关键词： 智能微网   功率平衡稳定输出   线性积分调节   分布式控制   自适应控制  

摘要： 随着分布式发电单元以智能微网的形式加入到电力系统当中,使区域化互联智能微网规模逐渐扩大,结构变得复杂,一级控制已不能满足智能微网的结构协调和日益增长的电力需求,给智能微网中的功率平衡、系统运行的稳定控制都带来了新的挑战。依据改进型下垂控制实现功率平衡在保障电力系统运行效率和输出稳定方面具有极其关键的作用。本文以智能微网作为研究对象,建立系统模型并针对功率平衡问题,基于下垂控制策略进行了研究,主要内容如下:1)对于智能微网中标称结构模型不能及时有效地处理参数不确定性的问题,采用一种多变量线性积分反馈调节控制器。在分析标称模型的渐近稳定性和功率特性的基础上,通过锁相环使系统频率不再发生波动,然后将滤波器参数不确定性添加到该模型中,分析新模型不确定有界范围,通过李雅普诺夫意义下的黎卡提方程设计控制器并进行稳定性验证,以达到优化不确定模型、抑制电压畸变和功率输出平衡的目的,确保智能微网系统稳定运行。2)针对多智能体微网各单元并联相接引起的功率输出不平衡问题,采用了基于下垂控制策略且考虑其通信延迟的影响而设计协同控制器,并对系统进行李雅普诺夫函数意义下的稳定性分析。为了确保电能质量的输出,根据智能微网的通讯拓扑结构,实现分布式单元并联时的功率平衡和输出一致性稳定,在MATLAB/Simulink中验证采用系统模型的可靠性和控制器的有效性。3)针对智能微网中扰动给系统运行时功率输出带来的影响,从下垂控制出发设计分布式二次控制器。分析大信号模型下局部邻域误差,并根据通讯拓扑结构写出全局邻域误差,利用李雅普诺夫函数进行系统稳定性分析。在MATLAB/Simulink仿真软件环境中进行仿真模拟,实现智能微网负载不同比例下输出稳定以及无扰动和有扰动时在该控制器作用后,系统有功功率和无功功率的输出平衡。4)针对多电平逆变器对智能微网系统的输出影响,采用模型参考自适应控制器处理负载突变后可将输出电压值恢复跟踪到参考值。以五电平逆变器为例,分析其工作状态并采用状态空间平均技术对开关数学模型进行平均化,推导简化时不变线性模型,通过仿真验证五电平逆变器在智能微网运行时的稳定性。选取合适李雅普诺夫函数进行稳定性分析,在误差允许范围内实现了电压平均稳定输出。最后,针对本文所进行的研究做出了概括整理,并对未来的研究工作做出了预测。

关键词： PDCA   课程思政   研究生教育   智能控制  

摘要： 研究生教育肩负着高层次人才培养和创新创造的重要使命，是国家发展、社会进步的重要基石。文章以培养德才兼备的高层次创新型人才为目标，瞄准国际前沿，以智能控制课程为例，从课程思政建设与改革的角度出发，对研究生教育的现状与问题进行深入分析，整理出针对智能控制各教学单元的思政元素，提出一套基于PDCA循环管理模式的研究生课程思政建设与改革方案，旨在潜移默化地实现课程思政教育的入脑入心。

关键词： 容错控制   有限时间控制   自适应控制   传感器故障   执行器故障  

摘要： 在工业控制中,有许多繁杂而又重复的工作无法由人类亲自完成,如太空探索、深海探索及其他具有一定风险的任务。随着机械臂技术的不断进步,这些工作可以通过使用机械臂轻松完成。然而,因为需要在极端作业条件中长期进行工作和机械臂本身构造的限制,其搭载的传感器或执行器会不可避免地会出现故障,从而影响系统的控制性能,甚至导机械臂不按人们期望的轨迹运动。目前,针对机械臂容错方面的研究还不是太全面,仍有一些问题亟待解决。因此,研究机械臂系统在传感器或执行器发生故障下的容错控制是十分必要且有意义的。本文采用Lyapunov稳定理论、容错控制、有限时间理论、自适应控制等,研究了一类刚性机械臂发生传感器或执行器故障的轨迹跟踪容错控制问题,研究成果如下:(1)针对机械臂发生传感器失效、漂移、固定偏差、精度下降四种故障情况,建立机械臂系统故障模型,结合自适应控制、容错控制及有限时间理论,设计了具有传感器故障的机械臂系统有限时间自适应容错控制器。此外,在设计引入径向基神经网络技术及李雅普诺夫障碍函数,前者用于实现对系统中未知函数的逼近,后者用来确保系统的跟踪误差限定在给定区域。结果表明,在该控制器作用下,即使被控系统中发生了传感器故障,仍获得了较好的轨迹跟踪效果。(2)考虑到传感器和执行器可能同时故障的情况,且为了进一步提高系统的收敛速度,在已有的研究基础上,结合快速实际有限时间理论设计了一种快速实际有限时间自适应容错控制器。同时,通过引入微分跟踪器,克服了反推法中对虚拟控制律重复求导引起的复杂性计算问题。结果表明,该控制器能获得更快的响应速度及更好的鲁棒性。(3)通过仿真实例验证了以上方案的可行性,无论机械臂系统发生传感器或执行器故障,两种方案均能确保机械臂系统的实际输出与期望轨迹具有较好的跟踪效果。

