基于ARM的电阻炉炉温控制系统设计

在科学技术突飞猛进发展的背景下,现代工业生产中的电压、电流、开关量等都是重要的被控参数,在冶金制造业中,温度是器件生产过程中非常重要的物理参数,需要对各种加热炉的温度进行严格控制,对其温度变化进行实时监测,确保炉内温度满足制造器件的需求。电阻炉在金属热处理中具有较为广泛的应用,是进行金属锻压加热、烧结的重要工业设备。电阻炉温度控制多采用自动化控制系统,实现智能化管理,保证炉温的均匀度以及零件温度的均匀性,提高生产的可靠性和稳定性。从电阻炉温度控制的难点入手分析,结合电阻炉温度控制系统的设计原则,提出一种基于ARM处理器的电阻炉炉温控制系统设计方案,能够提高电阻炉温度控制的精度,保证工业生产的稳定性。

基于比例重复控制的MMC-SST子模块电容纹波电压抑制策略

基于模块化多电平变换器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)是实现交直流混合配电网柔性互联及能量多向流动的关键装备。针对固态变压器输入级MMC子模块电容纹波电压过大,导致装置的体积和成本增加的问题,提出一种基于比例重复控制的MMC-SST改进纹波电压抑制策略。首先利用基于比例重复控制的电容电压闭环得到调整后的功率移相角。然后,通过双有源桥变换器将子模块电容纹波功率传递到低压直流母线,从而有效抑制MMC子模块的各频次纹波电压,达到减小电容值的目的。最后,仿真结果表明在网侧电压对称或不对称工况下,基于比例重复控制的MMC-SST子模块电容纹波电压抑制策略均具有良好的纹波电压抑制能力。

采摘机器人机械臂运动控制与目标抓取研究——基于嵌入式和机器视觉技术

首先,从整体方案、视觉定位系统和运动控制系统完成了对采摘机器人机械臂控制系统的设计;然后,基于图像处理技术设计了目标物体识别与抓取策略;最后,基于RRT算法研究了对采摘机器臂运动轨迹的控制方法,实现了对采摘机器人机械臂运动控制与目标抓取系统。采摘试验结果表明:系统对苹果的识别和定位准确度比较高,采摘成功率达到了100%,对采摘机器人自主采摘的实现具有一定的现实意义。

基于ARM架构柔性直流控制保护系统的低链路延时优化设计

基于进阶精简指令集机器(ARM)架构多核处理器芯片设计了柔性直流控制保护系统新一代平台,提出适用于柔性直流输电的4层控制系统通用架构,给出新平台控制保护主机配置方案及功能配置原则。建立换流器高频阻抗简化模型,推导得到负阻尼频率与控制链路延时的数学关系。分析柔性直流控制系统的链路延时构成,提出一种链路复用的在线延时测试方法;基于多核架构与高速接口,研究控制系统的低延时优化方案。最后,在基于实际工程参数的实时仿真系统中,对ARM架构新平台开展了功能和性能测试,并验证了低延时优化方案的有效性。

基于多FBG组合传感的机械臂外部干扰应力监测系统

为了解决机械臂工作过程中外部应力干扰导致装配位置偏差的问题,设计了一种基于多光纤光栅传感器组合传感的监测系统。根据机械臂运动角度范围,仿真分析了在两个特征位置上不同方向外加应力后外机械臂与内机械臂的应力场分布特征。依据应力场分布特性,设计了多FBG的传感阵列,并计算了不同FBG响应与外部干扰应力的对应关系。实验采用16个FBG对FS-MP1C型小型机械的抓取过程进行在线监测,随机外部干扰应力设置为2~20 N。16个FBG的响应线性度均在0.99以上,正向和负向波长响应最大值分别为1354 pm和-984 pm。在100次分层干扰测试中,X与Y轴向干扰应力检出率优于80.0%,Z轴向干扰应力检出率优于97.5%。系统平均误检率低于4.0%。可见,本设计可以在线完成外部干扰应力的实时监测,具有一定的实用价值。

