关键词： Markov跳变系统   稳定性分析   状态估计   智能控制   网络攻击   数据传输协议  

摘要： 作为一类由事件和时间两种动态机制共同驱动的混杂系统,Markov跳变系统由于能够准确地对实际工程中结构和参数的随机跳变现象进行建模而受到广泛关注。另一方面,基于网络的控制架构已逐步成为包括Markov跳变系统在内的许多复杂动态系统主流的控制方式。相关研究成果已成功应用在语音识别、智能电网和智能交通系统等领域。通信网络的引入在带来便利的同时,也产生了诸如丢包、带宽受限、网络攻击等许多值得深入讨论的问题。有鉴于此,本论文围绕网络化Markov跳变系统,重点研究由网络攻击和数据传输协议造成的信息不完整情形下的分析与综合问题,包括稳定性分析、状态估计器和控制器设计。主要研究工作与贡献如下:1)针对能量受限拒绝服务(denial-of-service,Do S)攻击下的随机Markov跳变系统,研究其指数均方稳定性问题。提出了一种基于采样数据的Round-Robin(RR)协议以周期性地发送测量信号。在此基础上,利用时滞转换方法,将控制器实际接收到的测量信号转化为一系列时滞数据。基于切换建模技术,将Do S攻击下的系统建模为一个具有不稳定子系统的切换时滞随机Markov跳变闭环系统。发展了分段Lyapunov-Krasovskii泛函方法的随机拓展,并得到保证闭环系统指数均方稳定性的一系列判据。这些判据揭示了时滞上界和Do S攻击参数对系统稳定性的影响机理。2)针对概率欺骗攻击下的Markov跳变系统,研究其自适应神经网络(neural network,NN)状态估计问题。分别采用了RR协议和Weighted Try-Once-Discard(WTOD)协议两种通信协议来协调传感器的传输顺序。引入了类隐Markov模型来表征概率欺骗信号与系统模态之间的关系。在此基础上,设计了一种基于NN的状态估计器以降低概率欺骗攻击的影响。分别推导了两种不同通信协议下保证状态估计误差指数均方最终有界性的充分条件,进而给出相应的状态估计器增益设计方法。3)针对双重欺骗攻击下的非线性网络化系统,研究其区间二型(interval type-2,IT2)Takagi-Sugeno(T-S)模糊异步控制问题。利用Markov通信协议来随机分配传感器访问网络的权限。在此基础上,将内嵌了Markov协议的非线性网络化系统建模为IT2T-S模糊Markov跳变系统。引入了两个新的非线性加权函数以重构系统的隶属度函数,并由此设计了IT2 T-S模糊异步观测器和控制器。利用松弛矩阵和Lyapunov函数方法,给出了指数均方最终有界性判据,并揭示了随机噪声、欺骗攻击与闭环系统渐近上界的关系。4)针对欺骗攻击和周期型Do S攻击下的离散Markov跳变系统,研究其事件触发自适应NN控制问题。设计了模态依赖的事件触发机制以节约通信资源。对于Do S攻击造成的触发数据失效现象,基于零阶保持器(zero-order holder,ZOH)给出了Do S攻击下触发不等式的新估计。对于未知非线性欺骗信号造成控制信号失真现象,设计了一种基于NN的观测器来估计恶意信号并在控制器中进行补偿,减少了欺骗攻击对系统性能的影响。利用Lyapunov理论和奇异值分解方法,给出了闭环系统依概率有界的充分条件,并设计相应的观测器和控制器。5)针对虚假数据注入(false data injection,FDI)攻击下的未知非线性Markov跳变系统,研究其事件触发无模型自适应控制问题。通过将控制信号和FDI信号视为两个玩家,在零和博弈的框架下讨论其最优安全控制问题。基于转移概率以及加权和法,将Markov跳变系统的多目标优化问题转化为单目标优化问题。设计了一种新的事件触发阈值以降低数据传输频率。提出了一种基于自适应动态规划(adaptive dynamic programming,ADP)的无模型在线学习算法,并基于Lyapunov理论给出了保证NN权重估计误差有界性的更新律设计方法。

