关键词： 压力共轨系统   双变量液压变压器   液压缸   有限时间   非线性控制  

摘要： 随着工业领域对于能源利用率要求的不断提高,能量的合理利用和有效回收成为衡量各类系统自身优势以及应用前景的重要指标。当下应用于液压传动领域的压力共轨系统(Common Pressure Rail,CPR)通过调节系统中的二次元件,在满足独立控制多个执行元件要求的基础上,还能够同时实现向负载输送能量以及回收负负载能量,在很大程度上提高了液压传动系统的效率。而液压变压器(Hydraulic Transformer,HT)作为其中的关键元件,能够使得系统在没有节流损失的情况下实现对各类执行器的控制,拓宽了压力共轨系统的应用场景。这对于进一步提高系统的传动效率以及实现节约能源起到了至关重要的作用。双变量液压变压器(Double-variable Hydraulic Transformer,DVHT)是在单变量液压变压器(Single-variable Hydraulic Transformer,SVHT)的基础上发展而来的,DVHT不仅可以通过调节控制角实现输出压力的调节,还通过增加一个输入变量,使其能够在满足负载端所需压力的基础上实现缸体转速的主动调节,提高了HT的工作效率,也使得HT的发展又向前迈出了一步,同时也将使得CPR系统的使用更为灵活。但是,HT本身的结构和工作原理使其控制系统存在比一般非线性系统更强的非线性,而双变量液压变压器中两个输入变量存在着复杂的耦合性,这不仅提高了系统的控制难度,也制约着液压变压器的广泛应用。因此,本课题结合双变量液压变压器的实际应用场景,在全面分析双变量液压变压器工作原理和特性的基础上,以提高控制系统控制精度和鲁棒性为主要目的,进行双变量液压变压器控制液压缸系统的控制策略和控制器设计。 (1)根据课题的研究范围和目标,介绍双变量液压变压器的结构及工作原理,分析双变量液压变压器的转矩特性和变压比特性。以广泛使用的液压缸作为执行元件,依据流量连续性方程以及动力学方程推导出基于双变量液压变压器的液压缸控制系统内外环的数学模型并构建状态空间方程。其中,外环为双变量液压变压器控制液压缸系统,内环为伺服阀控制摆动马达系统。在MATLAB/Simulink软件中采用一般的控制器对内环外系统进行控制仿真,分析系统在控制过程中存在的问题。 (2)综合考虑内环系统中存在的输入延迟、输出约束以及实际工况,设计基于拓展状态观测器的有限时间反步滤波(Finite-Time Backstepping Filter,FTBF)控制器,在保证系统节能性的前提下使其具有良好的控制性能。通过设计拓展状态观测器以观测系统状态量并提供未知非线性项的估计值。采用Pade逼近转化带有输入时滞的系统状态方程,并基于有限时间控制技术、反步算法设计鲁棒控制器以保证系统输出在约束集合内。使用一阶低通滤波器解决虚拟控制信号多次微分引起的“微分爆炸”问题,同时采用自适应对系统中存在的观测误差进行补偿。通过仿真以及试验验证所提出控制器的有效性。 (3)以提高双变量液压变压器控制液压缸系统的工作效率为目的,在分析双变量液压变压器在运行过程中缸体转速处于低效率区的原因的基础上,根据外环系统的特点设计控制策略使得系统能够通过改变双变量液压变压器排量来保证缸体转速始终保持在高效率区运行,并采用根据人工经验设计的模糊控制器来实现液压变压器排量的控制。针对外环系统设计基于干扰观测器的有限时间控制算法,在保证系统控制精度的同时提高系统的鲁棒性,实现液压变压器缸体转速和液压缸速度的同步控制。 (4)根据伺服阀控制液压摆动马达系统的系统组成,完成内环系统实验台中各类元件的选型、设计和搭建。结合MATLAB中的Simulink Real-time环境,实现对所提出内环控制算法的试验验证。

关键词： PLC   运行   智能控制   速度   煤矿提升机  

摘要： 现有控制方法在对煤矿提升机运行速度进行控制时，存在实际运行速度与标准规定速度变化曲线相差较大的问题。针对此问题，本文引入PLC，开展对煤矿提升机运行速度智能控制方法的设计研究。首先，计算煤矿提升机的运行行程、加速度距离和减速度距离，为后续控制提供参数依据；再利用PLC，实现对煤矿提升机的安全制动与智能保护，完成对煤矿提升机运行速度的自适应控制。新的控制方法应用后，煤矿提升机的运行速度能够始终按照标准规定变速，促进了煤矿提升机运行质量和运行安全性的提升。

