关键词： 低压注塑机   熔融单元   有限元仿真   LQG控制   测控系统  

摘要： 近年来,由于塑料制品在工业和生活中应用日益广泛,我国低压注塑技术得到快速发展。目前,多数嵌入式设备电路板的封装保护都由低压注塑技术实现,这要求低压注塑机具有更高的注塑效率和精度。影响低压注塑机注塑效率和质量的主要因素为熔融单元的温度控制水平,因此,研发更加稳定、快速的低压注塑机熔融单元有利于提高我国低压注塑机的生产效率和产品质量。本文设计了一种以竖式结构为基础应用线性二次型高斯LQG(Linear Quadratic Gaussian)控制算法的鲁棒控制系统,该竖式机械结构配合鲁棒控制系统可提高熔融单元的升温速率,降低熔融单元的炭化程度。 本文首先研究了传统低压注塑工艺,了解传统熔融单元的控制思路;分析传统熔融单元面临的加热效率低、胶料炭化和结块等问题;针对传统熔融单元的问题给出熔融单元的改进要求;提出从熔融单元机械结构和控制算法两个角度进行改进的思路。 机械结构上,通过有限元法对熔融单元的传热过程进行数值分析;通过ANSYS仿真熔融单元的温度场变化;设计实验测量熔融单元温度,对比仿真数据进行误差分析;设计熔融单元的竖式结构;通过ANSYS仿真和实验对比改进前后的熔融单元温度场变化,证明竖式熔融单元模型可缓解加热效率低和胶料结块等问题。 控制算法上,通过实验参数辨识法构建熔融单元的温度控制数学模型;以线性二次型控制器LQR(Linaer Quadratic Regulator)为基础,设计熔融单元的LQG伺服控制系统;通过MATLAB仿真对比LQG伺服控制器与PID控制器动态性能;以LQG基准对比控制器性能指标;完成主控板软件设计和上位机Lab VIEW窗口设计;以HM502型低压注塑机为载体,测试控制算法性能;通过实验和仿真验证鲁棒控制系统具有较好的动态性能和稳态性能,对系统设定值具有较好的跟随性能,对于环境噪声具有一定的抑制效果,可有效的缓解熔融单元的炭化问题。

关键词： 混沌系统   固定时间   自适应控制   同步控制  

摘要： 近年来，随着混沌现象在很多实际系统中被发现,混沌镇定和同步控制课题也逐渐成为各个研究领域的研究热点，并且在相关领域有着广泛的实际应用,尤其是在安全通信、信息处理等方面。因此，本文针对混沌系统固定时间镇定与同步控制课题进行了一系列研究，主要的工作如下：　　1. 针对具有不确定参数的超混沌Lü系统，基于自适应控制和固定时间理论，提出了两种自适应固定时间控制方案，分别实现了在固定时间内抑制超混沌现象和两个超混沌Lü系统的固定时间同步。最后,通过仿真模拟分别验证了两种控制策略的有效性。　　2. 对于一类具有不确定参数的统一混沌系统，提出一种固定时间自适应控制方案。设计了一种自适应律来估计混沌系统的不确定参数，通过引入分段函数解决设计过程中存在的奇异性问题，该方案可以实现两个统一混沌系统之间的反同步。最后进行数值模拟仿真、从而验证了所得结论的正确性。　　3. 针对两种不同的混沌系统，提出一种自适应固定时间全状态混合投影同步控制方案。通过设计不同的比例因子，实现两个混沌系统状态之间的完全同步，投影同步和反同步。该控制方案可以保证同步误差收敛于零附近的一个小邻域内，并且误差系统的所有信号在固定时间内都是有界的。通过数值仿真证明了该方案的可行性。　　4. 针对三阶非线性系统，提出了滑模自适应控制方案。首先设计一种全新的非奇异终端滑模曲面，并结合固定时间理论，实现三阶非线性系统在固定时间内的镇定，然后将该方法推广于具有混沌状态的陀螺系统中，实现固定时间内抑制混沌现象。最后，仿真结果证明了所提出的控制策略的有效性。

