基于反馈线性化的广义预测控制机械臂轨迹跟踪算法

分析了机械臂轨迹跟踪控制问题的特点,建立了二自由度机械臂动力学模型。为解决广义预测控制(generalized predictive control,GPC)算法难以适用于非线性系统的问题,在现有的GPC算法基础上,设计了基于反馈线性化的广义预测控制(feedback linearization-generalized predictive control,FL-GPC)算法框架,即底层为线性系统预测控制,非线性项使用预估值来进行代替,高层为迭代修正预估量,使用迭代计算的方式对非线性项进行预估。使用FL-GPC算法对二自由度机械臂的静态、动态轨迹跟踪任务进行了仿真。仿真结果表明,算法可以进行有效的机械臂轨迹跟踪控制。

基于反馈线性化的插秧机路径跟踪模糊预测函数控制

为了提高插秧机路径跟踪系统的控制精度和鲁棒性,该研究提出一种基于反馈线性化的模糊预测函数控制方法。在Frenet坐标系下建立插秧机运动学模型,并采用状态反馈方法对模型进行精确线性化处理,通过选取Morlet小波函数作为基函数,以及依据横向误差、横向误差变化率和参考路径曲率设计模糊规则在线调整性能指标函数中的加权系数,进而运用预测函数控制算法求解路径跟踪控制律。Matlab/Simulink仿真试验结果表明,当插秧机作业速度为0.5、1.0、1.5 m/s时,对于直线路径跟踪情况,模糊预测函数控制的横向误差均渐近趋于0,行驶轨迹皆无超调,上线距离分别为1.2、2.3和3.3 m;对于曲线路径跟踪情况,模糊预测函数控制的横向最大绝对误差分别为0.7、2.4和5.1 cm,横向标准差分别为0.4、1.5和2.8 cm。与常规模型预测控制相比,模糊预测函数控制在确保路径跟踪系统实时性的前提下,提高了系统的控制精度,改善了系统的动态性能,并且对作业速度与参考路径曲率变化具有更强的鲁棒性。水田实车试验结果表明,模糊预测函数控制能够使插秧机在不同作业速度下平稳有效地跟踪参考路径,并具有较高的控制精度和鲁棒性;当插秧机作业速度为0.5、1.0与1.5 m/s时,模糊预测函数控制的横向最大绝对误差分别为5.9、7.5和9.8 cm,直线路径横向标准差分别为1.4、1.7和2.7 cm,曲线路径横向标准差分别为2.5、3.6和5.5 cm,跟踪效果满足插秧机实际作业要求。该研究可为插秧机路径跟踪预测控制方法研究提供参考。

基于精确反馈线性化的PMSM自抗扰控制

为了提升永磁同步电机PMSM在负载变化和其他不确定干扰情况下的速度跟踪性能和抗干扰能力,提出了一种基于精确反馈线性化控制的自抗扰控制方法。首先,采用精确反馈线性化方法,通过坐标变化和状态反馈,将永磁同步电机模型解耦为独立的电流子系统和转速子系统,对转速子系统设计一种自抗扰控制器,对电机系统在运行中的不确定干扰进行实时估计并补偿,提升系统的速度跟踪性能和抗干扰能力。其次,针对自抗扰控制中非线性函数fal在拐点处不平滑的问题,对fal函数进行改进,减小了系统的高频抖振。最后,对基于精确反馈线性化、精确反馈线性化-自抗扰控制两种控制方法在MATLAB/Simulink仿真平台搭建相应的模型进行仿真结果对比,结果显示,精确反馈线性化-自抗扰控制速度跟踪调节时间缩短了58.33%,突加负载后恢复时间提升95.45%,表明该方法能够快速跟踪转速和负载转矩变化,具有良好的抗干扰能力,验证了所提方法的优越性。

电网电压不平衡下MMC-SST反馈线性化滑模控制策略

将模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)投入到固态变压器(solid state transformer,SST)系统中时通常采用比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制方法,但这种策略存在参数选取繁杂、动态性能较差的缺点。为了提高系统的动态性能并简化参数选取,提出了MMC-SST反馈线性化滑模控制策略。首先建立了MMC-SST整体仿真模型。然后建立了采用反馈线性化滑模控制的MMC-SST控制模型。最后利用MATLAB/Simulink平台将所提的控制方法与常规PID控制策略作了仿真比较,验证了所提反馈线性化滑模控制策略具备参数选择容易、动态性能优良的优势。