关键词： 直驱技术   锂电池   直线电机   柔性输送系统   结构设计   智能控制  

摘要： 锂电池制造是一个复杂而精确的过程,在制造中端和后端两段工序中,主要对锂电池进行叠片、入壳、注液、包装等操作,每个步骤需要将锂电池材料及相关配件输送到对应工序的工作站进行制造。目前在锂电池制造中存在生产效率低和电池质量差等问题,主要是由于人工操作不当、材料与配件输送重复定位精度差造成系统误差大,不能连续化生产所致,提高锂电池生产线输送系统的工作精度、输送效率和自动化水平是解决上述问题的关键。柔性输送系统能够实现高速运动和准确的位置控制,可实现自动化生产线的高效运转。因此,采用柔性输送系统替代传统的机械输送系统势在必行。本文设计了一款基于直驱技术的柔性输送系统,应用于锂电池自动化生产线材料与配件输送,围绕系统空间布局与造型、关键零部件结构与力学特性、控制系统和性能测试等展开研究。主要内容包括:(1)针对锂电池制造工艺特点,根据项目需求,在分析现有输送系统的基础上,确定系统整体空间布局和造型,构建锂电池制造柔性输送系统整机三维数字模型,拟定整机参数和总体方案。(2)基于产品可靠性要求,对输送、摆渡、上料等主要装置进行选型和结构设计;应用ANSYS Workbench对工作台和机架进行静力学分析,对整机进行模态分析,获取其前6阶的固有频率和振型,验证设计的合理性和整机工作的稳定性。(3)在工艺要求和结构设计的基础上,开发一套基于PLC的智能控制系统。根据功能要求,确定硬件部分结构方案并对关键硬件选型;选择控制系统编程软件,设计PLC自动控制程序和人机界面。(4)基于总体方案和结构设计,开展锂电池制造柔性输送系统样机试验工作,对样机进行现场试制,完成机械总装和软硬件集成并调试,对主要技术指标和重复定位精度进行测试验证。样机现场运行结果表明,锂电池制造柔性输送系统运行稳定,输送效率高且操作方便。在连续运行情况下,直线运动中的速度波动为±0.35mm/s,最大输送速度为1.5 m/s,最大加速度为25m/s2,重复定位精度为0.0335mm,能够满足锂电池自动化制造基本性能要求,可为今后锂电池生产配件输送设备的研究提供理论参考。

关键词： 复杂网络   混合时滞   非线性控制   函数投影同步   有限时间同步  

摘要： 在自然界和现实生活中,非线性系统无处不在,许多系统由于内部的拓扑结构连接和非线性作用涌现出复杂的非线性现象,如电力网络、交通网络、计算机网络、神经网络以及社会网络等.复杂网络就是用来描述这类非线性系统的抽象的数学模型,网络的动力学描述了其在外部扰动和内部作用下节点自身状态及节点间的连接产生变化的过程.复杂网络的同步是系统不同节点的动态特性趋于相同的演化过程,与网络的拓扑结构及节点的耦合强度关系紧密,对复杂网络的同步稳定性问题的研究有助于深入理解系统的运行机制.由于时滞的普遍存在,在复杂网络模型中引入时滞可以更好地描述网络结构,逼近实际系统.鉴于此,本文以已有的时滞复杂网络模型为基础,通过添加节点时滞和耦合时滞得到两个更一般的混合双时滞复杂网络新模型.针对线性耦合时滞复杂网络模型考虑了参数不确定的情况下具有相同结构的两个复杂网络的改进的函数投影同步问题,基于Lyapunov稳定性理论提出了一种由非线性反馈控制和自适应控制组成的混合控制,给出了驱动响应系统同步的充分条件,验证了同步的稳定性.针对非线性耦合时滞复杂网络模型考虑了参数不确定的情况下具有不同结构的两个复杂网络的有限时间同步问题,基于有限时间稳定性理论提出了一种与时滞无关的非线性反馈控制,给出了驱动响应系统同步的充分条件并验证了同步的稳定性.最后对上述给出的两个同步控制系统通过数值仿真验证控制方法的有效性.

