提高研究生创新能力的控制学科实践体系建设

面向控制学科研究生开设的控制学科实验课程,探讨了基础实验课程教学与科研方向相融合的新模式。整合并构建了多维度立体化教学资源,建设了“基础+专业+拓展”挑战难度递进的12个特色鲜明、技术先进、应用前沿的综合实践模块。探索了以专题模块型实验贯通整个实验课程教学内容的教学方法,建立了“多阶段形成性评价、多模块结构化评分”的实践教学评价体系。提高了学生自主学习的积极性,强化了学生综合科学素养及创新实践能力的培养。

“智能无人系统前沿技术与应用——庆祝国防科技大学办学70周年”专刊

随着科技的迅速发展,智能无人系统已经成为当前控制领域备受关注的热点话题.在这--领域,国防科技大学一直致力于推动智能无人系统的发展,为国防建设和经济发展提供强有力的支撑.为庆祝国防科技大学办学70周年,我们欣然推出《智能无人系统前沿技术与应用一庆祝国防科技大学办学70周年》专刊,旨在展示智能无人系统领域最新研究成果,促进学术创新、技术创新及应用创新,加强领域内外的合作与交流。

超高速永磁电动悬浮系统性能优化

为提高超高速永磁电动悬浮系统的综合性能,围绕浮重比、浮阻比和悬浮刚度3个重要指标开展了多目标性能优化研究.首先,对永磁电动悬浮系统进行横向延拓,推导三维电磁力模型,并进行有限元仿真分析;然后,针对浮重比、浮阻比和悬浮刚度的多目标优化问题,提出基于“系统级+子系统级”架构的并行优化策略,实现了线性加权意义下的系统性能最优.最后,搭建了“Halbach永磁阵列+凸缘式铝制转盘”实验平台,验证上述优化策略在提高系统性能上的有效性.研究结果表明:在超高速工况下,理论解析计算得到悬浮力与仿真结果误差在8%以内,而磁阻力几乎没有误差;通过优化设计,浮重比从11.0提升至18.3,增幅为75.50%;浮阻比从3.5提升至3.8,增幅为7.50%;单位质量永磁阵列的悬浮刚度从6.1 kN/m提升至20.6 kN/m,增幅为235.94%.

超高速永磁电动悬浮系统三维解析建模与电磁力特性分析

永磁电动悬浮系统在高速情况下具有自稳定的特点,并且安装维护简单,在超高速管道磁浮运载中具有重要的应用价值。文章以超高速永磁电动悬浮系统为对象,对“Halbach永磁阵列-导体板”结构进行系统建模,提出了一种横向端部断面边界条件的构建方法,明确了电磁力的求解方法。同时,对电磁力特性开展研究,分析了电磁力随电磁参数、结构参数变化的规律。利用转盘试验平台开展了原理性验证试验,通过有限元仿真和试验结果对比,说明了所建电磁力模型的正确性。

科研成果进课堂提升“控制器件”课程教学质量

高水平科研是本科教学活力的源泉,通过将高水平科研成果引入本科教学,以技术应用能力及创新能力为主线构建课程内容是提高本科教学质量的重要创新。科研成果进课堂可以增加教学的深度,拓展教学的广度,提高教学效果,有利于加深学生对理论知识的理解,提高学生实践动手能力,培养学生创新能力,激发学生主动学习的兴趣。国防科技大学“控制器件”课程团队通过将教师在导航、制导控制、机器人控制、无人车、无人机、磁悬浮等方面的科研成果引入到课程教学中,提升了该课程教学的教学质量,受到了学生的欢迎。

基于Youla参数化的高速磁浮列车悬浮系统控制与优化设计

为了解决高速磁浮列车悬浮系统长期运行过程中面临的性能退化问题,通过悬浮系统的复杂动态特性分析,基于控制器Youla参数化形式,提出了一种即插即用的悬浮系统控制与优化模块化架构,并设计了基于残差驱动的在线优化算法。仿真结果表明,设计的控制与优化架构以及在线优化算法有效地提高了悬浮系统对未知扰动的鲁棒性和适应能力。

基于模糊PID控制的准零刚度磁悬浮隔振平台的设计与实现

为有效降低系统固有频率,获得外部振动在多频段的强衰减,以永磁电磁混合作动器为负刚度结构提出并设计了一种准零刚度的磁悬浮隔振平台,实现了基于模糊PID(proportional integral differential)算法的振动主动控制系统.首先,通过特性分析与参数计算,基于准零刚度理论完成了准零刚度磁悬浮隔振平台的方案设计;其次,建立磁悬浮隔振系统模型,提出基于模糊PID算法的振动主动控制策略,可主动调节系统的等效刚度和阻尼;最后,基于Speedgoat实时目标机开发振动主动控制系统,搭建隔振测试平台,并开展了隔振性能测试.研究结果表明:本文设计的准零刚度磁悬浮隔振平台通过采用模糊PID的控制策略能够主动调节PID参数,动态调整系统的等效刚度和阻尼;外部振动频率在20~100 Hz频率段内,振动衰减率大于80%;外部振动频率在100~500 Hz频率段内,振动衰减率大于90%.