基于LESO的DFIG-GSC反馈线性化直接功率控制

为了提高双馈风力发电机网侧变换器(DFIG-GSC)这个强耦合非线性系统的性能,提出了一种反馈线性化直接功率控制策略。首先在αβ坐标系下建立以有功功率、无功功率为变量的DFIG-GSC的数学模型,针对模型中的强耦合项采用反馈线性化进行解耦,得到其线性模型,再结合滑模控制理论设计出功率内环的控制律。由于功率内环控制律中未建模部分和不确定因素会对控制效果产生影响,采用线性扩张状态观测器对其进行观测并对其控制量进行修正。同时电压外环采用滑模控制来提高直流侧电压的响应速度。最后搭建仿真模型与传统PI控制以及直接功率控制进行比较,验证了所提控制策略的合理性和有效性。

基于LESO的MMC-RPC反馈线性化直接功率控制

模块化多电平铁路功率调节器作为一个耦合的多变量非线性系统,传统PI控制的直接功率控制难以实现对系统的精确解耦.本文提出了一种基于线性扩张状态观测器的反馈线性化直接功率控制方法,根据Lie导数构建了模块化多电平铁路功率调节器(MMC-RPC)两输入/两输出功率仿射模型,设计了精确反馈线性化功率解耦控制器.针对不确定因素等扰动对精确反馈线性化控制效果的影响,设计了线性扩张状态观测器对扰动进行观测和补偿,实现了功率的精确跟踪控制.最后,通过MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型对所提控制方法进行了验证.

基于模糊反馈线性化和自适应扩张状态观测器的USM六自由度镇定控制

水下游动机械臂(USM)作为一种新型的水下机器人,其镇定控制对于水下观测和作业任务的顺利完成具有重要意义。针对USM六自由度镇定控制时,其模型难以准确建立、水流等外部扰动难以观测和6个维度的控制器参数整定困难等问题,提出了一种基于模糊反馈线性化和自适应扩张状态观测器的控制方法。首先建立了USM的动力学模型;其次,考虑到USM强非线性和强耦合性的特点,对动力学模型反馈线性化后设计了PD控制器,并引入了模糊控制逻辑调整控制器的参数;同时为减少建模误差和实际水下环境存在各种不确定干扰对控制效果的影响,设计了一种自适应扩张状态观测器来实时补偿模型的不准确性和外扰。最终,在湖中实验测得,所提方案6维均方根误差(RMSE)为0.425 2、0.166 8、0.168 5、0.267 4、0.117 4、1.003 3,较之传统方案有明显的提升,证明了所提方案的有效性。

基于状态反馈线性化的电液伺服系统模型预测控制

针对如何提高阀控离合器的位置控制精度、克服非线性等问题,该文提出了一种基于状态反馈线性化的电液伺服系统模型预测控制方案。首先建立了伺服系统状态空间模型,将非线性系统映射为新坐标空间内的线性系统模型;接着设计了一种基于马尔可夫链预测模型的反馈线性化模型预测控制器(feedback linearization model predictive controller,FLMPC),通过设计损失函数求解最优输入序列,最终作用于反馈线性化系统。仿真结果证明,在相同输入情况下,反馈线性化系统与原系统的位置误差满足控制需要,可以有效减少超调量。且在保证被控对象快速稳定控制的条件下,相比非线性模型预测控制,该算法单步计算时间更短。

Boost变换器精确反馈线性化滑模变结构控制

利用非线性系统的微分几何理论,在Boost变换器仿射非线性模型基础上,推导出对应的非线性坐标变换矩阵和状态反馈表达式,得到Boost变换器状态反馈精确线性化模型。在此线性化模型基础上,选取线性切换函数和指数趋近律,设计滑模变结构控制器。研究对比表明,所提出的精确反馈线性化滑模变结构控制策略具有良好的动态响应调节和稳态误差调节特性,同时克服了现有精确反馈线性化控制策略固有的对精确数学模型依赖性的缺点,表现出更强的鲁棒性,从而具有一般性理论和实际意义。

