基于“以思促改,盐溶于汤”的专业课程思政建设与实践

以课程思政建设促进专业课程的教学改革,充分发掘专业课程与思想政治理论协同育人的综合教育理念。自动控制原理课程是开展课程思政的优秀载体。教学团队从课程资源整合、教学方法创新和实验教学改革等方面进行课程思政的探索与实践。提出以“智慧树”系统整合知识点、“故事为主线”讲解枯燥原理的“盐溶于汤”的知识育人,利用创新创业实验平台进行实践育人,以思政元素点亮整个“智慧树”系统的思想育人,构建全方位、多维度的全员、全程育人格局,并取得良好的教学科研成果。对其他专业课程的教学改革和课程思政建设具有一定的借鉴和指导意义。

基于数字孪生的LabVIEW与传感器融合实验平台的研究与创新

针对当前传感器检测实验教学面临的问题与挑战,结合检测实验室现状和国家创新型人才培养趋势,面向学生能力培养,设计了基于LabVIEW的多通道传感器实验平台,建立检测技术与虚拟仪器融合实验室。实验平台根据传感器实验具体要求设计相应功能,借助虚拟仿真技术,把复杂场景和传感器检测电路搬进检测技术与虚拟仪器融合实验室,对检测技术实验课程进行教学改革。平台拥有数据访问、整合和转化能力,在虚拟中再现传感器检测的核心要素,为数字孪生过程控制制造系统提供良好的数字化检验测量系统。此外,实验平台功能齐全,可以作为虚拟仪器教学过程中的课堂实验演示系统和学生编程练习系统,有利于课堂实践环节的展开。融合实验室采用了应用型学科教育模式和四位一体的管理方式,全面深化传感器检测和虚拟仪器课程与工程实践之间的联系,为工业化人才培养提供了参考导向和模板。

基于相位稳定的音圈电机鲁棒控制器设计

为了解决传统增益稳定设计方法无法抑制输入干扰及鲁棒性较差的问题,提出了一种基于相位稳定的鲁棒控制策略。首先,引入第二相位裕度设计相位稳定控制器;其次,为了保证模型参数摄动后系统的鲁棒性能,给出了一种根据鲁棒性能条件优化控制器参数的方法;最后,通过仿真验证了所提策略的有效性,结果表明所设计的控制器可以有效抑制输入干扰并满足摄动系统鲁棒性能要求。

神经网络预测控制在SCR烟气脱硝系统中应用

以自某热电厂350 MW燃煤机组的选择性催化还原(SCR)反应系统所采集的数据为依托,使用神经网络预测控制方法,研究电厂尾气中氮氧化物排放的预测及控制问题.利用神经网络的方法进行模型辨识,利用预测控制的思想对喷氨量进行控制,既可使尾气达到限排标准,亦能减少用氨量,提升经济效益的同时减少氨逃逸.采用最速梯度方法进行控制器的优化,并通过性能函数来约束控制量,达到预期输出.最后将仿真结果与现场所测数据进行对比,结果表明神经网络预测控制方案可以较准确地预测出未来有限时刻所需的喷氨量.

非线性系统的线性化

由于非线性系统线性化时采用泰勒展开式可能会得出错误的结果,指出了系统的线性化应该是在方程式推导过程中同时进行。对磁悬浮系统,在拉格朗日方程建立过程中求取相应的偏导数从而得出系统的线性化方程。给出了用Simulink的非线性系统仿真方法,并用非线性系统在小偏差下的仿真结果与线性化系统的结果进行对比。结果表明,这样的求取过程物理概念清楚、简单,有助于正确列写系统的方程式。

挠性系统的控制设计和H_∞回路成形法

挠性系统的控制设计与具体的挠性特性是相关的,从控制角度将挠性系统划分为轴系传动机构、桁架结构和卫星太阳能帆板的薄板型结构3类.其中薄板型结构挠性系统的挠性特点明显,文中指出H∞回路成形法能有效解决薄板型结构挠性系统设计上的难点,即在幅频特性急剧下降的频段内保证系统的稳定性.一般H∞控制理论中,H∞范数是系统的性能指标.但H∞回路成形法中的H∞范数表示的则是闭环系统的稳定裕度.通过挠性系统的算例说明,H∞回路成形法并不是给定摄动范围下的设计问题,因此在鲁棒性设计这一概念上也不同于常规的H∞控制设计,有其自己的含义.

