具有介质访问约束的网络化控制系统H∞状态估计

研究了一类存在介质访问约束和信号量化的网络化控制系统的H∞状态估计问题。首先,考虑到介质访问约束和信号量化的影响,将信号量化误差转化为扇形有界的不确定性,对由于访问约束而未获得网络传输的系统输出采用加权补偿策略,根据网络介质的随机访问机制将网络化系统建模为具有不确定性的马尔可夫跳跃系统。然后,在此基础上借助李雅普诺夫稳定性理论和H∞性能约束条件,利用线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)方法给出状态估计器存在的充分条件,所设计的状态估计器使得估计误差系统渐近稳定且具有给定的H∞性能。最后,通过仿真实例验证了该设计方法的有效性。

带扰动补偿的永磁同步电机鲁棒H∞控制

为了提高永磁同步电机调速系统的抗干扰能力,提出了一种鲁棒H∞控制方法。首先,根据鲁棒H∞控制原理,提出了永磁同步电机H∞速度控制设计方法,并介绍了求解方法。设计加权函数时考虑了跟踪性能、干扰抑制、输出限制和模型不确定性。通过伯德图详细说明了性能加权函数对动态性能的影响,并给出了加权函数的设计方法。然后,在考虑参数不确定性和未建模动态的情况下,为进一步提高系统的抗干扰能力,通过Luenberger扰动观测器将扰动作为前馈补偿观测,并将其反馈到速度控制器中,以加速动态响应,增强对扰动的抑制能力。最后,通过试验对比了传统比例积分控制器、H∞速度控制器和所提的复合速度控制器,试验结果验证了所提复合速度控制器的有效性。

考虑控制器饱和约束的单杆柔性机械臂鲁棒H∞保性能控制方法

针对单杆柔性机械臂建模误差,控制器饱和及外界扰动的不确定性因素,提出了单杆柔性机械臂的鲁棒H∞保性能控制方法。现有单杆柔性机械臂控制方法多是忽略了其质量对系统性能的干扰,未考虑控制器输入饱和对电机寿命的影响。因此,文章将柔性机械臂的质量作为建模不确定性,然后基于李亚普诺夫函数推导出不确定线性系统鲁棒H∞保性能控制器存在的充分必要条件,将控制问题转换为一个线性矩阵不等式的优化问题。最终使二次性能指标上界或H∞变化范围最小。仿真结果表明,所设计的控制器对于柔性机械臂的振动有很好的抑制效果。

回旋式倒立摆的H∞控制

倒立摆系统具有多变量、非线性、强耦合和不确定的特点,常被用来验证控制算法的优劣性。H∞在干扰抑制和鲁棒性上均有较为突出的表现。在对倒立摆控制研究情况和H∞控制理论发展情况进行简单介绍后,围绕一阶回旋式倒立摆的H∞控制进行研究。首先,基于拉格朗日方程对一阶倒立摆进行动力学分析,并近似地得到平衡点附近的线性方程;对倒立摆系统进行分析,得到倒立摆系统是能观能控系统、但平衡点不稳定的结论。其次,简单介绍基于里卡蒂方程的H∞控制器求解方法,并证明该控制器能够保证系统的稳定性。最后,仿真确定加权矩阵各元素和H∞性能指标的大小对系统性能的影响和对电机扭矩的要求,并最终确定一组相对合适的参数进行控制器设计。

快速反射镜的系统辨识与回路成形H∞鲁棒控制

音圈式快速反射镜(Voice Coil Actuator-Fast Steering Mirror,VCA-FSM)是星间激光通信中的重要伺服机构,其基于音圈电机进行驱动,FSM内部的柔性支撑结构以及轴间相对运动使系统存在复杂耦合特性,降低了系统的控制性能。对于该问题,本文提出了一种基于模型辨识的双轴回路成形H∞解耦控制方法。首先,基于激励与响应数据求解系统脉冲响应序列,构造Hankel矩阵进行系统辨识;其次,考虑系统的耦合特性,基于标称模型进行双轴回路成形H∞鲁棒控制器的设计;最后,基于VCA-FSM伺服控制实验平台,开展方波与正弦扫频实验。实验结果表明:相较于LQG与LQR控制,本文所提出的双轴回路成形H∞鲁棒控制使系统X,Y轴跟踪闭环带宽分别最大提升了54.3 Hz和54.8 Hz,显著降低了系统的耦合特性。本文所提出的控制方法充分提高了VCA-FSM伺服系统的性能,实现了双轴VCA-FSM的高性能解耦控制。

