Adaptive Fuzzy Backstepping Output Feedback Control of Nonlinear Time-delay Systems with Unknown High-frequency Gain Sign

In this paper, an adaptive fuzzy robust feedback control approach is proposed for a class of single-input and singleoutput （SISO） strict-feedback nonlinear systems with unknown nonlinear functions, time delays, unknown high-frequency gain sign, and without the measurements of the states. In the backstepping recursive design, fuzzy logic systems are employed to approximate the unknown smooth nonlinear functions, K-filters is designed to estimate the unmeasured states, and Nussbaum gain functions are introduced to solve the problem of unknown sign of high-frequency gain. By combining adaptive fuzzy control theory and adaptive backstepping design, a stable adaptive fuzzy output feedback control scheme is developed. It has been proven that the proposed adaptive fuzzy robust control approach can guarantee that all the signals of the closed-loop system are uniformly ultimately bounded and the tracking error can converge to a small neighborhood of the origin by appropriately choosing design parameters. Simulation results have shown the effectiveness of the proposed method.

Mueller matrix analysis for all optical fiber co-existence of birefringence-polarization dependent gain-mode coupling at a single wavelength

Birefringence （polarization-related phase-shift）, polarization dependent gain （PDG） and mode coupling are three factors that may synchronously influence the transmission of single-wavelength polarized light in optical fibers. This paper obtains a new Mueller matrix analysis, which can be used under conditions that all these three factors are existing and changing. According to our transmission model, the state of polarization （SOP） changes along an optical mierostructure fiber with co-existence of birefringence-PDG-mode coupling were simulated. The simulated results, which show the phenomena of SOP constringency, are in good agreement with previous theoretical analyses.

Development of a High-frequency Ultrasound System for High-speed Image Scanning

High-frequency image technique has been widely applied in medical diagnosis recently. For high voltage protection, high speed stage and trigger control circuitry are difficult to implement a high-frequency ultrasound imaging system. In this study, we utilized a linear servo with high noise tolerance and a novel multi-depth expression method to overcome those issues in developed high-speed image system. B-mode image of the chicken phantom by 25 MHz transducer shows the resolution of lateral and axial resolutions are up to 123 μm and 59 μm respectively. In addition, the experiment demonstrates that the axial resolution and depth of field (DOF) can be improved by time gain compensation(TGC) and multi-depth method. The results indicate that the proposed system could achieve over 24 fps for 1 mm scan distance and 100 lines per frame. In the future, the developed system is potential for other clinical applications such as ophthalmology and dermatology.

一种含扰动非线性离散系统的故障观测器设计方法

针对一类含扰动、传感器故障和执行器故障的非线性离散系统,提出了一种新型的故障观测器设计方法,该方法既考虑到了故障的类型,又考虑到了故障估计误差的收敛速度,故障估计方法适用性更强。首先,构造出含系统状态和传感器故障的增广向量,得到一个等价的广义系统;其次,考虑到系统中的执行器故障及故障估计的速度,构建同时含系统状态、执行器故障和传感器故障的故障观测器,并给出故障观测器存在的充分条件;最后,通过某飞机的纵向运动系统等非线性离散系统模型,对增广状态向量进行鲁棒估计,故障估计结果验证了该方法的优越性。

一种含扰动离散非线性系统状态观测器的设计方法

针对一类含扰动的非线性离散系统,讨论了系统状态观测器的设计问题,给出了一种离散系统状态观测器的设计方法,并将该方法应用到奇异系统观测器设计中。首先,根据李雅普诺夫稳定性理论,得到离散系统在不含外部扰动下观测器增益矩阵存在的充分条件;其次,考虑到离散系统的扰动项,针对系统中的外部扰动在李雅普诺夫函数设计中纳入性能指标,得到含扰动情况下离散系统观测器增益矩阵存在的充分条件,该方法可以通过设置性能指标减弱扰动对系统状态估计的影响,同时也有利于增益矩阵的设计与求解;最后,将非线性离散系统观测器的设计方法推广到奇异系统中,从而使该方法更具一般性。利用三个数值算例对所提方法进行了检验,仿真结果表明了文中所提方法的可行性与有效性。