基于漏检率的磁浮列车悬浮系统异常检测

为实现中速磁浮列车悬浮系统的数据驱动异常检测,首先,引入基于参数化残差的异常检测方法;然后,针对当前悬浮系统的异常先验信息非常缺乏的问题,建立悬浮系统健康数据置信集和异常数据置信集,确定悬浮系统的异常检测评估函数与阈值;接着,异常误报率固定时以最小化异常漏检率为设计目标,从数理角度设计满足该目标的最优参数向量,并以此构建基于最低漏检率的悬浮系统异常检测算法;最后,以长沙磁浮快线的悬浮系统运行数据为例,对悬浮系统的间隙突变异常、砸轨异常和加速度传感器异常进行分析和检测.结果表明,在异常误报率为5%时,所提出的方法能够实现3种典型异常的全部检测,不存在对3种异常的漏检和对正常数据段的误检,最大异常检测滞后0.2 s.

基于预先补偿和全状态反馈控制的车-轨耦合振动抑制

以高速磁浮列车为研究对象,探讨了弹性轨道下的车-轨耦合振动问题。建立了能反映实际问题的车-轨耦合最小悬浮单元模型,并进行了开环系统稳定性和耦合振动机理分析。以弥补比例-积分-微分(PID)控制器有效信息利用不足为出发点,设计了基于预先补偿的全状态反馈控制器。通过仿真分析了反馈增益矩阵对系统跟踪性能和振动抑制能力的影响,提出了适当降低对悬浮间隙的要求换取振动抑制能力提升的思路。进一步分析了反馈系数对悬浮系统性能的影响规律,基于此得到了优化的预先补偿和全状态反馈控制框架。最后,通过实验验证了基于预先补偿的全状态反馈控制对抑制车-轨弹性耦合振动的有效性。

学为中心、构建脉络、体味经典——工科研究生控制类专业课程教学模式初探

工科研究生控制类课程建设应“以学为中心”,将授课理念由单纯的使学员“知如何”向“知为何”转变。在此理念下,借鉴BOPPPS教学模型和工科教育历史悠久国家相关课程的授课模式,探索了“2+1”授课模式,并利用启发式板书和互动式编程切实提高学员学习体验。通过分层级设置知识模块、引入学科前沿、体味学科经典文籍,实现内容向“高阶性”与“挑战度”的过渡,并帮助学员构建学科脉络。课程建设中突出形成性考核,有效引导学员自主学习,培养其主动探索知识的习惯。通过上述课程建设,探索了学员控制系统分析设计综合能力的培养模式。

基于新型跟踪微分器的磁浮车悬浮控制算法研究

针对磁浮列车运行过程中悬浮间隙信号存在随机噪声的问题,在间隙传感器输出端加入跟踪微分器(Tracking-Differentiator,TD)对信号进行跟踪滤波,进而设计反馈控制器实现磁浮列车稳定悬浮。以状态反步法确定最速离散二阶系统的边界曲线以及控制特征曲线,并确定可达区与线性区的控制量,区别于韩京清跟踪微分器算法(fhan-TD)中比较复杂的非线性运算,构造了具备线性特征的简易最速综合控制函数进而设计了一种新型跟踪微分器算法;以间隙信号及速度信号为状态变量创建二阶状态方程,根据实际磁浮列车悬浮结构建立磁浮车单点悬浮控制系统模型;在PID(Proportional IntegralDerivative)控制器的基础上,引入所提出的新型跟踪微分器对间隙输出信号进行跟踪滤波,搭建基于跟踪微分器的悬浮反馈控制器框架,实现磁浮车的稳定悬浮。数值仿真结果表明,所提出的跟踪微分器算法具有良好的跟踪滤波性能与相位品质,与传统fhan-TD相比,当输入带噪声正弦信号时,其滤波效果提升了37.5%,相位滞后减少了5.04%;当输入带噪声方波信号时,其滤波效果提升了33.87%,相位滞后减少了30.34%。试验结果表明,所提出的跟踪微分器能够有效抑制间隙传感器中不同强度的随机噪声,并且所设计的悬浮反馈控制器使得磁浮列车在悬浮上升阶段超调量减少了6.57%,调节时间缩短了0.11 s,验证了所提算法的有效及实用性。该新型跟踪微分器及其反馈控制器对于工程实现具有很好的参考价值。