关键词： 水培农业   智慧农业   现代农业   物联网技术   传感器技术  

摘要： 随着人口城镇化政策的实施,我国传统农业生产者数量呈现逐年下降的趋势。为贯彻落实新时代思想,尽快实现我国现代化建设目标,加强农业现代化建设是必要实现途径。因此探索一套智能化、无人化的农业作物生长环境控制系统是目前农业发展的首要目标。在我国现代化农业生产技术改革的过程中,主要存在两种作物栽培方式:土壤种植和无土栽培。目前我国无土栽培技术有基质营养液栽培、岩棉栽培两种,其中基质营养液栽培普遍被定义为水培技术。无土栽培中的水培技术是目前相对成熟的技术,对于提高土地资源利用效率、降低环境污染、实现精确种植等方面具有突出贡献。本文研究的基于物联网的作物水培环境智能控制系统运用计算机网络技术和物联网技术,有利于实现对作物各个生长时期对作物生长环境实现精确化、智能化、无人化管理,在资源浪费大、资源利用效率低和经济效益低等瓶颈中,具有突出优势,减少如病虫害、自然灾害和自然环境对作物生长造成的不可逆影响,尽可能提高资源利用率与生产效率,同时减少对环境的污染。本文围绕无土栽培环境下的水培技术发展需求,基于物联网技术设计并实现了一套针对作物在各个生长阶段的环境控制系统,对作物生长环境进行实时监测、控制和管理。首先研究国内外现代农业发展现状,对现代农业生产中存在的缺陷和瓶颈进行分析:农业发展存在资源利用效率低、资源浪费大、环境污染不可逆和投资风险较大等缺陷,其原因在于没有一套完善的作物环境控制系统和算法对作物最佳生长环境进行预测和控制。故本文提出一套基于物联网的作物水培环境智能控制系统,对作物生长各个阶段进行实时监测,通过算法,实现对作物环境的控制。通过物联网和计算机控制,进一步提高了农业生产过程中的自动化水平,并且降低系统操作难度,为用户提供方便简洁、客观明了的控制终端,实现对作物生长环境的实时查看、控制和反馈。本文研究的基于物联网的作物水培环境智能控制系统主要实现以下功能:(1)软件方面:用户可以实时对作物生长环境的查看、控制和意见反馈,提高农业无人化生产和自动化水平。(2)硬件方面:实现对作物生长环境的实时监测、控制,能够实时采集作物生长环境数据并进行数据传输,使各个部件能够正常工作。(3)算法方面:本研究基于物联网的作物水培环境智能控制系统在控制算法方面,基于增量型PID控制算法思想和模糊控制算法思想,设计并实现了基于误差率的环境控制算法,对环境进行控制。系统测试结果表明,本文设计并实现的基于物联网的作物水培环境智能控制系统能够在实际生产环境中进行运用,硬件、软件部分均能够正常工作,完成系统相关需求,为水培农业环境控制方面的发展提供一套可行性方案。