关键词： 无人直升机   输出约束   状态约束   指定性能约束   神经网络控制  

摘要： 无人机(Unmanned Aerial Vehicles,简称UAV)是一种无人飞行机器,具有多种应用领域,包括但不限于军事、民用、商业和科学探索。无人机的出现和发展,推动了航空技术的进步和创新,为人们带来了更多的机会和挑战。无人直升机作为一种典型的无人机具有良好的应用前景,可以运输物资和设备,支持军事和民用应用得到越来越多的研究关注。然而,无人直升机在实际应用中面临着许多环境和设备本身的约束特性,例如气流干扰、高度和速度限制、机身和旋翼受力约束等,如果忽略这些约束特性,将会对直升机的性能和安全性产生负面影响,甚至可能导致设备损坏。为此直升机系统必须考虑这些约束特性,并在控制器设计中加以考虑和限制,同时约束特性增加了直升机控制器设计的难度和复杂度。由于约束条件的存在,直升机控制器必须同时考虑多个输入和输出变量,并且需要设计复杂的约束控制算法来解决这些问题。由此可见,约束控制对于直升机控制器的设计是一个极具挑战性的问题,需要在理论和实践中进行深入的研究和探索,对于直升机控制器设计和应用中,必须充分考虑和处理这些约束特性,才能实现更加安全和高效的直升机控制,只有这样,才能保证直升机的顺利运行,并降低意外事故的风险。基于上述说明,本文借助Quanser Aero的二自由度直升机平台开展了输出受限条件下二自由度直升机系统非线性控制的研究,并从以下方面入手:(1)研究了输出约束条件下非线性二自由度直升机系统的自适应神经网络控制问题,通过构建反步法进行控制,在此基础上,通过采用径向基神经网络来逼近未知的函数,实现对系统的自适应控制。同时,该研究还利用障碍李雅普诺夫函数的构造方法,对控制器的设计进行了优化,并通过自适应参数的设置使系统的输出不违反约束,最后通过仿真和实验的验证,证明了所提出的方法的有效性。(2)研究了状态约束下非线性二自由度直升机系统的自适应神经网络控制问题,在反步法的控制框架下,通过构造障碍李雅普诺夫函数函数进行控制器的设计,从而实现对直升机系统状态约束的控制。在此基础上,采用径向基神经网络对直升机系统中的未知函数进行估计,保证了系统的状态在预定的区域内,最后,通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性。(3)研究了一种针对满足规定性能约束的非线性二自由度无人直升机系统的神经网络控制方法。通过引入一个规定的性能函数来表示系统的约束条件,通过误差变换将一个有约束的跟踪控制问题转化为一个等价的无约束稳定性问题。设计了该神经网络控制器,以确保跟踪误差收敛到一个小的零邻域,并满足了规定的性能约束。此外,利用李亚普诺夫直接方法分析了系统的稳定性和误差收敛性。通过仿真结果和实验结果,验证了所提控制方案的有效性。