关键词： 小型无人直升机   非线性建模   串级飞行控制系统   H∞混合灵敏度控制   非线性动力学  

摘要： 作为一种特殊的旋翼类飞行器，小型无人直升机体型更小、承载能力更强、旋翼气动效率更高、续航更持久，是目前已知的任务空间最广的一类小型飞行器。然而，由于小型无人直升机结构复杂、动力学非线性程度高、抗干扰能力弱且静稳定性差，其自主飞行控制面临着很大的挑战。本文聚焦鲁棒控制理论，以实现小型无人直升机的安全稳定飞行为目标，为其设计鲁棒飞行控制系统，提高小型无人直升机在复杂非结构化场景应用的可能性。主要的研究内容包括：　　首先，基于MITX-Cell60SE这类常规构型的小型无人直升机构建了非线性动力学方程，利用通道耦合测试与操纵耦合测试定性地验证了模型的正确性。在直升机最典型的悬停状态下，对其动力学模型进行配平与线性化，实现了直升机的横向、纵向、垂航向三通道解耦，并对各个通道的运动模态特点和稳定性进行了分析。　　然后，确定了小型无人直升机的可用速度、可用姿态角等飞行包络;参考大型直升机的飞行品质规范，得到了适用于小型无人直升机的响应类型和飞行品质要求。同时，针对直升机桨叶横纵向挥舞角难以测量的问题，对直升机刚体动力学与桨叶挥舞动力学进行解耦，引入Notch滤波器，降低了直升机模型的阶次。基于上述工作，设计了基于PID的小型无人直升机轨迹跟踪控制系统，并通过仿真实验验证了控制系统设计的有效性。　　最后，针对基于PID的串级控制系统鲁棒性差的问题，设计了以μ综合控制器为内环控制器，H∞混合灵敏度控制器为外环控制器的鲁棒飞行控制系统架构。前者以其较低的保守性，为内环系统提供了足够的带宽，后者侧重于系统的鲁棒稳定性，能够对外环系统受到的阵风等恶劣扰动进行有效的抑制。仿真实验验证了该飞行控制系统的对模型不确定性和外界干扰的抑制能力。

关键词： 康复步行训练机器人   轨迹跟踪   自适应控制   粒子群优化算法  

摘要： 近年来中国老龄化程度的不断加剧,疾病及安全事故的增加,导致下肢行动障碍的人越来越多。因此康复机器人得到了广泛应用,其轨迹跟踪问题也成为研究重点。目前对于机器人轨迹跟踪已有许多成果,但在以往的研究中把机器人单独进行分析而忽略使用者自身的干扰。针对这一现象,论文考虑由于训练者位姿的改变使重心发生变化影响机器人轨迹跟踪的问题。完成的研究内容如下:考虑到人机系统在实际运动过程中由于使用者位姿的变化,自身质量和转动惯量等不确定因素使用户重心和机器人中心位置不重合,从而导致系统产生重心偏移。对康复机器人机械结构进行分析,建立具有重心变化的系统动力学模型。利用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络对重心变化的不确定物理量进行逼近估计,建立具有重心变化估计的系统动力学模型。基于人机合作环境下重心变化估计的动力学模型,采用自适应控制方法设计控制器和自适应律。根据李雅普诺夫直接法证明系统在所设计控制器的作用下能够达到渐近稳定。通过MATLAB进行仿真实验,分析实验结果,验证了提出的自适应控制方法能够使人机系统对医生指定的训练轨迹进行精确跟踪。为了优化控制器参数,提高系统跟踪精度和工作效率,节省时间。引入一种改进的粒子群优化算法来寻求自适应控制器的最优参数。设定粒子的初始值和最大迭代次数后进行仿真实验,迭代次数达到最大迭代次数时停止优化。提取最优参数来进行对比仿真,分析仿真实验结果,验证了所提出的粒子群优化算法可以使康复机器人实现更精确轨迹跟踪效果,使系统误差减小并快速达到稳定状态。