基于H∞算法的燃气轮机振动主动控制

燃气轮机机匣在工作状况下受多种零部件的影响会产生复杂的振动,将导致机组工作噪声升高、意外停机、减小设备使用寿命等问题。文中介绍了一种利用电磁致动器对燃气轮机机匣进行主动控制的方法,通过利用机匣主要振动位置处的加速度信号作为反馈信号,对系统采用H∞算法进行振动主动阻尼。实验结果表明,提出的主动阻尼方法可显著提升机匣的动刚度,并大幅减小机匣振动。

基于混合H2/H∞滤波信息融合的室内定位算法

在接收信号强度指示(RSSI)指纹定位与行人航位推算(PDR)组合室内定位模型中,针对噪声误差和模型误差对融合定位的影响,提出了一种基于混合H2/H∞滤波的融合定位方法。由于室内信号存在多径传播、衰减、非视距(NLOS)的影响以及传感器精度问题,系统或观测噪声往往不符合卡尔曼滤波(KF)的假设前提,造成滤波稳健性差。H∞滤波不对噪声特性和模型误差做出假设,具有一定抗干扰能力,但由于结果保守,精度略低。混合H2/H∞滤波同时兼顾了二者的特性,在精度和鲁棒性提供一种均衡。通过仿真实验对比这3种滤波的融合定位性能。实验结果表明:混合H2/H∞滤波有效提高了指纹/PDR组合室内定位系统的精度和鲁棒性。

基于H∞控制的大功率液压泵功能振动系统

大功率液压泵在功能振动试验中,常采用无工况的结构验证来考核产品。伴随着大功率液压泵在机载时的工况以及故障的复杂化,仅仅进行结构验证已无法满足实际应用中的功能振动试验考核要求。本文建立了大功率液压泵功能随机振动试验控制系统的简化控制模型,并在此基础上设计了H∞控制器,增强了功能振动试验控制系统的抗干扰能力。通过仿真结果表明所设计的H∞控制器控制效果良好。最后,在受试产品的三个轴向上分别进行现场试验对试验控制系统中的干扰等进行H∞控制验证。试验结果表明,该功能振动试验控制系统能有效地降低每个轴向的产品功能加载所带来的的干扰信号,将响应谱控制在目标谱的容差范围内,顺利地完成了功能随机振动试验,系统功能可靠。

T-S模糊系统的自触发有限时间H∞控制

为克服事件触发控制对硬件设备的依赖以及控制策略频繁更新的局限,针对一类不确定Takagi-Sugeno(T-S)模糊系统的有限时间H∞控制问题,引入自触发机制,提出一种基于此机制下只与触发时刻状态有关的模糊控制器设计方法;基于自触发机制并结合有限时间控制的思想,通过设计触发间隔函数、推导并求解线性矩阵不等式(LMI),使得系统在保障稳定性的前提下,系统运动轨迹不会超过一定的界限,并达到所期望H∞性能水平;同时相较于事件触发机制,自触发机制位于系统内部,无需额外硬件设备接收触发信号且只需利用当前的触发状态信息来预测下一触发时刻,在一定程度上进一步降低系统资源成本;此外,利用李亚普诺夫函数对系统稳定性进行了严格分析,并提供一个确保能够防止芝诺现象发生的证明;最后,通过数值仿真、单连杆刚性机器人系统实例仿真两个实验说明所提方法的有效性。

