基于LPV模型的三轴燃气轮机自适应滑模控制研究

鉴于燃气轮机线性化模型容易在大工况范围丢失实际燃机的动态特性,以及燃气轮机传统的单变量叠加控制在提高控制效率和控制系统鲁棒性上的局限性,本文以高压转子转速为调度变量建立三轴燃气轮机的线性变参数(LPV)模型,从而在建模复杂程度和模型精度上获得较好的平衡。在此基础上,提出了基于摄动矩阵上界估计和外部干扰上界估计的三轴燃气轮机自适应滑模控制。该控制可通过自适应参数实现对系统摄动矩阵干扰和外部干扰的合理估计,从而抑制干扰造成的影响。通过仿真实验分别研究了摄动矩阵干扰和外部干扰下的LPV滑模自适应控制,验证了其较好的动态响应性能和鲁棒性。

切换LPV系统的抗攻击无扰切换控制

本文针对遭受切换冲击和网络数据注入攻击影响的切换线性变参(LPV)系统,给出保护网络信息安全传输的抗攻击机制,提出一种无扰切换控制方法.首先,设计一种新颖的基于编码/解码器的抗攻击机制,可抵御恶意注入攻击信号对系统反馈通信的干扰.基于此,建立切换LPV系统的抗攻击动态输出反馈闭环控制模型.考虑到模式之间的无扰过渡问题,给出与动态输出反馈控制设计互为补充的,满足无扰切换设计需求和H∞性能指标的控制增益可行条件.在本文提出的控制律下,进一步获取了能保证切换LPV系统指数稳定性的充分条件.最后,通过数值仿真验证所提出抗攻击无扰切换控制方法的有效性.

一类不确定性切换LPV系统的输出反馈H_(∞)控制

针对一类含不确定性的切换线性变参数(LPV)系统研究其输出反馈H_(∞)控制问题.首先设计含驻留时间约束的参数与状态依赖的切换律,基于多参数依赖Lyapunov方法,给出闭环系统渐近稳定且满足H_(∞)性能指标的充分条件.然后解决控制器的可解问题,借助线性矩阵不等式给出控制器中未知参数的设计方法.最后通过数值算例验证方法的可行性.

风力发电机组的LPV H_∞控制器设计

针对大型风力发电机组容量增大,控制越来越复杂,特别是对机组动态稳定性要求很高这一特点,提出一种满足动态响应特性的增益调度LPV(linear parameter varying)鲁棒H∞控制器设计新方法,以解决机组的动态稳定性问题.利用LPV的凸分解方法,将风电机组线性化、模型化为具有凸多面体结构的LPV模型,利用LMI方法对凸多面体各顶点分别设计满足H∞性能和动态特性输出的反馈增益,再利用各顶点设计的反馈控制器综合得到具有凸多面体结构的LPV控制器.仿真结果表明,该控制器能有效控制风机传动系统的运行.

基于LPV/H_∞控制的EPS系统及其硬件在环研究

建立了电动助力转向(EPS)系统和二自由度车辆的线性变参数(LPV)模型,设计了LPV/H∞鲁棒控制器,重点考虑了EPS系统本身参数摄动对其性能的影响;基于MATLAB对所采用的控制方法进行了仿真。仿真结果表明,LPV/H∞控制方法比一般的H∞方法具有更好的鲁棒性,可使转向系统的助力性能和路感得到提高,车辆的转向操纵稳定性也得到明显改善;基于LabVIEW PXI系统建立了EPS系统硬件在环试验台,在硬件在环试验台上,采用共轭梯度法实现了LPV/H∞控制方法的硬件在环试验,试验结果同样证明了所采用的控制算法的有效性。

基于重叠参数区域的变体飞行器切换LPV控制

针对变体飞行器参数变化范围大,模型具有不确定性和非线性的问题,以后掠角为调参变量建立变体飞行器线性参数时变系统(LPV)模型.将时变参数范围划分为若干参数区域,利用权值系数和参数重叠区域的概念,通过求解线性矩阵不等式组构造一组LPV控制器.以变形量为决策变量设计切换策略,并针对Firebee纵向通道设计了切换LPV控制器.仿真结果表明,通过参数重叠区域构造的LPV模型之间能够平稳、快速切换,该方法使变体飞行器在变形过程中有较好的迎角抗扰能力.