关键词： 人体生物动力学模型   靠背倾角   天棚阻尼控制   滑模控制   自适应控制   模糊控制  

摘要： 车辆乘坐舒适性是评价汽车性能的一项重要指标,受到了人们的广泛关注。以往对乘坐舒适性的研究通常集中在汽车底盘悬架的主动与半主动研究,未考虑到人体与座椅的因素,使车辆的乘坐舒适性往往不能够达到理想的设计目标。通过人-椅模型来研究车辆的乘坐舒适性,往往都是基于刚性座椅无靠背支撑的集中参数模型,不能真实的体现人体各部位的振动响应特征,同时也忽略了座椅对人体振动响应的影响。针对上述问题,本文采用二维人体生物动力学模型,设计不同的座椅靠背倾角对模型进行动力学仿真,并对座椅悬架进行半主动控制,进一步提高车辆乘坐舒适性。研究内容主要有以下几方面:(1)建立人-椅动力学模型并对其各个部位进行动力学分析,推导人体每个部位的动力学方程,通过改变座椅的靠背倾角对人体各部位进行动力学仿真,得到人体不同部位在纵向和垂向的振动传递率,通过对比四种不同座椅靠背倾角下的振动传递率,选择出人体最佳舒适性的座椅靠背角度,作为座椅悬架半主动控制的人体模型。(2)通过上述分析,选择最佳舒适性的座椅靠背角度建立人-椅悬架模型,选择滤波白噪声法建立随机路面的时域模型,建立车速为20m/s的B、C、D三种等级的路面激励和B级路面下车速为10m/s、20m/s、30m/s三种不同车速的路面激励模型,经过1/4车辆底盘悬架的滤波作为座椅悬架模型的输入激励。(3)对滑模控制的基本理论和滑模控制抖振问题进行了简单的描述和分析,提出了一种以参考模型和实际模型的误差为滑模面的滑模控制算法。针对座椅悬架系统模型,选取以天棚阻尼控制的座椅悬架为参考模型。在座椅悬架与车身之间设计一种自适应模糊滑模控制器。通过自适应算法对系统模型的误差及外界产生的干扰进行修正,减少对控制输入的影响。为了提高系统的鲁棒性。采用模糊算法制定49条模糊规则对控制参数进行模糊控制,使系统能够在快速收敛的前提下并降低抖振。采用双曲正切函数替代切换项中的符号函数,使得系统在滑模面往复运动时更加连续光滑。(4)利用仿真软件Matlab/Simulink对控制器进行仿真研究,对采用半主动控制的座椅悬架施加随机路面激励,得到人体各部位的位移和加速度响应值。通过与被动悬架控制的人体各部位响应输出进行对比分析,验证半主动座椅悬架的控制性能。当车辆行驶在不同路面等级上以及以不同车速行驶时,采取半主动控制的座椅悬架相比于无任何控制的被动悬架,半主动座椅悬架能很好的降低人体各部位的加速度和相应的人体吸收功率,提高车内人员的乘坐舒适性。同时,验证了车辆遇到颠簸路面时的控制效果,对冲击工况下的半主动悬架进行仿真分析并与被动悬架进行对比。结果显示,在冲击工况下,采取半主动控制的座椅悬架依然拥有很好的控制性能。