基于切换拓扑的量化时滞网络有限时间H∞控制

为了研究引入量化器的基于切换拓扑的动态时滞网络的有限时间H∞控制问题,通过设计量化控制器和状态依赖切换信号的方法,利用微分包含理论、矩阵理论、稳定性理论,经过严格的推导,得到了基于切换拓扑的具有量化的动态时滞网络在无外界干扰时有限时间稳定,并且在有外界干扰时具有有限L2增益的结论,最后通过一个数值仿真验证定理的有效性。

基于H∞滤波的无刷直流电机状态和参数估计

反电动势是无刷直流电机调速控制中必不可少的参数。针对噪声统计特性未知的情况,建立了在两相定子静止坐标系下的状态空间模型,将电机系统的反电动势、电流、反电动势和电机参数(L和R)作为增广的状态向量,采用扩展H∞滤波算法进行状态估计。构造非线性函数的雅可比矩阵和状态误差的李雅普诺夫函数,设计了表征相邻采样时刻非线性函数的雅可比矩阵之间关系的满秩矩阵,借助随机过程有界定理,给出了该算法的估计误差有界的充分条件。仿真结果表明,无刷直流电机匀速或加速运行时,扩展H∞滤波具备良好的收敛性,估计的反电动势等参数精度高,可实现电机的精准控制。

高指向精度柔性航天器的H∞PID控制设计

针对具有大挠性航天器姿态控制中存在系统柔性结构、外界干扰以及模型不确定性的问题,提出一种基于H∞理论的PID控制方法。根据H∞最优性能指标设计一个具有固定低阶次的鲁棒控制器,保证系统保持鲁棒稳定性和令人满意的性能。以携带大型柔性太阳帆的航天器为例,对航天器的俯仰轴控制系统进行仿真研究,结果表明控制器能有效地抑制柔性结构的振动,并相对于传统的PID控制器和H∞控制器,能更快地满足指向系统的高指向精度要求。

柔性机械臂系统双时标模型的H∞鲁棒控制

为了减小柔性机械臂转动时的振动和调节时间,实现柔性机械臂的精确控制,设计了自适应滑模-H∞鲁棒组合控制器。使用奇异摄动法建立了柔性机械臂系统的双时标模型。对于慢时变子系统,设计了幂次随系统状态自适应调整的趋近律,得到了基于自适应滑模变结构的慢时变子系统控制方法;对于快时变子系统,考虑到模型不确定问题,设计了γ次优H∞鲁棒控制器;将自适应滑模控制器与H∞鲁棒控制器进行组合,得到针对双时标模型的组合控制器。经仿真验证,对于刚性机械臂的阶跃输入,自适应滑模控制器的调节时间和超调量小于传统幂次趋近滑模控制器;对于模型不确定的柔性机械臂系统,组合控制器的振动幅度小、调节时间短、鲁棒性强,验证了H∞鲁棒控制器在柔性机械臂控制中的优越性。

四轮独立驱动EV侧向稳定性H∞鲁棒容错控制

为解决参数不确定性四轮独立驱动电动汽车发生执行器及传感器故障时车辆侧向稳定性控制问题,提出一种H∞鲁棒容错控制方法。运用故障矩阵函数引入车辆连续性故障,建立了考虑执行器及传感器故障的二自由度车辆参数不确定性动力学模型。运用线性矩阵不等式求解方法设计车辆侧向稳定性H∞鲁棒容错控制器,保证车辆动力学系统渐近稳定性及抗干扰能力,实现控制系统H∞鲁棒性能满足给定的干扰衰减指标。搭建CarSim与MATLAB/Simulink联合仿真实验平台,验证控制器的有效性。仿真实验表明,所设计H∞鲁棒容错控制器能有效提升了车辆的侧向稳定性及安全性,对车辆故障具有良好的容错控制能力。