关键词： 燃气发动机   燃气供给系统   空燃比控制   自适应控制  

摘要： 21世纪以来,全球天然气产业发展迅猛,已经进入飞速发展的黄金时期。天然气经济实惠、环保可靠,其独特优势正在推进能源消费结构的改变。伴随低碳发展与空气污染控制举措的双重推动,天然气在未来极有可能取代煤炭,成为世界第二大能源来源。使用天然气作为燃料,一方面能缓解石油等燃油能源的迫切需求,向低碳化过渡,另一方面,燃气燃料能够发挥能源转型的搭桥作用,为氢能、电能等新能源板块发展提供缓冲空间。与传统发动机相比,燃气发动机燃烧成本更低,具有良好的经济效益,能有效减少温室气体排放。燃气发动机良好的控制性能与车辆节能减排密切相关,因此,本文以燃气发动机为研究对象,考虑燃气供给系统故障因素,围绕燃气发动机模型建立、自适应控制器设计以及数值仿真验证等方面展开,通过调整燃气供给量来提升发动机的性能。主要研究内容如下:发动机的正常运行,需要有合适的空燃比。发动机的空燃比支配着燃烧的速度、温度和压力,更是影响发动机功率、排放的重要因素。本文根据燃气发动机相关动态模型和空燃比控制模型,用燃气供给系统失效因子来表示故障信号,引入失效因子,在此基础上建立燃气发动机空燃比控制模型。若燃气供给系统出现故障,会造成燃气喷射量出现偏差,空燃比也随之发生改变,从而影响发动机性能。为应对上述情况,设计出一套自适应空燃比控制策略,考虑燃气喷射量波动的影响,实现对空燃比的有效控制。基于自适应算法和李雅普诺夫方法,设计自适应控制器,并对系统进行稳定性分析。利用Matlab/Simulink搭建了发动机仿真模型,选取多种工况验证了所设计自适应空燃比控制器的效果。结果表明,在发动机燃气喷射量波动的影响下,控制器能将空燃比控制在理想值附近,控制效果良好。电子节气门系统通过调整节气门开度来控制空气进气量,协助燃气供给系统提高空燃比的控制精度。当电子节气门处产生过多积碳,进气通道截面积改变,会引起空气进气量失准。基于上述问题,设计了考虑电子节气门积碳的开度自适应控制器,并通过仿真验证了控制器的有效性。

关键词： 跳变系统   时滞系统   鲁棒控制   有限时间稳定   矩阵不等式  

摘要： 在实际系统中,由于工作环境的变化或系统组件的故障,系统的状态会经常发生一些跳变,如果未对其进行合理的考虑则可能会造成系统性能的下降。马尔科夫跳变系统作为一种描述随机系统的重要方法,可以方便地描述实际应用中的许多系统,从而有大量学者通过研究马尔科夫跳变系统来解决实际系统的分析与控制问题。此外,由于信号的传输和处理需要消耗时间,在实际系统中,时滞往往不可避免,时滞的存在同样会导致系统的性能不佳甚至是系统受损。因此,研究马尔科夫跳变时滞系统的稳定性分析及控制方法具有重要的理论意义和应用价值。本文利用线性不等式技术讨论了几类马尔科夫跳变时滞系统的稳定性分析、有限时间能量峰值控制和H控制等问题,主要内容概括如下:(1)针对网络化控制系统中信号传输时滞及量化误差的控制问题进行了讨论。将网络化控制系统描述为变时滞系统,并基于候选函数及相关数学运算获得了使变时滞系统保持H稳定的定理,同时在此基础之上给出了信号量化误差的解决办法。(2)基于线性矩阵不等式技术,探讨具有输入时滞的马尔科夫跳变系统状态约束的控制问题,给出了系统在状态约束下H稳定的控制器设计条件,并将此条件推广到系统含有不确定性的情况中讨论,且所得定理相较于现有的一些成果具有较小的保守性。(3)研究马尔科夫跳变时滞系统的有限时间能量峰值控制问题。首先,基于牛顿莱布尼茨公式,用含有多个分布时滞项的状态空间来描述纯时滞系统,同时,根据线性矩阵不等式技术,得到了马尔科夫跳变纯时滞系统有限时间能量峰值稳定的充分条件,并在此基础上将定理拓展到马尔科夫跳变常时滞系统上,进而得到了满足两种时滞情况下的稳定性定理及控制器设计方法。将本文所得定理采用相关数值实例进行验证。实验结果表明,本文的控制方法不仅可以有效地保证马尔科夫跳变系统在不同时滞情况下的稳定性,而且相较于其他控制方法具有一定的优越性。

