。首先对阵列理论和阵列相控偏转进行了介绍,通过阵列理论引出不同阵型不同角度的阵列方向图,以及阵元延迟对波束指向角的影响。其次,介绍了基于声波叠加原理的有源降噪理论,将传统控制系统中的次级声源由组合声源变为阵列形式,通过调节次级声源阵列输出,在误差点处产生与主声源同幅反相的声波。然后,本文采用数值分析的方法,对组合脉动球源的声场特性进行了分析,针对线列阵和面阵两种情况进行了不同方向上的噪声控制效果对比。之后,以水下圆柱壳体为基本模型,开展了基于相控阵的水下结构低频辐射声场主动控制效果的数值仿真分析。最后,在消声水池中进行了主动控制方法的原理性验证试验。仿真和试验结果均表明,本文所提出的基于相控阵的主动控制方法可以对水下结构进行定向低频噪声控制。

关键词： 风力发电机   桨距角控制   鲁棒控制   PI控制   线性自抗扰控制   极值搜索算法  

摘要： 由于目前世界环境面临的挑战,人们对能源需求日益增长,在可再生能源中风能凭借其低成本和可靠性等优势快速发展起来。本文针对大型风力发电机组(Wind Turbine Generation,WTG)的桨距角模型提出了利用线性自抗扰控制器(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)进行分析和设计的问题。自抗扰控制是由韩京清教授所提出的一种先进控制方法,其核心思想是将系统内部扰动和外部扰动视为“总扰动”,通过设计扩张状态观测器对其进行估计和补偿。为了便于控制器参数整定以及将其应用在工业场景中,高志强教授在韩的基础上改进提出了线性自抗扰控制器。本文围绕带迟延的四阶桨距角模型的LADRC设计问题进行了如下研究:1.根据现有的文献推导出变桨控制系统液压驱动单元中包含时滞的风机桨距角模型,在不同的模型配置和工况下,分别得到了三组额定功率不同的风机桨距角模型。针对此类具有时滞的高阶振荡模型,通过伯德图、系统闭环零极点图以及阶跃响应实验研究其动态特性,分析了被控对象因为存在时延和非最小相位环节给控制器设计带来的难点。2.考虑到被控系统易振荡的特点,尝试设计将稳定性和可靠性作为首要目标的鲁棒控制器进行控制。采用回路成形法设计H∞控制器,通过与现有的PI控制方法进行仿真对比,结果表明H∞控制器的设定值追踪能力虽有提升,但在面对扰动时容易振荡,且控制器阶数过高,不易实现。3.设计了一阶线性自抗扰控制器,在一定鲁棒度约束下采用极值搜索算法最小化所选取的成本函数,以达到优化参数的目的。在Matlab/Simulink环境下,改变工况进行仿真测试。结果表明,经过算法优化后的LADRC具有比传统PI控制以及鲁棒控制更加稳定、快速的跟踪性能以及抗扰能力,仿真结果说明了设计的可行性。

关键词： 越野轮胎起重机   路谱   悬挂系统   自适应控制   阻尼元件  

摘要： 越野轮胎起重机是一种具有越野行驶和带载行驶功能的起重机，车辆悬挂系统影响车辆行驶平顺性和安全性，是减少行驶振动冲击的关键。悬挂系统一般由缓和冲击的弹性元件、衰减振动的阻尼元件和导向机构3部分组成。悬挂系统将车架所受的重力传给车桥，缓和与吸收车辆在不平道路上行驶时因车轮跳动所造成的对车架的撞击和振动，保证车辆行驶时的平稳，提高乘坐的舒适性和操纵的稳定性。

关键词： 原位地质信息探测   轮式机器人   打滑   支撑力测量   PID控制  

摘要： 西北区域广袤无垠的黄土高原,孕育了灿烂的华夏文明,养育着亿万中华儿女。但受黄土本身结构复杂性和灾害易发性影响,尤其是受到工程扰动,并叠加降雨带北移,近期出现了大量地质灾害,滑坡、崩塌、湿陷等现象尤为突出,严重影响人民生产生活,甚至威胁生命安全。为防止后续地质灾害的发生,需要获取黄土的原位地质信息,揭示致灾机理。为此将管道机器人技术和机器视觉技术相结合,进行地质信息原位探测。机器人室内外试验结果发现,孔内局部位置的孔径或附着性能发生变化时,机器人行走作业稳定性和信息采集质量受到一定影响。本文在原有机器人控制系统的基础上进行环境自适应控制性能开发,主要研究内容如下:首先,对机器人变径及支撑力测量原理进行分析,建立不同孔径支撑力与力传感器检测值、机器人支撑机构中螺母位置与孔径大小之间的函数关系,为实时获取机器人在孔内上下运行过程中的支撑力提供理论模型。在此基础上基于支撑力传感器、变径电机、变径电机编码器、机器人主控制器,开发相关控制算法,提高机器人在黄土孔内变径条件下的环境自适应能力。其次,机器人在黄土孔洞中地质信息探测时易出现打滑现象,在对打滑机理和附着性能深入分析基础上,基于激光测距原理,选择高精度激光测距仪,并设计测距传感器与机器人主控制器之间的无线通信模块,实现机器人作业过程中的实时定位。在此基础上,建立机器人滚轮滑转率计算模型,以及与之相关的支撑力动态PID控制模型,实现孔内复杂环境下的机器人行走自适应控制。最后,搭建了室内的变径试验平台及有机玻璃管试验平台,对机器人进行调试。室内调试结束后,通过野外黄土孔洞试验检验机器人的环境自适应能力,通过试验过程中记录的机器人孔内行走的支撑力、滑转率分析机器人在黄土孔中的运行状态。野外试验结果验证了环境自适应控制系统的有效性。