变质心控制导弹H_∞综合LPV鲁棒自动驾驶仪的设计

线性系统就系统描述的参数变化情况可划分为 LTI、LTV和 LPV 3种类型 ,变质心控制导弹的线性化模型是在特定的简化条件下得到的 ,是一种典型的存在模型不确定性的 LPV系统 ,且导弹工作在较宽的飞行条件下 ,其参数变化范围很大 ;为了使设计的自动驾驶仪具有足够的稳定裕度和能够适应较大参数变化范围的能力 ,文中利用凸多面体理论 ,基于自调整 LPV综合 H∞ 鲁棒控制器的设计方法 ,针对变质心控制导弹的自动驾驶仪 ,在系统满足控制器的存在性定理的条件下 ,给出了设计方法 ,这种设计方法简单、在线计算量小 ,通过仿真结果验证了变质心矩自动驾驶仪能够完全满足鲁棒性和全域操作的设计要求。

基于LPV方法的Stewart平台关节空间分散控制

为了提高Stewart平台关节空间分散控制系统的性能,提出一种基于线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)方法的控制策略.首先建立了平台关节空间动力学模型;通过分析平台惯性矩阵,指出单支路子系统等效负载变化以及子系统间的耦合干扰是分散控制需要处理的主要问题.然后将平台惯性矩阵分解为一个对角阵与一个耦合阵之和,子系统间耦合作用视为对单支路的干扰,从而得到每个子系统的动力学方程.最后针对子系统等效负载随着上平台运动而在较大范围内变化的特点,引入LPV控制方法,使控制器参数能够适应子系统负载变化,减少了保守性.仿真结果表明了所提方法的有效性.

变体飞行器有限时间收敛LPV鲁棒控制

以一类翼展可变的飞行器模型为对象,研究了一种针对参数不确定的线性变参数(linear parameter varying,LPV)系统的滑模变结构鲁棒控制问题。首先,通过Jacobian线性化和模型张量积转化将变体过程中的非线性模型最终简化为多胞体LPV系统。然后将鲁棒滑模控制技术拓展到此LPV模型中,给出了以线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)为形式的降阶滑动模态的存在性及鲁棒稳定性定理,以此为基础所设计的参数依赖的趋近律控制器能够使具有不匹配不确定性的LPV系统在有限时间内收敛至滑模切换面。仿真结果表明,上述滑模控制器在模型存在不确定性的情况下能够保证变体过程的全局稳定性。

基于LPV的变增益控制技术及其在航空航天领域的应用

基于LPV系统的变增益控制克服了传统变增益控制的缺点,不仅减少了繁杂的前期工作,而且也使得系统的稳定性和性能分析在理论上变得简单易用。文章分析了基于LPV系统变增益控制的发展过程,给出了基于LPV变增益控制器的综合方法,总结了近年来航空航天领域应用该项技术的成果,并根据LPV变增益控制的发展趋势,提出了基于LPV变增益控制需要解决的四个问题,即非线性系统的LPV系统的建模、基于Lyapunov函数的线性矩阵不等式计算量、变参数变化速率和调度策略,同时提出了简单的解决思路。

变翼展飞行器平滑切换LPV鲁棒H_∞控制

研究了一类翼展可变飞行器平滑切换线性变参数(LPV)H_∞控制问题。选取翼展变形率为时变参数,并将时变参数取值区间划分成具有局部重叠特性的子区间,得到变体飞行器的切换LPV模型。设计平滑切换控制器,其中重叠子区间控制器由相邻子区间控制器插值得到。给出了保证切换LPV系统指数稳定且具有一定H_∞扰动抑制水平的充分条件,考虑时变参数的渐变特性,得到没有最小平均驻留时间限制的切换律,降低了设计保守性。仿真结果表明,所提方法既能保证飞行器系统在变形过程中的稳定性和鲁棒性,又能实现系统的平滑切换。