关键词： 制导控制系统   自适应控制   非线性模型预测控制   三维制导律  

摘要： 在现代战争中制导弹箭逐渐成为决定战争走向的关键武器装备力量,因此各国都投入了大量的科研人员进行信息化制导弹箭的研发,以提升弹箭的精准打击能力。近年来,智能化技术也大量引入制导弹箭技术研发,已期通过智能化技术进一步提高弹箭作战效能。本论文针对制导弹箭的运动模型具有较强的时变性和非线性等特点,研究了两种可以实现在线控制的姿态控制器设计方案,并基于现代控制理论提出了一种三维制导律设计方案。 针对线性化解耦得到的俯仰通道的制导弹箭运动模型,基于模型参考自适应控制理论设计了两种自适应控制器。首先基于精确的二阶传递函数,应用李雅普诺夫稳定理论通过数学推导得出了控制器参数的自适应律,并且通过仿真实验验证了该控制器在不同特征点处都具有期望的控制效果。考虑到线性化模型具有比较大的未建模误差,采用RBF神经网络和最近邻聚类学习算法对导弹的模型进行在线辨识,并结和单神经元自适应PID控制器完成了俯仰通道的优化自适应控制器设计,通过仿真实验验证了该控制器的在线控制效果。 针对制导弹箭的复杂的非线性模型,考虑到执行机构的饱和约束问题以及在线控制能力提出了一种基于非线性模型预测控制的姿态控制器设计方案,该控制方案可以同时求解三个通道的最优控制量。为了提升非线性优化问题的求解效率,采用了粒子群优化算法进行每个采样时刻的控制量的优化求解。最后通过仿真实验验证了该控制方案的有效性。 针对三维空间中的弹目运动方程,考虑到目标的机动性和制导弹箭加速度饱和约束问题,提出了一种有限时间收敛的自适应积分滑模三维制导律设计方案。该方案,采用有限时间扰动观测器对目标的机动信息和加速度饱和约束引起的控制误差进行估计,然后基于滑模控制理论选择自适应积分滑模面和指数趋近律完成了三维制导律的设计。最后通过仿真实验证明了该三维制导律在加速度饱和约束下的制导效果。

关键词： 自适应控制   机械参数辨识   永磁同步电机   电气参数辨识   观测器  

摘要： 永磁同步电机(PMSM)凭借其各种优点,被越来越多地应用于国防、航空航天、电动汽车驱动等领域。随着科技和社会水平的发展,电机控制系统的高可靠性和高稳定性成为众多领域的关注焦点。但当电机在长时运作、温度变化、负载变化等多种复杂多变的应用场景下运行时,电机的相关参数则会发生变化,这也将导致控制器性能产生一定程度的劣化。因此,本文针对PMSM参数辨识及自适应控制系统中存在的问题,主要进行了以下研究: (1)在机械参数辨识过程中,传统滑模观测器(SMO)存在抖振和响应慢等问题,且需要额外滤波器来获得更准确的辨识结果,这可能导致辨识结果的时延和幅值衰减。针对以上问题,首先提出了一种扩展滑模观测器(ESMO)来实现黏性摩擦系数和转动惯量的辨识,其等效低通滤波环节可以避免由于使用额外滤波器而产生的抖振、相位滞后和幅值衰减问题,从而提高辨识结果精度、减小参数敏感性。然后设计Luenberger观测器对负载转矩进行单独辨识,以减小参数耦合的影响并根据所观测的扰动对其进行精确补偿。 (2)在电气参数辨识过程中,模型参考自适应辨识方法(MRAS)的运用存在着欠秩的问题,且该观测器只能在一定速度范围内稳定工作。针对以上问题,首先,设计梯度下降法率先辨识电感。对隐极式永磁同步电机而言,交直轴电感可认为相同。且当电机在稳定运行时,电感和转速的大小均可认为恒定,为此电流方程将得到极大的简化,此时运用梯度下降法能够在较低误差的情况下辨识出电感值并为后续参数的辨识奠定基础。然后,设计了一种切换PI自适应机制的MRAS观测器对定子电阻和磁链进行辨识。通过研究分析MRAS观测器的结构,将电流误差变量的幅值作为分段阈值,使MRAS观测器能够根据电流误差选择合适的PI增益,从而提高在不同转速情况下MRAS观测器辨识结果的准确性。 (3)针对双闭环控制策略中PI控制器增益固定问题,提出基于机械参数和电气参数的PI自适应控制方案。考虑到电流环和速度环的特性差异,分别设计电流环和速度环的自适应增益。在速度环的整定中,为了获得较好的动态响应性能,以获得最大相角裕度为设计目标的同时,考虑系统响应的动态稳定性和快速性,引入三阶最佳法对系统进行校正,然后根据参数辨识结果自适应调整PI增益,从而提高PMSM在参数摄动情况下的控制性能。