关键词： 非线性多智能体系统   自适应控制   未知控制方向   全状态约束   神经网络  

摘要： 多智能体系统是分布式人工智能的重要分支,利用智能体之间的局部通信和协同作业实现了控制能力大幅增强,从而可以完成单个系统难以达成的复杂目标,具有更高的灵活性、鲁棒性。经过一定时间的发展,多智能体系统已经被广泛应用于多个领域,如军事领域中多无人机协同作战和侦查、舰艇编队巡航和机器制造领域中多机械臂协同作业等。然而,在这些多智能体系统的实际应用中,通常会受到由实际运行环境中存在的不确定性所带来的限制干扰。为了解决这些问题,需要研究具有不确定性条件下的多智能体系统协同控制方法。本文旨在研究不同不确定性条件下有效控制非线性多智能体系统,以提高其鲁棒性、稳定性和安全性。具体而言,本文将结合Backstepping、神经网络等技术,通过建立合适的模型和控制方法,使其在实际应用中发挥更好的作用。具体如下:(1)具有未知控制方向的多智能体分布控制:在具有干扰和未知参数的条件下,研究了具有不确定性和未知控制方向的网络化非线性智能体的分布控制问题。即智能体动态中高频增益的符号未知,由非线性阻尼技术设计的Nussbaum型自适应控制器保证网络的一致性的同时还保证整个系统是有界的。每个智能体的控制器由一个自适应寻找控制方向的Nussbaum项、一个使系统一致的分布项和一个非线性阻尼项组成以处理智能体动态中不确定项。最后仿真示例证明了该方法可以实现网络的一致性。(2)具有外部扰动的非线性多智能体系统自适应控制:在具有未知扰动的情况下,研究了含有未知量的非线性多智能体系统自适应控制问题。提出了一种分布式设计方法,可实现在有向通信拓扑下的多智能体系统一致性跟踪控制。每个智能体由含有外部干扰和未知量的严格反馈非线性系统建模。通过Backstepping技术和神经网络,为每个从跟随者智能体构造自适应分布式控制器。径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Networks,RBFNN)用于逼近未知的非线性函数,并设计了一个非线性扰动观测器用于估计未知的外部扰动。所设计的控制方案可保证领导者与所有跟随者之间的跟踪误差收敛到原点的一个小邻域。最后仿真示例验证了所提方法的有效性。(3)具有全状态约束不确定非线性多智能体系统自适应控制:在具有智能体状态约束情况下,研究了含有未知量的非线性多智能体系统自适应控制问题。采用命令滤波器来解决“复杂性爆炸”问题。通过应用一对一非线性映射,将具有全状态约束的严格反馈系统转换为无状态约束的纯反馈系统,放宽了可行性条件,解决了智能体之间的通信误差的状态约束。该方案既能保证跟随者的输出能跟踪领导者的输出轨迹,也使得各个智能体状态变量不违反约束限制。最后仿真结果证实了所提方法的有效性。

关键词： 逻辑动态系统   脉冲设计   鲁棒控制   镇定   代数状态空间表示  

摘要： 逻辑动态系统被广泛地应用于系统生物学,信息科学,物理学等多学科交叉的前沿领域.由于脉冲现象的普遍存在性,脉冲逻辑动态系统的研究引起了国内外学者的广泛关注.需要指出的是,现存结果大都将脉冲序列提前给定,关于脉冲序列设计的结果较少.本文研究逻辑动态系统的脉冲设计与鲁棒控制.首先,在脉冲函数给定情况下,通过将脉冲与非脉冲看作控制输入,构造与脉冲随机逻辑动态系统对应的控制系统,借助该控制系统,设计脉冲随机逻辑动态系统的依分布集合可稳脉冲序列.其次,对函数扰动下脉冲逻辑动态系统的鲁棒镇定问题进行研究,提出脉冲逻辑动态系统鲁棒镇定的条件,并给出修正脉冲触发状态集或控制实现鲁棒镇定的算法.最后,对于脉冲序列任意给定情况下的脉冲逻辑动态系统,基于时变状态反馈控制,提出一种事件触发集合镇定设计方法.本文的创新点包含两个方面.一方面,将脉冲逻辑动态系统中的脉冲时刻与非脉冲时刻看作控制变量,构造脉冲逻辑动态系统的对应控制系统,基于状态反馈控制与脉冲序列之间的对应关系,对脉冲逻辑动态系统的脉冲序列进行设计,并讨论函数扰动对脉冲逻辑动态系统鲁棒镇定的影响,为研究逻辑动态系统的脉冲设计及鲁棒控制问题提供了新思路.另一方面,针对脉冲逻辑动态系统的事件触发控制这一富有挑战性的问题,在脉冲序列任意给定的情况下,基于时变状态反馈控制,设计事件触发控制以实现脉冲逻辑动态系统的集合镇定,推进了基于事件触发机制的逻辑动态系统脉冲控制的研究.