基于H∞回路成形的变循环发动机多变量控制

为了进一步提升变循环发动机的性能,针对3输入3输出变循环发动机模型,利用相对增益矩阵(RGA)分析了发动机内部的耦合性;采用基于目标函数的2自由度H∞回路成形法设计了多变量控制器,并与传统单变量PI方法做了对比。仿真结果表明:多变量控制系统具有良好的扰动抑制能力和跟踪性能,且能够顺利实现模态转换;与单变量方法相比,在同等的穿越频率及相位裕度约束下,n1回路阶跃响应的超调量减小了95.3%、调节时间缩短了51.5%;πe回路的最大偏移量减小了89.69%、调节时间缩短了27.4%。表明多变量方法可以对变循环发动机进行有效控制且在跟踪控制过程中的性能更优,可以显著提升变循环发动机的性能。

ILC-H∞控制下车辆液压减振特性分析

为进一步提高复杂路况下车辆半主动悬架系统的减振性能,提出一种基于迭代学习(Iterative Learning Control,ILC)改进的H∞控制(ILC-H∞Control)策略。首先,提取自适应阻尼减振器(Adaptive Damping System,ADS减振器)的阻尼特性实验数据,利用Sigmoid模型对阻尼参数进行辨识拟合;引入P型迭代学习控制器弥补传统H∞控制中权函数的盲目性,构建期望回路增益,将模型匹配问题转化为迭代学习中期望回路函数的路径跟踪问题,提高悬架阻尼调节的灵活性与自适应性。结果表明:在B级随机路面和冲击路面激励下,与被动悬架和H∞传统控制下的半主动悬架相比,该控制方法的性能提高了近49.04%。

一类不确定时滞系统的非脆弱H∞控制

针对一类具有强结构不确定性的时滞系统,构造了适当的Lyapunov函数,得到了系统内部渐进稳定的判断准则。同时,借助线性矩阵不等式的可行解设计了系统的非脆弱反馈控制器。最后,通过数值示例验证了理论结果的有效性。

DoS攻击下基于事件触发机制的2-D系统弹性H∞滤波分析

针对拒绝服务(DoS)攻击下的二维F-M系统,基于事件触发机制设计了一种满足H∞性能的弹性滤波器。首先,对二维DoS攻击和事件触发机制进行建模,设计了一个弹性滤波器,构造了增广滤波误差系统并给出了预设的性能指标。其次,基于随机分析方法和Lyapunov理论,给出了确保二维增广滤波误差系统鲁棒稳定的充分判据,推广得出增广滤波误差系统具有鲁棒H∞性能。再次,通过求解相关矩阵不等式,给出了弹性滤波器参数的显式表达式。最后,通过仿真实例验证了理论结果的可行性。

电动助力转向系统的鲁棒H∞控制研究

电动助力转向系统(Electric Power Steering,EPS)中,机械摩擦、传感器噪声和路面干扰等不确定因素将降低EPS的助力跟踪性能、转向轻便性和鲁棒稳定性。针对该问题,以电动助力转向的助力跟踪性能、转向路感和车辆操纵稳定性为控制目标,基于电压补偿控制,设计了鲁棒H∞控制器。利用MATLAB/SIMULINK搭建了EPS控制模型、二自由度整车模型、轮胎模型,在单位阶跃操纵力矩作用下,仿真对比了电压补偿控制和基于电压补偿的鲁棒H∞控制的仿真响应情况,结果表明基于电压补偿的鲁棒H∞控制具有更好的助力跟踪性能、转向路感和鲁棒稳定性。

基于扰动观测器的挠性传动系统H∞解耦设计

为具有死区特性的挠性传动系统提出了一种基于扰动观测器的复合控制策略,该方法将系统的跟踪性能、带宽要求、鲁棒性能构成含有多维性能输出的H∞优化矩阵,并选取适当的性能加权函数进而通过一种新的H∞解耦方法来确定控制器参数。仿真结果表明,系统转矩传递性能较好,设计的控制器可使系统具有良好的鲁棒性和较高的稳定裕度,有效解决了弱阻尼挠性模态以及齿隙非线性因素引起的振动加剧问题,且有效的解决系统的振动问题。