关键词： 蔬菜温室   自动化控制   PLC   Qt上位机   网络通信  

摘要： 温室种植是农业生产的重要方式,目前的温室自动化研究与应用多在水果、花卉等单株高价值领域,且多为单温室精细化控制研究方向。在单株经济效益差的蔬菜种植领域,自动化、智能化的应用还比较匮乏。本文通过应用自动控制、局域网通信、互联网通信等技术,开发一种专门用于蔬菜生产的,低成本、可根据生产规模分级升级的植物温室智能控制系统。通过树型拓扑结构分级设计,引入CC-LINK通信、以太网通信、OSI的二三层通信,分别实现1～52温室的家庭农场级控制系统开发、包含10～20个家庭农场的乡镇级合作社控制系统开发、包含10～20个乡镇合作社的县级统筹控制系统开发。本文所做的主要贡献体现在以下几点:(1)开发了单温室控制的植物温室智能控制系统。开发对应的时间预写入、光照强度保持、土壤湿度控制、温室内温度控制、可视化数显等模块将温室内日常维护工作转为自动控制。同时通过在滦州市某村北温室经营园内的数据采集与分析,发现了在本地冬季晴朗中午,温室内温度参数高频且大幅变化的问题,通过优化数据处理,解决了该问题。经过在本校农学组温室群实地测试,各设计功能稳定运行。(2)开发了家庭农场级的植物温室智能控制系统。通过搭建CC-LINK异型机通信系统,并对通信数据进行压缩处理,实现根据种植者拥有温室数量,集中联控最大52个温室的通信与管理的要求。在保证通信容量的同时,多温室联控的升级成本每温室可节约7500元左右。通过OPC UA通信使CC-LINK中心节点与PC通信,在可视化界面中对各温室进行集中管理。经实际测试,通信效果良好。(3)开发了乡镇级的植物温室智能控制系统。通过开发基于以太网通信的上位机,满足容纳10～20个家庭农场的通信管理需求。在乡镇合作社级的可视化操作界面中,包含对团体内多个家庭农场级用户的任一温室进行环境参数控制,与生成历史数据曲线两个特色功能,方便监管以及种植改进。可以将规模扩大500～1000个温室,直接参与温室维护与生产的人数仅需21～41人。经测试,上位机功能正常。(4)开发了县级的植物温室智能控制系统。通过使用交换机+NGFW为植物温室智能控制系统提供专属二三层通信网络,进一步解决乡镇级植物温室智能控制系统的通信容量与通信距离限制,使植物温室智能控制系统能囊括县域内10～20个乡镇级合作社,统筹5000～20000个温室,成为县级农业经济综合体的最终状态。整套系统为农民提供了一种小成本、低人力需求的可分批升级的蔬菜种植方式,为提高农业生产的自动化、信息化提供了一种解决方案。

关键词： 跳汰机   数据驱动   松散度控制   浮标配重预测   智能控制  

摘要： 跳汰选煤是我国选煤厂使用的主要洗选工艺之一,但由于分选过程影响因素众多、机理复杂难以建立准确的数学模型,其过程具有大时变、强非线性等特点,严重影响了分选过程生产效率的提升和产品质量的控制。本文通过采集选煤厂跳汰分选过程历史生产数据,结合先进控制理论算法分析,建立了基于数据驱动的智能控制模型,构建了以精煤灰分为控制目标的跳汰分选过程智能控制系统,实现了对精煤产品质量的控制。数据来源的可靠性是实现智能控制的根源,本文首先对跳汰分选过程参数检测与采集进行了研究。其中,通过分析跳汰分选工艺流程以及BATAC跳汰分选机理,确定了入料性质、入料量、浮标配重、精煤灰分、风阀参数等影响跳汰分选过程控制的关键变量,且对关键变量的检测进行了研究,进而基于选煤厂现有的通讯设备,研究了数据采集与存储方法,并针对分选过程各类数据变化特性,制定了多样化数据采集策略,设计了实时数据库结构及数据表存储形式。根据采集得到的生产过程历史数据对跳汰机床层分层过程控制进行了研究。首先分析了床层分层状态影响因素,确定以床层松散度表征床层分层效果,研究了松散度在线检测方法,进而结合专家经验与现场实际提出了松散度模糊控制方案,设计了以松散度偏差与偏差变化率为输入,进排气期调节量为输出的模糊控制器,建立了松散度模糊控制模型。现场应用效果表明,建立的控制模型能够将矸石段松散度控制在0.20-0.40范围内,中煤段松散度控制在0.35-0.50范围内,为控制精煤产品质量提供了保障。当入洗原煤灰分突变时,通过建立的松散度模糊控制模型将床层控制在良好的松散状态后,快速、准确的调整中煤段浮标配重,是保证精煤产品质量稳定的关键。通过对历史生产数据进一步分析,确定了中煤段浮标配重预测模型结构。并通过异常值检测、缺失值插补、数据降噪等数据处理方法,对采集得到的历史数据进行了异常数据处理及时间滞后处理,为模型的建立提供了数据准备。在上述基础上,采用LS-SVM算法对样本数据进行训练,并采用GS-CV算法确定了模型最优超参数,进而训练得到了基于GS-CV优化的中煤段浮标配重LS-SVM预测模型。通过与基于GS优化的LS-SVM模型、ELM模型的对比分析,结果显示基于GS-CV优化的LS-SVM模型的预测能力最优,模型的平均绝对误差为57.05、均方根误差为75.19均小于人工调节配重的最小值,总体表明模型具有良好的预测能力,能够满足生产过程中煤段浮标配重的预测调节。基于建立的松散度控制模型、中煤段浮标配重预测模型,搭建了以精煤灰分为控制目标的跳汰机智能控制系统框架。为进一步提高系统控制精度,优化了调整中煤段浮标配重方案,设计了以实时精煤灰分偏差及偏差变化率为输入,中煤段浮标配重补偿量为输出的模糊补偿器,通过精煤灰分的实时反馈,实现对配重模型预测结果的补偿,从而控制精煤产品质量。进而采用组态王和AB1756 PLC设计了生产过程可视化监控界面和下位机逻辑控制程序,并采用MATLAB与PLC数据通讯方法,构建了一套以精煤灰分为控制目标的基于数据驱动的跳汰分选过程智能控制系统,为实现生产过程可视化与智能控制提供了保障。