SSSC非线性控制的直接反馈线性化方法

考虑了静止同步串联补偿器(SSSC)的逆变器输出交流侧电压幅值和相位的动态调节过程及其直流侧电容电压的动态变化过程,建立了SSSC的三阶动态模型,并用直接反馈线性化方法设计了 SSSC与发电机励磁的协调非线性控制器,由于采用了动态反馈补偿 ,因而所设计的控制器对系统运行方式的变化具有很强的鲁棒性。该文还利用MATLAB的动态仿真环境Simulink及其 S_Function编程技术建立了相应控制系统的仿真模型,并基于该模型对系统的暂态行为以及输电线路有功功率的调节过程进行了仿真。仿真结果表明,所设计的控制器能有效地对线路有功功率进行控制,并能显著地改善电力系统的暂态稳定性。

基于直接反馈线性化的异步电动机非线性控制

异步电动机是一个存在复杂耦合的非线性系统。该文应用直接反馈线性化理论,通过对输出方程的简单求导,得到所需的坐标变换和非线性状态反馈,实现了异步电动机系统的输入输出线性化。对于反馈线性化中重要的零动态问题进行了详细研究,保证了控制系统的稳定性。同时,系统分解成转速和磁链两个独立的最简线性子系统,实现了二者的动态完全解耦。仿真结果表明该文提出的方法具有优良的控制性能。

三相有源电力滤波器精确反馈线性化空间矢量PWM复合控制

提出一种基于精确反馈线性化的三相有源电力滤波器空间矢量脉宽调制控制方法。在三相并联型有源电力滤波器的仿射非线性模型基础上,推导出其状态反馈精确线性化非线性控制律,实现三相并联型有源电力滤波器有功补偿电流和无功补偿电流的解耦控制。选取适当的反馈系数可确定交流侧指令电压,利用空间矢量脉宽调制技术对所需的指令电压进行逼近。与PI控制的三角载波控制方案进行仿真对比分析,验证了所提出的控制方案的动、静性能指标均优于PI控制方案。研制了一台小功率样机,验证了所提方案的正确性和可行性。

基于反馈线性化的高性能逆变器数字控制方法

传统逆变器控制方法大多基于小信号原理,其频域模型并不能保证系统在大信号扰动下的稳定性。提出一种新型的基于逆变器大信号模型的反馈线性化控制策略,可改善逆变器在输入电压波动和输出负载扰动下的输出特性,并具有良好的电压和电流跟随特性。根据逆变器电路的大信号方程,分析提出数字控制器的线性化反馈结构及其参数设计方法。与传统控制结构相比,此控制策略在动态响应和稳态精度上更具优越性,并具有较强的鲁棒性。仿真与实验结果均验证了该策略的正确性和有效性。

D-STATCOM的输入—输出反馈线性化滑模变结构控制

为提高配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)控制系统动态性能和鲁棒性,提出一种基于输入—输出反馈线性化与积分滑模控制相结合的D-STATCOM控制方法。该方法利用输入—输出反馈线性化实现D-STATCOM有功电流与无功电流的解耦,消除D-STATCOM直流侧电容电压的非线性特性,使之在支撑公共耦合点(PCC)处电压的同时快速稳定直流侧电压,并利用积分滑模控制增强其对参数摄动的鲁棒性。仿真和物理实验结果表明,D-STATCOM采用文中提出的控制策略,配电网PCC处电压和直流侧电容电压均能快速、准确地调整到其参考值,并在外部干扰及参数变化时具有较强的鲁棒性。

变桨距风力发电机组恒功率反馈线性化控制

在额定风速以上时,为保证风电机组的安全稳定运行,需要降低风力机捕获风能,使风力机的转速及功率维持在额定值,基于微分几何反馈线性化方法,提出变桨距风力发电机组恒功率控制策略.建立了风力机的仿射非线性模型,采用微分几何反馈线性化变换实现全局精确线性化;根据新的线性化模型,以风力机转速为输出反馈变量,叶片桨距角为输入控制变量,设计桨距角控制器;在风速高于额定值时调节风力机维持在额定转速,从而实现额定风速以上的恒功率控制.仿真结果表明,所提控制策略能较好地解决变桨距风力发电机组额定风速以上的恒功率控制问题,控制方法具有较好的适应性和鲁棒性.