电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略

交流电网不对称故障工况下模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)存在相功率不均衡的问题,常规的基于直流环流注入的调控方法会引起桥臂电流不对称,导致各相电流应力不相等;而基于零序电压注入的方法可能导致系统过调制,危害系统安全稳定运行。针对传统相功率均衡控制策略的局限性,提出一种交流电网不对称故障下MMC自适应相功率均衡控制策略。首先,分析基于零序电压和直流环流注入的MMC相间功率调控原理,指出不同方法单独进行相间功率均衡的局限性。其次,研究零序电压注入方法的过调制边界,引入相功率分配系数,给出不同故障下相功率系数优化方法,提出基于零序电压和直流环流注入协调的MMC自适应相功率均衡控制策略。最后,通过仿真验证了机理分析与所提控制策略的正确性和有效性。

基于改进粒子群算法的机械手抓取力自整定模糊PID控制

为提高欠驱动机械手在易碎零件分拣过程中的稳定性,通过改进粒子群算法,给出一种优化其抓取性能的模糊PID控制算法。首先,分析欠驱动机械手抓取力控制系统的特性,提出粒子群算法与模糊PID抓取力控制系统相结合的具体策略。其次,将动态惯性权重等方法引入粒子群算法中,以提高其迭代速度并防止其陷入局部最优。在此基础上,利用改进后的粒子群算法优化模糊PID控制器的相关参数,实现了对模糊规则权重及量化因子的在线自整定,解决了PID参数无法动态调整的问题。最后,对其进行仿真分析。结果表明:该控制算法可以在0.8 s内达到稳定抓取力,稳态误差小于0.2%,扰动整定时间为0.262 s,系统的瞬态响应速度、控制精度以及稳定性均有明显提高。

空间威慑到空间威胁:防止外空军备竞赛的规则解释与中国因应

目前,外空军控规则的走向出现了明显分歧。一些国家提出所谓的“空间威胁”概念,意图推进“负责任外空行为准则”。威慑与威胁密切相关,没有威胁就没有威慑。当代国际法承认有限度威慑的合法性,也就意味着承认部分威胁的合法性。《联合国宪章》中的威胁主要是指“武力威胁”,如果适用于外空领域,必须对空间威胁的所有可能要素加以分析,包括主观(意图)、实施主体(是否可归结为国家)、行为表现(可衡量、可归因、可证明)、损害后果、因果关系等,换言之,需达到一定的门槛——必须具备诉诸武力的极大可能性。一些国家列举的所谓“空间威胁”具有选择性和针对性,存在着覆盖不全和依赖主观判断的缺陷,依照现有国际法进行解释,这些所谓的“空间威胁”不能被确认为国际不法行为。当代国际外空军控规则是大国奉行威慑战略下彼此达成妥协的结果,如果无视这一历史趋势,强行推进有利于某些国家保持太空军事优势的规则,必然会破坏战略稳定与平衡,最终严重损害国际社会防止外空军备竞赛(PAROS)的集体努力。

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。

串联工业机器人的自适应稳态增益调整技术

由于时滞控制具有模型无关性、简单性和鲁棒性等优点,在工业机器人控制中得到了广泛的应用。然而,过高的增益会导致系统响应不稳定或振荡。为了解决这一问题,提出了一种用于串联机械臂时滞控制的自适应增益调整算法。首先,通过机器人机械臂时滞控制原理分析表明了恒定增益存在的缺陷。然后,采用滑动变量和边界条件为时滞控制设计了一种自适应增益调整算法,能够在无需大量的调整参数的条件下,自动将增益调整到满足时滞控制稳定性条件的稳定值。仿真和实验结果验证了所提自适应增益调整算法的有效性。研究结果表明,与传统的时滞控制(大增益)相比,所提算法将机械手跟踪的均方根误差和最大误差分别减小了31.2%和61.4%,并且即使在初始值不稳定的情况下,仍可以提供稳定的增益,控制性能显著提高。

室内环境目标感知与语音协同控制

针对大型疾病患者术后恢复急需创新辅助技术,改善生活质量这一问题,提出了一种室内环境目标感知与语音协同控制方法,采用视觉感知技术和机械臂轨迹控制算法识别并抓取日用品。系统采用RGB-D深度相机结合添加了Ghost轻量化模块和RFA卷积模块的改进YOLOv5算法,以实现对目标物体位姿信息的精确识别;利用集成了Inception模块和SE模块的改进GGCNN网络得到抓取目标物体的位置角度;通过ROS操作系统中的Moveit进行运动学解算和运动规划。通过抓取实物实验验证了所提出的改进识别算法,识别率达到90%。此外,语音抓取目标物体成功次数超过80%,系统能够高效地完成如抓取物品和倒水等基本动作,表现出良好的性能和实用性。