关键词： 驾驶员建模   轨迹跟踪控制   人机共享控制   鲁棒   车辆稳定性控制  

摘要： 研究表明,车辆在光滑的冰雪路面下操控难度增大,容易发生侧滑等失稳现象,严重会引发交通事故,危害驾驶员的生命和财产安全。驾驶员在车辆驾驶的过程中起着快速决策和主导控制的重要作用,直接影响车辆的行驶状态以及行车安全。由于冰雪路面下的路面附着系数极低,车辆被驾驶员操控时并不能够完全遵照驾驶员的意愿进行行驶,且对于缺乏驾驶经验或者心理承受能力较低的驾驶员来说,更加容易出现一些影响整车系统的稳定性的危险行为,加之不同驾驶员产生的驾驶行为存在着极大的差异,所以不同驾驶员在冰雪路面下对于车辆控制的稳定裕度会产生明显区别。为此,本文针对冰雪路面下驾驶员的不同行为能力进行完整建模,并在人机共享控制双环结构上进行鲁棒控制器的设计,对驾驶员在冰雪路面下的行为能力进行合理修正。具体研究内容包括以下三个方面:(1)为了能够详细清晰的说明驾驶员在冰雪路面下操纵车辆的不同行为,根据视觉和运动知觉建立预瞄-操控驾驶员模型,同时按照不同驾驶风格和行为能力对驾驶员模型进行分类,在原有基础驾驶员模型上进行改进和调整,得到在冰雪路面下具有不同行为能力的驾驶员预瞄-操控模型。(2)针对人机共享中直接共享与间接共享的两种结构类型进行比较和选择,并根据建立驾驶员模型的输出决定驾驶员-辅助驾驶系统之间的耦合关系和控制变量。在人机共享控制双环结构下建立适合冰雪路面下的汽车三自由度动力学模型,并与已建立的预瞄-操控驾驶员模型整合成驾驶员-车辆整体系统模型。(3)结合人机直接共享控制双环结构,设计出能够在适用于不同驾驶员模型的不同鲁棒控制器。鲁棒稳定控制器的作用是保证车辆在行驶过程中的行驶稳定性和鲁棒性,以及车辆路径跟踪时的跟踪精度。同时从驾驶员模型中出现的不确定性出发,对设计的鲁棒控制器的适用范围进行深层次研究。