关键词： 履带式玉米植保机械   玉米中后期   行间导航   田头换行   自适应控制  

摘要： 玉米作为我国三大主粮作物之一,其高效、可靠以及智能化的植保作业不仅是保障国家粮食安全的重要措施,也是未来发展的趋势。中后期的玉米植株高大、枝叶茂密,且病虫害大多集中在植株叶下,现有的无人机植保因药液穿透性不足,从而难以达到叶下防治的效果。为此,本文以黄淮海玉米种植农艺为研究对象,针对履带式玉米植保机械行间导航信息获取以及扰动条件下驱动系统精确控制困难的问题,提出并实现了一套履带式玉米植保机械自动导航实施方法。主要内容如下:(1)履带式玉米植保机械总体结构介绍首先,履带式玉米植保机械以差速履带底盘为载体;其次,履带式玉米植保机械导航系统采用上位机导航决策与底层运动控制器相结合的架构;最后,建立履带底盘动力学仿真模型,分析履带底盘试验平台驱动系统性能。(2)基于机器视觉和激光雷达避障的行间导航方法设计引入Mobile Netv2和ECANet注意力机制,根据玉米中后期实际行间环境特点对传统YOLOv5算法进行改进,以Mobile Netv2为骨干模型,将传统YOLOv5与ECANet模块相结合,提高了传统YOLOv5的识别精度与鲁棒性;其次,基于向量场直方图算法设计了履带式玉米植保机械行间避障算法,在视觉检测不到玉米根茎的时候仍能保证履带式玉米植保机械安全行驶,提高了植保机械行间导航的安全性。(3)履带式玉米植保机械换行路径规划方法研究设计了一种新的田头换行方法,通过激光雷达采集当前作业行与下一作业行的环境信息,构建半封闭换行栅格地图,通过切圆限定算法规划履带式玉米植保机械田头换行路径,解决了传统全局路径规划算法难以在半封闭地图中规划出路径的问题,从而实现履带式玉米植保机械田头换行操作。(4)含土壤扰动情况下驱动系统自适应控制器设计根据Bekker压力沉降和Janosi剪切模型,揭示了履带与土壤接触的扰动机理,建立了驱动系统控制模型,在建立的驱动系统控制模型的基础上,基于自适应固定时间滑动模式控制器和极限学习机状态估计器,设计了一种考虑驱动系统受土壤剪切扰动干扰的自适应驱动系统控制器,提高了控制精度和驱动系统运行的稳定性。(5)集成导航与控制系统软硬件开展实际田间试验开发了行间导航上位机软件、图片数据采集上位软件,开发了控制程序以及相应的控制器硬件;通过开展田间导航行驶试验分析设计的方法的实际性能以及可能出现的问题,从而为后续的研究提供试验数据支持;将设计的驱动系统控制器、行间导航系统等移植到课题组自行研发的3YZ-80A型履带式植保机械上进行行间植保试验,对比无人机植保以及履带式玉米植保机械行间植保两种模式的植保效果。