全控器件励磁系统的多变量反馈线性化控制

全控器件励磁系统不仅具有常规励磁系统的控制功能,还能够在网侧对系统补偿无功,为发电机提供更多阻尼,从而改善系统的阻尼特性,但随着控制变量的增加和系统结构的变化,使得整个系统变的更加复杂,控制系统的设计难度加大。针对这种复杂的非线性系统,首先分析网侧无功补偿与网侧并联等效阻抗的一致性,并在此基础上推导基于三阶同步发电机模型的全控器件励磁系统的等效模型。以控制转子功角和机端电压稳定为目标,采用多变量反馈线性化方法设计基于此等效模型的两输入两输出非线性控制策略。仿真结果表明,相对于线性控制(电压自动调节器+电力系统稳定器)方法,所提非线性控制策略在系统受到大干扰的情况下,依然能较好地增强系统阻尼,并且随着补偿容量的提高,阻尼效果更好;当系统参数发生改变时,依然具有良好的控制效果,相比线性控制适应性更好。

BTT导弹的神经网络自适应反馈线性化控制

提出基于反馈线性化理论的BTT导弹自动驾驶仪设计方法。并提出由俯仰过载命令产生攻角命令的方法。应用CMAC神经网络构成一种自适应反馈线性化方案,使具有不确定性的实际系统获得要求的跟踪性能。闭环系统的稳定性由李雅普诺夫稳定性理论得到保证。该方法适合于控制导弹作全空域飞行。

有源电力滤波器精确反馈线性化准滑模变结构控制

提出一种基于精确反馈线性化的有源电力滤波器(active power filter,APF)准滑模变结构复合控制策略,解决了传统有源电力滤波器滑模控制器设计结构复杂及抖振问题。根据三相有源电力滤波器在d-q坐标系下的仿射非线性模型,推导相应的坐标变换矩阵与状态反馈表达式,得到系统精确反馈线性化模型。针对此线性系统设计积分滑模函数,并证明等效控制的存在性与滑模控制的可达性。最终实现了准滑模变结构控制器设计,并给出参数选取范围。仿真与实验结果证明,该复合控制方法结合了精确反馈线性化控制与滑模控制的优点,具有较优的动态控制响应与稳态控制性能。

基于反馈线性化的EMS型磁浮列车非线性悬浮控制器设计

悬浮系统控制技术是EMS型磁浮列车的关键技术之一。针对悬浮系统的非线性特征,设计了一种非线性悬浮控制器。在合理假设的基础上,建立了EMS型磁浮列车悬浮系统的非线性数学模型;通过反馈线性化将该非线性模型精确线性化,得到等价的线性模型,采用状态反馈的方法设计了非线性控制器。仿真结果表明,该非线性控制器的控制性能明显优于传统的局部近似线性化方法设计的控制器,对间隙干扰和负载干扰具有鲁棒性。

导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制

旋转导向钻井的稳定控制平台单纯采用PID控制时,控制性能与工具面角度的给定值有关。在某些角度下,平台会产生振荡旋转现象,无法实现工具面角度的稳定,使导向工具失去导向控制功能。分析表明,导致这种现象的主要原因是系统存在非线性偏心作用力矩,该力矩与工具面角度成正弦函数关系。基于反馈线性化原理,提出了平台系统的输出反馈线性化控制方法,消除了非线性因素的影响,实现了线性的闭环系统。仿真表明该方法可实现平台系统在钻井过程强扰动作用条件下的任意角度位置稳定控制。针对非线性偏心作用力矩不可直接测量问题,提出了一种基于系统运动姿态测量的偏心作用力矩在线估计方法,可有效减小估计误差所导致的控制性能劣化,并给出了一个在线估计的应用实例。水力驱动条件下的控制测试验证了基于偏心作用力矩在线估计的反馈线性化控制方法的有效性。