磁悬浮系统的H_∞状态反馈设计

理论上H∞状态反馈设计只要求解一个Riccati方程,但常会得出一种无意义的结果。提出H∞状态反馈设计还应该加一个鲁棒性约束,即灵敏度函数的峰值。增加了鲁棒约束下的设计是最佳的设计,才能得到最佳的扰动抑制性能。还指出H∞状态反馈设计中的性能指标γ和权系数都是有量纲的,并详细说明了性能指标和权系数的确定方法。以磁悬浮系统为例,对H∞状态反馈设计中的权系数进行了详细的讨论。所提出的设计思想对一般的状态反馈设计也是有益的。

H_∞回路成形设计的鲁棒性

回路成形法设计中是用互质因子摄动来表示系统不确定性的.文中对这种互质因子摄动进行了较详尽的分析,指出系统中的弱阻尼模态会增大互质因子摄动的范数,因而降低了允许的摄动值,使系统实际上失去了鲁棒性.所以H∞回路成形设计并不一定像所期望的那样具有鲁棒性.文中并用一个参数摄动下的鲁棒性为例来进行说明.

μ综合中的D-K迭代算法

针对μ综合的D-K迭代过程中出现不同的γ值和μ值的问题,分析指出在控制器K的优化求解中Hamilton阵H∞或J∞的一些特征值在γ迭代的进程中可能会相当接近,即出现病态特征值。此时γ迭代就会停在一个较高的γ数值上。实际上,当将控制器闭环后,系统的H∞范数会比这个γ值要低很多。在求解标定阵D(ω)的过程中也会有类似的问题,逐点最小化所得的μ值和用拟合的D(ω)来求得的μ值可能是不一致的,甚至不收敛。给出了正确进行D-K迭代的方法,所附的算例中也给出了各种中间结果来帮助说明D-K迭代中的问题。为了能方便地使用Matlabμ工具箱中的D-K迭代命令,还给出了带有参数不确定性系统的状态空间表达方式。

H_∞回路成形中的μ综合法

H∞控制理论中的回路成形设计和μ综合都已经是定型的设计方法.最近有文献提出一种将这两种设计方法结合起来处理弱阻尼谐振模态参数摄动的新方法.但是实际设计表明,二者的结合并没有达到预期的效果.本文分析指出,回路成形本质上是一种鲁棒稳定性设计,其H∞范数指标的逆就是系统的稳定裕度.而μ综合只是一种鲁棒性能的设计工具.μ综合与回路成形结合只是反映在稳定裕度上,而并不影响设计所允许的摄动大小.所以在回路成形设计中没有必要再加进μ综合法.文中附有算例.

磁悬浮系统Bode定理的应用

针对磁悬浮系统的控制问题,研究了控制系统设计中的限制因素,指出了磁悬浮系统的稳定性一般都可以用线性化方程来进行处理,因此磁悬浮系统的设计问题主要是性能问题,而系统的性能(灵敏度)则是受到Bode积分定理的约束;分析了球在悬浮状态下的漂浮运动对系统带宽的影响,利用Bode定理,给出了磁悬浮系统所能达到的灵敏度最小值,并得到了实验验证。根据所给出的积分约束可以在设计阶段就预见到系统所能达到的性能,对系统设计具有普遍意义。

齿隙系统的建模与自振荡分析

针对齿隙系统都有自振荡倾向的问题,给出了自振荡的条件。分析并说明了当齿隙处于系统中不同的位置上时要用不同的非线性特性来描述。当有力矩传递时齿隙的模型应该是用死区特性来描述,死区特性夹在两个动态环节之间形成了所谓的三明治系统。如果齿隙位于系统的输出端,则齿隙就具有滞环特性。无论是死区特性或滞环特性的场合,系统都有可能出现自振荡。分析指出这种三明治系统是由多重反馈回路所构成的,因而存在着固有的稳定性问题。采用描述函数法分析了这种三明治系统产生自振荡的条件,结论是齿隙的这种三明治系统与带滞环特性的系统一样,也是很容易起振的,并给出了改善起振条件的可能措施。

卫星大角度姿态机动控制的SOS设计

由于卫星各轴角速度之间是相互耦合的,故当姿态作大角度机动时需要考虑其非线性的动力学特性。此外,表示姿态的运动学微分方程也是非线性的。针对这类非线性系统的控制设计,文章提出了一种采用平方和(SOS)的综合方法。虽然SOS法是一种数值计算的方法,但文中表明设计结果却具有清晰的物理意义。所得的控制律可以视为是非线性版本的PD控制。由于修正Rodrigues参数(MRP)本身特性的关系,控制输入会出现峰值,因而文章提出了一种饱和设计。根据此类姿态系统的无源性本质,可以证明饱和下系统的响应是收敛的。同时,提出了一种利用对角优势的设计思路来减少SOS法的数值误差。SOS法可以求解不容易解析求解的非线性问题,具有广阔的应用前景。