关键词： 液压位置伺服系统   滑模控制   自适应控制   反步控制   预设性能控制  

摘要： 液压位置伺服控制系统被广泛应用于车辆主动悬挂、轧机等自动化装置的高精度位置跟踪。但由于液压伺服系统本身具有强非线性特性,且存在时变负载扰动、内部参数摄动、不可避免地建模误差、测量噪声等不确定动态,进而严重影响闭环系统的位置跟踪精度及抗干扰性能。因此,为液压伺服系统设计抗干扰能力强、易于工程实现的控制方案具有重要意义。本文针对含不确定动态的液压位置伺服系统进行分析研究,主要内容如下:(1)研发了单作动器液压伺服实验平台电控制系统,包括软硬件系统的设计。阐述了液压位置伺服系统工作原理,分析了系统各组成机构的特性并进行机理建模,选取合理的状态变量构建严格反馈形式的状态空间方程。(2)基于等效滑模控制提出了一种自适应增益控制方案。首先通过坐标变换将液压伺服系统转换为Brunovsky标准型。然后,通过设计自适应切换增益来抑制传统滑模控制在液压伺服系统中应用时易引发的抖振,同时保证切换增益收敛的快速性,无需已知伺服系统不确定动态的上界。最后,通过与等效滑模控制的数值仿真结果对比,表明该自适应策略抑制液压伺服系统抖振的有效性。(3)基于反步控制提出了一种输出暂稳态性能受限的低复杂度控制方案。首先规定液压伺服系统严格反馈模型的输出暂稳态性能,以实现性能受限。然后通过一种易于工程实现的未知动态估计器对伺服系统中的不确定动态和虚拟量进行估计,以解决“微分爆炸”问题。最后,通过与位置式PID的数值仿真结果对比,表明该控制策略的有效性。(4)基于全局无逼近预设性能控制提出了一种带积分的自适应控制方案。首先针对液压伺服系统Brunovsky标准型,利用快速滑模微分器估计系统加速度。然后通过设计自适应增益,使系统跟踪过程不受性能函数收敛和误差波动的影响,从而解决了在误差的性能边界较小时,传统预设性能控制系统在平稳跟踪阶段易发生振荡的问题,同时引入转换后误差的积分来提高系统抗干扰能力。最后,通过与传统方法的数值仿真和实验结果对比,表明了该控制策略的有效性。

关键词： 虚拟同步发电机   阻抗比   相角裕量   自适应控制   参数设计  

摘要： “双碳”目标带来分布式电源在电网中占比的提高,随着电力电子设备的大量应用,导致现代电网存在着惯量缺失和阻尼不足的现象。因分布式电源对频率和电压的调节作用不能和传统同步发电机的性能相媲美,通过在控制过程中引入同步发电机的转子机械运动方程,提出了虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术,以改善分布式电源的运行特性,有助于提高电网对新能源发电的接纳能力。VSG技术虽然可以为系统提供惯性支撑能力,但也提高了控制的难度,存在并网系统稳定性问题,同时为了更好地发挥虚拟惯性作用,也需要通过对控制参数进行优化,以提高其对电网的适应性、改善暂态过程。虚拟同步发电机控制包含有功无功控制环节和电压电流双闭环控制环节,在对并网系统进行稳定性、暂态性能分析时,大部分均是从建立传递函数或空间状态方程出发,通过根轨迹分析稳定性,以此为基础进行控制系统参数设计,这就存在着在对于参数进行选取时,特别是对暂态性能进行优化时,对不同电网的适应性考虑得不够充分。针对VSG控制对不同电网强度的适应性问题,本文在对VSG输出阻抗建模、进行并网系统稳定性分析的基础上,提出一种基于VSG输出阻抗与电网阻抗比相角裕量的参数设计方法。首先,采用谐波线性化方法,建立考虑功率环的VSG正负序输出阻抗数学模型,在此基础上考虑电压电流双闭环的正负序输出阻抗模型,并采用伯德图分析VSG中惯量、阻尼和电压电流环比例谐振系数对正负序输出阻抗频率特性的影响;其次,采用VSG与电网阻抗比的奈奎斯特曲线,进一步分析VSG与电网之间的交互稳定性,得到满足并网系统稳定性的VSG控制参数范围;基于以上分析,提出一种基于交互系统阻抗比相角裕量的VSG控制参数优化设计方法,该方法提高电网强度适应性,在兼顾VSG一次调频特性的同时,可以改善并网系统暂态性能,并给出了设计方法和步骤,并采用MATLAB/Simulink模型仿真验证参数设计的合理性。同时,为了与现有基于控制环路传递函数的参数设计方法进行对比研究,进一步基于传递函数,分析了考虑电网影响的参数范围,并且从控制回路出发,根据控制性能要求,选择不同的控制参数。最后,为了实现对虚拟同步发电机的暂态过程进行优化,首先分析了虚拟惯量和阻尼系数对暂态性能的影响,研究了虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略,然后在自适应控制基础上,通过MATLAB/Simulink模型仿真和RT-LAB实时仿真系统,对比分析本文所提参数设计与基于传递函数参数设计方法所确定参数范围的暂态效果,验证了本文所提方法在不同电网强度时,对并网暂态性能的优化效果。