基于OpenCV视觉引导的多自由度机械臂的研究与应用

主要通过硬件系统和软件系统的设计对多自由度机械手臂进行了深入研究。采用STM32系列单片机作为机械手臂的主控单元,对载有弯曲传感器的虚拟现实设备进行运动姿态数据采集、无线发送与接收,实现对机械手臂末端控制器的远程实时控制。同时,利用OpenCV视觉引导技术对采集的目标物体图像进行识别与处理,系统能够准确定位和识别图像的空间坐标,通过PID控制算法使机械手臂能按照指定位置和预定速度正确识别和抓取目标物体。

基于DCS-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统研究

为了有效调控机械臂运动幅度,避免柔性机械臂实际运动轨迹与目标轨迹发生较大的偏差,设计一种基于分散控制系统(DCS)-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统,它是一个集合了计算机、通信、显示和控制的计算机系统,该系统由过程控制和过程监控。通过DCS算法控制监测对象行为幅度并计算柔性机械臂惯性权重,利用DCS-惯性权重组合求解素数控制指标的具体数值,实现了对柔性机械臂运动轨迹控制系统的软件设计。实验结果表明,DCS-惯性权重组合算法作用下的机械臂末端坐标在横轴、纵轴、空间轴方向上的运动幅值均可以被控制在10个单位长度之内,并且在0.52 s内进入机械臂运动轨迹最佳控制状态,运动轨迹差值最大仅为0.01 rad,验证了该系统具备可行性和有效性。

面向动臂势能再生的主动式储能元件控制策略

主动式储能元件是一种针对现有液压蓄能器不足而提出的新型气-电混合型储能元件,但其存在着液压能、压缩气体能和电能间的能量耦合问题,导致其工作时抗干扰能力较差,降低了工作液压系统的节能效率。为了解决其存在抗干扰能力差的问题,针对液压挖掘机动臂液压回路的工作特点,提出了利用主动式储能元件实现动臂势能再生的系统架构,并设计了一种自抗扰控制策略及其参数优化方法,通过设计扩张状态观测器来解决干扰和参数不确定性等问题。为验证控制策略的可行性,首先介绍了主动式储能元件的结构;其次,设计了以主动式储能元件为控制对象的自抗扰控制器。建立了基于主动式储能元件的动臂势能再生系统仿真模型,并进行了试验验证。研究结果表明,蓄能器模式、普通控制模式及自抗扰控制模式的回收效率分别为42.81%、56.76%和58.60%;再利用效率分别为96.01%、97.06%和95.81%;再生效率分别为41.1%、55.1%和56.1%。仿真试验验证结果也表明,以主动式储能元件为对象提出的自抗扰控制策略有效地改善了控制性能,增强了系统压力稳定性。

双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究

双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该问题,设计了一种基于机器人相对动力学模型的力位混合控制系统。建立双悬臂截割机器人运动学和动力学模型,基于机器人的相对雅可比矩阵及虚位移与虚功原理推导出机器人的相对动力学模型,通过单一变量同时描述机器人双臂的运动状态,将机器人双臂独立的动力学模型整合为一个整体。基于机器人的相对动力学模型,设计了机器人双臂力位混合控制系统,通过李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性和可行性。仿真结果表明:双悬臂截割工艺较单悬臂截割拥有更大的工作空间,具有一次性实现大断面截割的能力;双悬臂截割机器人力位混合控制系统能够完成对期望相对位置和期望相对力的同步跟踪,对截割头期望位置跟踪的绝对误差在0.3132 m以内,均方根误差为0.1447 m。