马尔可夫跳变系统的蒙特卡罗仿真

针对跳变系统理论研究中缺少有效的仿真方法,提出了一种适用于跳变系统的蒙特卡罗法。跳变系统蒙特卡罗仿真的关键是马尔可夫链的仿真实现,研究了两种生成马尔可夫链的方法,即利用MATLAB函数randsrc和基于unifrnd函数产生均匀分布的随机数,提出了根据转移概率矩阵P对随机数设置不同的阈值来形成马尔可夫链的算法。根据仿真的结果对转移概率进行了验证,该方法概念清晰,简单易行,可用于切换系统等一般随机系统的研究。

非线性H_∞控制的SOS设计

提出了一种新的非线性H∞控制的设计方法。虽然平方和(简称SOS)方法可用来求解不易用解析法求解的非线性问题,但还是不能直接来求解HJI不等式或非线性的有界实不等式。详细分析了SOS法在求解中的这些局限性。给出了求解非线性H∞控制的一种迭代设计的方法。每一次迭代分为两步。第一步是先用SOS法设计系统的非线性状态反馈,其增益阵是可调整的。第二步是求系统L2增益,用图解解析法求解计算中的优化问题。还给出了一个卫星大姿态机动的非线性H∞控制设计作为应用本方法的实例。

哈密尔顿系统的无源性控制设计

无源性控制(PBC)是非线性控制的一个新的方向。不过对无源性控制一般都是定性的讨论。本文给出了一种与无源性控制结合的定量化方法。为求解无源性控制中的偏微分方程,需要先将非线性系统的数学模型转化成Ham ilton模型。文中以一个磁悬浮系统的无源性控制为例,说明了这个Ham ilton系统偏微分方程的求解方法,并给出了无源性控制律。本文的方法为非线性控制提供了一个实用的设计工具。

电离层异常原因分析与建模

分析了地震、磁暴、太阳耀斑等自然现象引发电离层异常的物理机制,并总结了电离层异常的特点。针对电离层中电子分布受地磁、太阳热辐射和地壳变动等影响较大,基于抛物层和赤道双峰模型建立了电子密度呈高斯型分布的电离层异常模型,为进一步研究电离层异常的耦合机制提供了依据。

非线性系统设计和分析中的SOS法

针对非线性控制系统的综合问题,提出了平方和(SOS)方法。SOS方法可以保证所求解的多项式总是非负的。给出了求解SOS问题的广义S方法。作为SOS方法的例子,详细分析了一个非线性系统的吸引域。给出了确定SOS问题中决策变量的方法。讨论了集合包含约束的确定和求解,并讨论了SOS问题求解中的保守性问题。SOS方法为不容易解析求解的非线性问题提供了一个方便的数值求解方法,故本文的方法将会有一个广阔的应用前景。

GPS精密卫星钟差估计研究

随着精密单点定位技术的发展,对于精确的卫星坐标以及卫星钟差改正精度的要求越来越高,精密卫星星历以及精密卫星钟差的求解成为制约精密单点定位技术发展的瓶颈。本文基于修复周跳的载波相位观测值与相位平滑伪距观测值,采用无电离层延迟星间单差精密卫星钟差估计模型,在先估计出整周模糊度后,进行了精密卫星钟差的估计,并采用与IGS事后精密钟差作二次差的方法进行精度分析,这对于提高精密单点定位精度具有一定的意义。

考虑微推力器输出特性的引力波探测卫星分数阶PID控制

针对微波离子推力器工作中出现的非预期电击穿及温漂带来的推力低频扰动,兼顾无拖曳系统超低带宽及强鲁棒需求,将其转换为频域约束指标,并以扰动抑制能力为目标函数设计了分数阶PID作为无拖曳控制器。仿真研究表明,相比较经典的PID控制器,该控制对系统的各种扰动具有良好的鲁棒性,能够抑制推力器打火、温漂带来的控制影响,最终实现了更高的控制精度。研究为考虑微推进系统的引力波探测无拖曳卫星高精度控制方法提供了借鉴。