关键词： 高速公路隧道项目   隧道照明   LED照明智能控制系统   节能系统  

摘要： 我国山区面积广，高速公路隧道数量多，隧道照明电费在隧道运营总成本中的占比较高，当前国家正大力推行“双碳”政策，研究并应用公路隧道LED照明节能技术，已成为响应该政策的重大举措。基于此，文章以某公路隧道机电工程为案例，论述了公路隧道照明出现的问题，分析了LED照明无极调光技术，设计了LED调光控制系统，根据隧道外的光线亮度，动态调整隧道内的亮度值，确保各区域亮度平稳过渡。通过应用该照明系统，结果显示，一方面能满足公路隧道内照明需求，确保行车安全，另一方面还可降低电能消耗，具有极大的推广应用价值。

关键词： 航空发动机   涡扇发动机   鲁棒控制   模型预测控制算法  

摘要： 航空发动机是结构复杂、运行工况多变、多变量、带约束的非线性系统，因此对控制系统有较高的要求。模型预测控制算法处理带约束的多变量优化控制问题具有天然优势，在航空发动机控制领域应用越来越广泛。然而，模型预测控制算法需要在每个控制周期内计算复杂的优化问题，计算负担重，特别是对于航空发动机这种快速系统，在嵌入式系统上实现模型预测控制算法难度很大，尤其是在低端的微处理器中。本文以某型涡扇发动机为研究对象，设计在线计算的模型预测控制算法，在低端的微处理器中部署该算法，并进行实时性验证。本文的主要工作如下：　　(1)设计线性模型预测控制器。辨识出特定工况下的涡扇发动机的线性模型，并进行增广处理，将误差的积分引入状态空间模型，消除由于模型失配等问题造成的稳态误差。构建二次规划问题，将状态变量和控制变量一起作为优化变量，从而使系统矩阵变得稀疏，再使用交替方向乘子法加速计算。仿真结果表明，设计的控制算法对各个工况下的涡扇发动机都具有良好的动态和稳态控制效果。并且验证了控制器对受干扰的系统也能实现有效控制，具备一定的鲁棒性。　　(2)设计非线性模型预测控制器。辨识出涡扇发动机的神经网络模型，设计优化控制问题，将控制变量的导数作为优化控制输入，将状态量和对应的上一时刻的输入作为状态变量，采用序列二次规划算法进行优化问题求解，使用多重打靶法加快求解过程。仿真结果表明，设计的非线性模型预测控制算法能够对涡扇发动机实现良好控制，并且控制器对受干扰的系统展现出一定的鲁棒控制效果。　　(3)为了验证控制器的实时性，搭建硬件在环仿真平台进行实验验证。将设计的线性模型预测控制算法和非线性模型预测控制算法部署到单片机上，在各环节实施过程中都以减少计算时间为导向。将模型移植到工控机中，设计模型和控制器的闭环通讯流程，设计上位机对硬件在环仿真过程进行监控、对实验数据进行记录，进行硬件在环仿真实验。经过验证，设计的模型预测控制器都能对涡扇发动机模型实现实时控制，验证了模型预测控制算法在嵌入式平台的成功应用。　　(4)针对涡喷发动机设计线性模型预测控制器，并依次进行数值仿真实验和台架试验验证。结果表明，设计的控制器能够对真实的涡喷发动机进行实时控制，并且控制效果满足要求，进一步验证了控制器的工程适用性。