基于LPV模型的风能转换系统增益调度控制

在额定风速以下,风能转换系统需要通过控制发电机转速使风能的捕获率最大。根据风速的多时间尺度特性,建立风能转换系统的非线性机理模型,进一步得到其归一化误差的线性参数变化(LPV)系统模型;为获取最大风能捕获和减少机械振荡,在PI控制策略的基础上,利用基于LPV模型的增益调度控制器进行动态补偿。仿真结果表明:补偿后系统的功率系数和叶尖速比追踪其最优值的精度更高,鲁棒性更好,体现了更好的动态性能。

基于风电机组LPV模型参考自适应独立变桨控制

为了减少大型风电机组多输入、多输出的非线性耦合影响和独立变桨带来的附加控制载荷,根据线性参数变化理论(LPV)对风电机组风能转换系统进行局部线性化,建立统一化的风电机组独立变桨线性参数变化LPV模型.利用模型参考自适应控制理论(MRAC),以线性化后的LPV控制系统为被控对象建立参考模型,设计出高性能的独立变桨距自适应控制系统.采取波波夫(Popov)超稳定性分析法给出风电机组LPV模型参考自适应控制律,并对所设计的LPV模型参考自适应独立变桨距系统进行计算机仿真实验.实验结果表明,所设计的基于LPV模型参考自适应系统能够适应机组参数在较大范围内的变化,能够实现风电机组独立变桨系统的整机控制,具有良好的稳定性和快速性.

基于离线状态观测器的LPV系统预测控制

针对多包描述的约束LPV系统,当系统状态不可观测时,给出一种离线状态观测器的设计方法,通过证明由观测器误差构成的自治系统是鲁棒稳定的,保证了观测器输出将最终收敛于系统状态真实值。基于状态观测器,对于系统的观测状态引入参数Lyapunov函数,通过求解无穷时域min-max优化问题给出鲁棒输出反馈预测控制律,并证明了算法的可行性和系统的闭环稳定性。与传统观测器设计方法相比,离线状态观测器设计方法有效的降低了在线计算量,同时采用参数Lyapunov函数的设计算法,在满足系统约束的情况下及稳定性的条件下减少了设计的保守性,并对不确定参数有更好的鲁棒性。仿真结果验证了算法的有效性。

基于区域极点配置的航空发动机LPV鲁棒控制器设计

针对航空发动机飞行包线内复杂热力循环参数引出的多变量鲁棒增益调度控制下的参考指令动态跟踪问题,提出了一种基于区域极点配置的多变量LPV鲁棒变增益控制方法。利用雅克比线性化方法建立发动机多项式LPV模型,用于描述发动机在一定条件下的动态性能。然后根据上述模型,基于线性矩阵不等式的区域极点配置方法,提出具有H∞鲁棒性能的LPV输出反馈控制器设计方法。通过将闭环系统的极点配置在所期望的位置,以满足控制系统的动态性能。采用网格法将依赖于调度参数的Lyapunov函数转化为常值Lyapunov函数并理论上保证系统稳定性。以某型涡扇发动机为研究对象进行仿真验证,仿真结果表明:与未加入区域极点配置的LPV控制器相比,基于极点配置的设计方法使控制系统具有更好的动态响应特性。同时,该方法实现了对控制指令的精确跟踪,系统阶跃响应的调节时间不超过1.6 s,超调不大于1%,对控制期望的稳态跟踪误差在0.1%以内,符合发动机控制系统技术要求。