关键词： 四旋翼无人机   容错控制   滑模控制   自适应控制   状态观测器  

摘要： 四旋翼无人机具有结构简单、垂直起降、成本较低等优点,在军事和民用领域得到越来越多的使用,然而无人机更多的运用到高危险环境中进行执行任务,自身元器件容易受到外界影响发生故障。本文针对四旋翼无人机在飞行过程中遇到的风扰、传感器故障和执行器故障等不确定因素造成的影响,设计了三种容错控制方案来提高无人机控制系统的鲁棒跟踪性能和容错控制能力,具体研究内容如下: 首先,结合自适应算法和滑模控制提出一种自适应滑模控制方案,主要考虑执行器效率损失造成的影响,把机体的控制系统分解成位置和姿态两个独立的子系统,并且设计相应的容错控制器;将仿真模型分成位姿控制器模块、电机模块和无人机刚体模块,并在姿态控制器模块中进行解耦计算,通过仿真验证了设计的控制方案对无人机控制系统具有较好的稳定性。 然后,结合自抗扰控制技术提出一种自适应有限时间容错控制方案,主要考虑传感器偏差故障和执行器效率损失两种故障同时发生造成的影响,设计状态观测器用于检测故障信号,在控制器的自适应律参数选择中加入有限时间项,通过仿真验证了设计的控制方案使无人机控制系统在有限时间内可以达到稳定状态,并且使控制系统的调节时间比传统控制算法减少了1.5秒,姿态角的变化幅度下降了近20%。 最后,结合神经网络算法提出了一种基于神经网络的自适应容错控制方案,主要考虑传感器偏差故障和双执行器效率损失同时发生造成的影响,通过径向基函数设计神经网络状态观测器对故障进行估计和补偿,并将神经网络权值引入到控制器自适应律参数的调节中,通过仿真验证了设计的控制方案使得无人机的变化幅度比其他控制算法下降了24%,机体下降的高度减少了0.2米左右,使得控制系统在传感器故障和双执行器效率损失故障下具有更好的容错控制能力。

关键词： 城市集中供热系统   供热负荷预测   优化算法   流量控制   模糊PID控制  

摘要： 随着城市化与智能化的大力发展,城市集中供热作为城市发展的民生工程,也要顺应时代的要求加快智能化发展。由于城市集中供热系统的非线性、滞后性和强耦合,仍有部分热用户的热量供给达不到要求。为了进一步满足热用户的室温舒适度和减少能源的消耗,对城市集中供热控制系统引入新的智能控制方法,根据城市集中供热运行和控制调节原理,进行供热负荷分析,对一次网供热负荷和二次网流量实施智能控制。 合理规划一次网的供热负荷,提出了基于改进金豺优化算法(IGJO)优化CNN-Bi LSTM的热负荷预测模型。综合考虑一次网各项参数和天气因素的影响,将热负荷历史值和一次网供水温度、供水流量、供水压力、外界天气温度等参数作为CNN-Bi LSTM网络的输入。同时,使用IGJO优化CNN-Bi LSTM网络的超参数,提高了一次网供热负荷预测的精度,能够精准预知热源的产热量,从而减少能源的消耗。为了提高二次网流量控制的稳定性和精度,建立GA-GWO优化模糊PID的二次网流量控制模型,GA-GWO能够根据二次网的流量需求优化模糊PID控制器,输出相匹配的PID参数,控制循环泵电机频率和转速,调节二次网流量达到需求值,保证热量的自适应和精准供应。 构建基于IGJO-CNN-Bi LSTM一次网热负荷预测模型和GA-GWO-FPID二次网流量控制模型的城市集中供热智能控制系统,通过监控管理中心对控制效果的检验可知,所构建的智能控制系统使单位供热面积耗热负荷下降13.66%,热用户室温舒适度提高46.67%。 图41幅;表11个;参50篇。

关键词： 智能控制   算法   数据库   PLC  

摘要： 本文介绍了智能控制技术在转底炉控制上的初步应用。针对转底炉工艺特点和控制特点，在基础自动控制基础上，首次采用多种先进算法和控制策略实现了转底炉控制的智能化。本文介绍了智能控制系统的平台搭建和方法，并在项目中得到了应用和验证，为后续智能控制推广积累了一定经验。