磁浮列车的非线性控制问题研究

建立了磁浮列车悬浮系统模型,针对模型的非线性问题,利用反馈线性化技术,将系统的输入-状态线性化,设计出一个P控制器和一个非线性补偿器,得到了良好的仿真结果。在此基础上,进行了数字控制实验,比较了仿真和实验结果。实验表明反馈线性化技术可以解决磁浮列车非线性模型的控制问题。

磁悬浮列车的定位和测速技术研究

在介绍磁悬浮列车定位和测速技术特点基础上,着重论述了轨枕计数法、交叉感应回线法和脉宽编码感应式绝对定位法在磁悬浮列车定位测速中的应用,给出了实现的原理与方法,并分析了误差来源,并介绍了相关试验结果。在以上分析的基础上,结合我国磁悬浮列车的发展情况,提出适合我国现阶段的定位测速方案。

基于改进跟踪微分器的磁浮列车悬浮控制研究

磁浮列车悬浮系统的间隙传感器信号存在大量量测噪声,影响了悬浮控制的控制品质与稳定性。为解决该问题,文章借助等时区的方法确定最速离散二阶系统的边界层,根据边界层与可达区构造无需复杂开根号运算的新型最速控制综合函数,同时通过微分预报补偿方式实现相位补偿,进而设计了基于新型跟踪微分器的悬浮反馈控制器。数值仿真表明,该跟踪微分器能够快速跟踪输入信号,具有良好的滤波效果,无颤振、无超调。通过磁浮列车实车测试,基于所提出的跟踪微分器的悬浮控制器能使起浮阶段的最大超调量减少约15%,实现磁浮列车的稳定悬浮控制,具有很强的工程实用性。

磁悬浮控制的主动式隔振平台研究

磁悬浮隔振是一种新型的电磁力控制主动式隔振技术,在介绍磁悬浮隔振平台的基本原理基础上,分析了磁悬浮隔振的机理和特性,推导了其动态模型,论述了磁悬浮隔振控制策略,进行了隔振效果的计算机仿真,并以一个磁悬浮隔振试验装置为对象,进行了试验和测试。

基于模糊故障树的磁浮列车悬浮系统故障诊断

悬浮控制系统是CMS-3型磁浮列车系统的重要子系统,其可靠性的高低直接关系到列车能否安全运行.在对CMS-3型磁浮列车悬浮系统故障概率分析的基础上,将模糊数学和故障树方法相结合,建立了悬浮系统的模糊故障树,通过对其进行失效分析,给出了悬浮系统的故障诊断算法.实验表明,该方法用于悬浮系统的故障诊断是行之有效的.

降低参数灵敏度的磁浮列车鲁棒悬浮控制器设计

磁浮列车的悬浮静态工作点与承载重量有关,因此对悬浮控制器的设计提出了更高的要求.以八达岭磁浮列车旅游线用的CMS-3型磁浮列车为研究对象,在分析磁浮列车悬浮控制系统的数学模型基础上,应用降低参数灵敏度的鲁棒控制器设计法对悬浮控制器进行设计,使控制器对列车质量变化的参数灵敏度明显降低.

考虑轨道周期性不平顺的磁浮列车悬浮控制系统设计

以八达岭旅游线用中低速磁浮列车为研究对象,在建立悬浮控制系统模型的基础上,通过分析磁浮列车悬浮控制系统与轨道的相互作用规律,探讨了轨道周期性不平顺条件下悬浮控制系统的设计问题,比较了相对位移(间隙)、绝对速度和绝对加速度反馈与相对位移(间隙)、相对速度和相对加速度反馈两种控制方案的特点,给出了不同车速不同梁跨条件下的悬浮间隙变化的仿真结果,为今后的悬浮控制系统设计、线路设计和施工提供参考。

磁悬浮隔振系统设计与实现

本文介绍了磁悬浮控制技术的发展与应用情况。在建立系统动力学模型的基础上分析了隔振系统的基本特性，提出了应用加速度反馈来压低系统频带的方法。实验结果显示了该方案的有效性。

电磁型磁悬浮列车侧向力特性和弯道段运行分析

以应用于八达岭旅游示范线的CMS-3型磁悬浮列车及其中试试验线为研究对象,对单转向架磁悬浮列车的侧向动态特性和侧向的静态导向力大小进行了测试;对磁悬浮列车在3种平面缓和曲线上运行时的垂向悬浮气隙变化进行了仿真分析;对不同的悬浮控制方案进行了比较分析,并对本系统的下一步发展提出初步建议。