挖掘机动臂的LPV变增益H_∞控制器设计

以挖掘机动臂系统为研究对象,提出一种基于线性变参数(LPV)的H∞变增益控制算法。首先,通过脉冲响应技术得到各工作点的简化数学模型,建立了基于神经网络辨识模型变参数的全域LPV模型,然后利用凸分解技术得到模型的顶点表示,采用线性矩阵不等式(LMI)方法,对各个顶点分别设计满足H∞性能和动态特性的状态反馈控制器,综合顶点控制器得到全局的变增益控制器。仿真结果表明,与PID控制器相比,该控制器在挖掘机全域工作范围内具有很好的控制性能。

基于LPV增益调度技术的4WID电动汽车容错控制

针对四轮独立驱动电动汽车驱动电机故障,提出了一种基于线性变参数(LPV)增益调度技术的容错控制方法,从而降低执行器故障对车辆运行的影响。首先将执行器左右两侧故障因子作为调度参数,基于LPV凸分解方法,将故障状况下的车辆模型转化为具有凸多面体结构的LPV模型,并利用线性矩阵不等式技术对凸多面体各个顶点分别设计满足H∞性能和闭环极点配置的控制器;然后利用各顶点设计的反馈控制器综合得到最终LPV容错控制器;最终采用Car Sim与MATLAB/Simulink联合仿真的方式,验证了该方法的有效性。结果表明:LPV增益调度技术可以成功地应用于四轮独立驱动电动汽车的容错控制,在存在故障的情况下,仍能保持系统的稳定性和良好的动态性能。

基于LPV模型的麦弗逊式主动悬架控制器设计

根据麦弗逊式主动悬架的二维结构,应用含耗散能的拉格朗日公式建立其动力学方程,在平衡位置对运动方程进行线性化,并整理成状态方程形式。针对簧载质量的不确定性,建立了麦弗逊式主动悬架的LPV模型,运用LMI技术并采用区域极点配置法设计了状态反馈鲁棒H∞控制器,并在Matlab/Simulink中进行仿真。研究结果表明:麦弗逊式主动悬架采用极点配置状态反馈鲁棒H∞控制器可以明显改善行驶平顺性和悬架稳定性,其性能明显优于同参数的被动麦弗逊式悬架。

直升机切换LPV鲁棒跟踪控制

针对直升机跟踪控制问题,提出了一种基于模态依赖平均驻留时间(Mode-dependent average dwell time,MDADT)切换信号的线性变参数(Linear variable parameter,LPV)控制方法。在直升机全飞行包线内选取可以表征直升机飞行特性的状态作为增益调度变量,利用"小扰动"假设将全量方程进行线性化处理并对其配平求解,将复杂的非线性模型转化为可以计算求解的线性模型。采用雅可比线性化方法在非线性模型平衡点处进行线性化处理,使用数据拟合的方法在理论上建立与非线性模型动态接近的LPV模型。对时变参数进行区间划分,结合参数依赖的多Lyapunov函数和MDADT方法,给出了保证切换LPV系统全局一致指数稳定的充分条件。考虑时变参数的渐变特性,以及由于测量误差和参数飘移等因素而造成的控制器增益变化,得到了在MDADT切换信号限制下的切换律。仿真结果表明所设计的控制律能有效动态跟踪直升机前飞的不同状态量,验证了所建模型和控制算法的有效性和可行性。

一类非线性矩阵二阶系统的反馈LPV化控制

针对一类非线性矩阵二阶系统提出了反馈LPV(linear parameter-varying)控制方法.当满足一定条件时,通过引入给定形式的非线性状态反馈将该类非线性系统化为polytopic LPV系统,进而可以采用LPV控制方法进行控制律设计.以hub-beam系统的SFOAC模型为例,通过非线性状态反馈将该模型转化为polytopic LPV系统,然后针对该系统设计线性状态反馈控制律实现区域极点配置,并把该控制律参数的求解转化为LMI约束下的凸优化问题.最后,数值算例验证了该方法的有效性.