关键词： 非线性系统   水面无人船   反步法   模糊逻辑系统   自适应控制   扰动观测器  

摘要： 非线性控制系统现阶段在很多领域都得到了广泛的应用,它在机器人、生态系统以及工程系统等控制中非常重要。非线性系统相比于线性系统来说要繁琐很多,在实际应用的过程中,因为缺少有效且统一的数学工具,我们不容易求解系统准确的输出过程。本文以水面无人船(USV)为应用背景,它的数学模型具有建模不确定性以及未知外部环境扰动等复杂性特点,使得控制性能难以得到精确的保证,而目前现有的控制方法又难以顾全各方面因素所存在的影响,因此,要实现精确的轨迹跟踪控制还面临着诸多挑战,这也使得现阶段在USV轨迹跟踪控制方面具有较高的研究价值。本文主要利用模糊逻辑系统(FLS)、反步法、自适应控制等理论方法,提出了一种新的基于扰动观测器和命令滤波器的自适应模糊控制器的设计,主要工作如下:1.为了解决非线性系统中控制精度不容易把握的问题,在控制器和扰动观测器中引入了一个新的自适应参数a,其中a具有单调不减的特性,这一特点不仅使得系统的跟踪误差在有限时间内小于规定的控制精度,还使其具有较快的响应速度。而且该控制方法的调节参数相较于其他自适应模糊控制方法并不敏感,方便了实际应用。2.在文中引入了一个命令滤波器来降低反步设计过程中计算的复杂性,同时它还可以有效地削弱对虚拟控制信号的需求,巧妙地抑制了抖振现象。对于由命令滤波所产生的误差影响,我们引入了补偿信号来对其进行消除。3.由于时变扰动幅值经常是剧烈变化的。基于这方面的原因,我们设计了一个新的扰动观测器,它可以很好地估计和补偿外部环境扰动的影响。4.将以上方法运用到USV中,研究了USV的路径跟踪控制精度不容易掌握的问题,用于提高USV的跟踪性能。首先采用模糊逻辑系统和扰动观测器对系统中存在的建模不确定性和外部时变扰动进行估计和补偿,并结合命令滤波反步控制方法降低了计算过程的复杂性,此外还引入了相应的补偿信号,目的是为了移去命令滤波所带来的误差影响。在此基础上,在控制器和扰动观测器中加入了一个新的参数a,通过调节a的大小来调节系统的控制精度,使其在规定的时间内实现有效且快速的跟踪,控制效果优于传统方法。最后通过Lyapunov方法,保证了整个闭环系统在有限时间内是稳定的。仿真结果表明了系统的所有信号都是有界的,且有很好的跟踪性能,验证了本文中自适应模糊控制器的有效性。

关键词： 凝固过程   有限时间控制   时滞   干扰   T-S模糊   自适应控制  

摘要： 凝固过程系统存在于航天、食品、化工等工业生产中的众多领域,针对某个物理量如温度、压强等的控制精确程度极大的影响最终成品的质量,比如如果冷却温度较低会使其凝固进程较快,其内部可能产生间隙、气泡等损伤情况,所以对其过程控制技术的研究具有重要的现实意义。凝固过程一般涉及物理反应甚至化学反应,其存在时滞与非线性特性,时滞的存在会使系统的状态变化与控制器的输出之间存在不同步的情况,进而降低系统性能,对于非线性系统一般采用直接分析处理与单点局部线性化的方法,此类方法会使得对该控制系统的研究与控制器的设计较为复杂,而且会失去系统较多的动态特性。另一方面,传统控制器设计方法所得到的较多为渐进稳定的结果,可能产生较多的不确定性,而在实际的生产中,出于对其生产效益与成本,往往需要使得该系统能在有限时间内达到稳定。最后,凝固过程中一般存在外部干扰的影响,所以需要对干扰进行抑制来保证系统的鲁棒性。所以本文针对上述问题,提出了一种基于T-S模糊模型的有限时间自适应控制策略。具体研究内容如下:(1)对于一个具体的凝固过程系统进行机理建模,建立了实际工业冷却成型控制系统的数学模型。依据实际物理条件选取合适的工作点,将所建立的非线性系统在所选取的工作点变成局部线性方程,最后选取梯形形式的模糊隶属度函数,得到该凝固过程系统的T-S模糊模型。(2)对于具有时变时滞的凝固过程非线性系统,为了解决其时滞问题,构造了一个具有记忆项的一阶积分形式Lyapunov Krasovskii函数,加入有限时间自适应控制的思想,设计了T-S模糊有限时间自适应记忆控制器(T-S-FFTAMC),并证明了所设计的控制器可以使闭环系统在有限时间内稳定同时得到了该控制器的求解线性矩阵不等式组。基于工业中常见的化工凝固过程系统设计了仿真实验,验证了本文所提出的控制方法的有效性。(3)对于具有未知变时滞以及干扰同时存在的凝固过程非线性系统,构造了一个具有记忆项的二阶积分形式Lyapunov Krasovskii函数用以解决时滞问题,另一方面,结合H∞鲁棒条件,用以抑制系统中干扰带来的影响,提出了具有H∞约束的模糊有限时间自适应鲁棒控制策略,证明了所设计的控制器可以使闭环系统在全局内有限时间稳定,并进一步结合半实物仿真平台来证明了该方法的有效性。