关键词： 双重刺激响应   性能兼容   软致动器   智能控制  

摘要： 作为最有前途的智能材料之一,刺激响应水凝胶可以响应外部刺激灵活地改变自身体积或形状。它们在软机器人的各种部件中显示出了巨大的应用前景。目前,虽然单一刺激响应水凝胶的研究已经取得了相当大的进展,但探索水凝胶的多刺激响应仍然是一个重大挑战。在这里,通过将电场刺激响应水凝胶与磁性功能粒子复合,制备了一种能够在广泛pH环境下产生电响应并具有快速磁响应、低电压致动及良好可逆性和重复性的双重刺激响应水凝胶。首先,通过平行实验组,设计制造了不同交联剂用量、不同聚乙烯醇(PVA)浓度及不同壳聚糖(CS)与羧甲基壳聚糖(CMCS)用量比例的水凝胶。并通过电响应测试、保水性测试、扫描电镜、拉伸测试及可逆性测试,对比所制得水凝胶材料的各项性能,选出了最优配比作为电场刺激响应水凝胶(ERH)的用量组。制得了具有广泛酸碱环境适应能力、低电压下快速偏转且具有良好的可逆性和重现性的电响应基本水凝胶体系。接着,在第一部分研究基础之上,将磁性功能粒子与ERH体系复合,通过对磁性纳米粒子表面的接枝改性,避免了凝胶体系内氨基和羧基基团因对磁性粒子的螯合作用而被消耗。最终制得了能够在广泛pH环境下产生电响应并具有快速磁响应、低电压致动及良好可逆性和重复性的电/磁双重刺激响应水凝胶(EMRH)。最后,在第一、二部分研究的基础上,对EMRH在软机器人领域的应用进行了研究和探索。首先,将EMRH制备成不同的水凝胶致动器,并通过智能控制设备,将云端控制引入到EMRH控制体系之中,实现了对EMRH的远程化控制。并在此基础之上,通过对空间电场及空间磁场的设计,实现了 EMRH的异步化电响应控制及精确化磁响应控制。随后,通过研究EMRH的电阻随应变的变化,验证了其作为软机器人传感的可能性,为EMRH的在传感领域的应用做出初步探索。本研究开发了一种具有多刺激响应性、广泛环境适应能力及多功能性的水凝胶材料。通过设计制造与之匹配的空间电场及空间磁场控制设备,实现了水凝胶远程联网精细化控制,并进一步探索了 EMRH作为软机器人传感的可能性。本文为探索复杂软机器人智能材料及相应的控制系统提供了一种新思路。

关键词： 绿植管理系统   模糊神经网络   STM32   μCOS-Ⅲ  

摘要： 都市中存在庞大的爱花群体,但由于生活节奏紧张,很多绿植爱好者缺乏专业的绿植养护知识和时间精力。自动化、智能化的家用绿植管理系统,可以最大程度的将用户从繁琐的浇水、补光、水箱补水等体力劳动中解脱出来,给用户带来便捷的绿植养护体验和舒心悦目的视觉感受。基于此种情况,受(浙江)奥普家居股份有限公司(A股上市,股票代码:603551)委托,本课题设计了基于μCOS-Ⅲ操作系统和模糊神经网络PID控制的室内绿植自动管理系统。本文从4个方面介绍了项目所设计的室内绿植自动管理系统的研究内容:系统的算法研究、系统的硬件选型与设计、系统的软件设计和系统的远程监控端设计。最后通过实际应用验证了所设计系统的正确性。系统基于模糊神经网络PID控制算法,使用SIMULINK对土壤湿度控制进行了仿真实验研究,结果表明基于模糊神经网络PID控制的土壤湿度控制器性能优于传统的数字PID控制和模糊PID控制。在此基础上设计了绿植管理系统的土壤湿度控制器。系统硬件设计采用了威海精讯畅通电子科技有限公司的土壤综合传感器JXBS-3001-TR和普瑞森社的光照度传感器PR-GZ-32,实现了绿植环境的数据采集,采用正点原子科技有限公司开发的WIFI通讯模块ATK-ESP8266实现与服务器数据交互;控制器芯片选用意法半导体公司的STM32F407ZGT6 ARM处理器对采集的数据进行处理,并对水泵和电磁阀等外设进行控制。软件设计基于μCOS-Ⅲ嵌入式实时操作系统和Keil u Vision5开发平台,运用C语言编程,使用em Win图形界面框架设计人机交互界面,包括数据采集与解析、智能控制算法实现、外围设备控制、危险报警等。系统远程监控端设计基于LNMP服务器框架搭建云平台服务器,编写网页端与手机微信小程序的数据监测代码。最终实现了液晶屏实时显示绿植的土壤温湿度、PH值和室内环境光照值,以及浇水、补光、水箱补水等功能,网页端和微信小程序远程监测绿植的土壤湿度和室内环境光照值。最后是系统实现和成果展出,通过实际运行验证了所设计的绿植自动管理系统控制的准确性和可靠性。实验结果表明系统能满足室内绿植管理的实际要求。本课题是企业委托项目,最后的研究成果已在奥普家居的上海红星美凯龙(汶水商场店)和奥普家居在杭州总部的办公大楼中试用,并配合奥普集团参展了第二十三届中国(广州)国际建筑装饰博览会,广受客户好评。