基于对偶四元数的多体系统动力学建模和控制

空间机械臂的在轨作业是当前空间在轨服务中应用最为广泛的技术之一,然而,机械臂在操作过程中漂浮基座与臂体之间的位姿耦合效应极为显著,这给控制系统设计带来了新挑战.针对多刚体系统的位姿一体化建模与控制问题,文章改进了基于对偶四元数的位姿一体化建模和控制方法,使之可以应用于多刚体系统.该方法不仅能够精确描述复杂的力学关系,还能够在统一的数学框架中有效地处理位姿耦合问题,这为后续设计姿轨一体化的控制系统提供了极大的便利.首先,基于铰链模型建立了对偶四元数形式的铰链和臂体之间的速度和加速度递推关系,然后,利用铰链和臂体间力-力矩传递关系建立了递推形式的逆向动力学方程,为了便于控制系统设计与分析,随后推导建立了矩阵形式的位姿一体化的正向动力学方程.然后针对推进器和控制力矩陀螺讨论了具体的执行机构的动力学建模问题,并分别讨论了机械臂和漂浮基座的位姿一体化控制问题.最后,对一个6自由度机械臂和漂浮基座的组合体进行了动力学建模和控制仿真,动力学仿真的结果证明了所提动力学建模方法的正确性,控制仿真表明控制系统能较快地抵消机械臂运动对基座产生的干扰力和干扰力矩,证明了所提控制方法的有效性和可行性.

柔性关节航空航天机械臂抗干扰控制研究

航空航天机械臂具有柔性且对精度要求高,为抑制空间环境力矩和内部参数变化等干扰,提出了一种基于干扰观测器的航空航天机械臂反步控制策略。首先,建立柔性关节航空航天机械臂受干扰时的单关节数学模型,基于数学模型设计柔性关节航空航天机械臂的非线性干扰观测器,保证其能稳定估计干扰信号;然后,基于Lyapunov函数设计反步控制器,将干扰观测器估计到的干扰估计值补偿到反步控制器端,产生抑制实际干扰的控制量;最后,利用MATLAB/simulink搭建虚拟仿真进行验证。仿真结果表明,基于干扰观测器的柔性关节航空航天机械臂反步控制器能够有效抑制干扰,极大地改善了柔性关节航空航天机械臂的抗干扰性能。

基于视觉反馈的柔性充气仿生臂控制系统设计

设计了一种基于视觉反馈的柔性仿生臂控制系统,通过将其等效为刚体的建模方法对所设计的柔性仿生臂进行了理论分析。利用手动操纵杆实现了对柔性仿生臂的手动操控。在柔性仿生臂头端安装有摄像头,可以通过卷积神经网络目标检测和识别算法识别目标物体,其获得的位置信息可用于闭环控制。通过视觉反馈实现了对目标的搜索和锁定。相较于传统的刚性机械臂,本研究具有安全性高和体积小的优点。同时,计算机仿真和实验均验证了该设计的合理性与有效性。

新型多频率三端口模块化多电平换流器拓扑及其控制策略

未来电网中将会存在的工频、直流与低频等多种频率,而传统换流器仅能实现交-交、交-直两种频率电气量间的能量交换。为此,提出一种新的多频率三端口模块化多电平换流器(multi-frequency triple-port modular multilevel converter,MFTP-MMC)拓扑,该拓扑结构简单对称,能够直接实现工频-低频-直流的功率变换和频率控制,不存在无功约束问题,可以输出2倍直流电压,具有直流故障自清除功能。针对MFTP-MMC拓扑建立其dq坐标下的动态数学模型,实现了系统2种交流频率分量同直流分量的解耦,在此基础上给出相应的控制策略,包括内环电流控制、环流控制、子模块均压控制以及外环功率控制,其物理概念清晰、控制性能良好。进一步,给出了桥臂无功分配系数的优化方法。同时针对其拓扑提出直流侧故障时闭锁以及故障后软起动策略。MATLAB/Simulink平台下的一系列仿真结果验证了所提MFTP-MMC拓扑和数学模型的正确性及其控制策略的有效性。

基于FPGA和机器视觉的多元特征模式水果分拣系统

水果自动分拣系统可以解放重复性人力劳动,提高工作效率,消除主观因素,提高工作科学化客观化。然而,目前水果分拣系统成本较高,尚无法大规模应用。因此,在FPGA平台上设计了基于多元特征机器视觉的低成本边缘式水果分拣系统。根据多元特征识别模式ZWM,定义了多元特征向量集和识别模式向量集等概念,进而建立了水果多元特征识别体系,可实现水果分类和水果分级识别。之后,通过将识别参数转化为舵机控制信息,机械臂可将识别出的水果搬运到指定位置,达到自动智能分拣效果。进而该系统可结合云端平台,通过手机实现分拣的远程控制。所提出的基于多元特征的低成本水果分拣系统,能够实现完成物品分类和分级融合分拣,可推动水果智能分拣系统的发展。