基于矩阵轮廓的时间序列Shapelet发现算法

当前时间序列Shapelet发现算法普遍采用穷举法,需要计算所有时间序列子序列的信息增益,效率较低。针对此问题,提出一种基于矩阵轮廓的Shapelet发现算法。选出最具代表性的时间序列对,计算其轮廓矩阵和差异向量,找到一簇关键区域;对找到的关键区域进行剪枝;在关键区域上搜索Shapelet并计算其信息增益,提升算法效率。在15个UCR数据集上,通过时间序列二分类实验对所提Shapelet发现算法进行验证。实验结果表明,所提算法结合Shapelet转换后具有较强分类能力,计算效率明显优于现有Shapelet发现算法。

具有时变柔性负载的电液力控制系统中Gain-Scheduled H_∞控制器的研究

针对具有时变柔性负载的电液力控制系统设计了 Ｇａｉｎ－ Ｓｈｅｄｕｌｅｄ Ｈ_∞控制器。 Ｇａｉｎ－ Ｓｈｃｈｅｄｕｌｅｄ Ｈ_∞控制适用于状态空间矩阵是时变参数的线性函数的慢时变系统。其控制器的形式可根据时变参数的变化实时地进行调节，以满足不同时刻系统的性能要求。将该方法应用到了液压式全自动地震波输入振动三轴装置中（以下简称动三轴）。仿真结果表明Ｇａｉｎ一Ｓｃｈｅｄｕｌｅｄ Ｈ_∞控制方法对改善负载参数变化较大的动三轴的性能是非常有效的。

基于自适应机器学习的视觉机械臂控制方法

针对多输入多输出视觉机械臂系统中控制增益矩阵存在不确定性的问题,提出了一种基于自适应机器学习的控制方法。通过放宽对系统控制增益矩阵已知性的要求,设计了复合能量函数来证明系统的收敛性。通过模拟机械臂系统运动并使用未标定摄像机进行验证,证明了自适应迭代学习方法的有效性。

基于ND-GAIN的河南省抗灾能力评价研究

为合理评价河南省各地区(以市为单位)抗灾能力水平,提高河南省抗灾能力,打造“韧性城乡”。基于圣母大学全球适应性指数(ND-GAIN)评价模型,结合河南省独特的地形地貌、环境气候、社会人文等本土情况对模型进行了适当优化,构建了符合河南省省情的抗灾能力评价指标体系,对2017年河南省各地区抗灾能力水平进行了评价,并运用GIS技术对河南省各地区抗灾能力影响因子进行空间区划,从暴露度、敏感性、适应能力、经济水平、管理制度和社会文化6个角度进行分析,提示河南省各地区在抗灾能力建设方面存在的薄弱环节。结果表明:河南省抗灾能力水平整体偏低,且呈现北强南弱的特征,各地区脆弱性指数差异较小;河南省各地区抗灾能力水平不均衡,抗灾能力较好的地区是洛阳市、三门峡市和郑州市,抗灾能力较差的地区是商丘市和开封市;导致河南省各地区抗灾能力水平存在明显差异化的原因主要在于准备程度指数(社会文化、经济水平、管理制度)差异较大。

主动悬架的Gain-Scheduling H_∞控制

当汽车悬架的某些参数在较大的范围内变化时,仅通过一个鲁棒控制器有时难以获得令人满意的性能。为此,基于LM I(L inearM atrix Inequalities)优化方法,根据参数变化范围设计多个H∞控制器,并根据实时测得的参数通过内插进行平滑切换,以协调相互冲突的诸性能要求,获得汽车系统的最佳总体性能和在多变的不确定的环境中行驶的鲁棒性。仿真结果表明,该方法能够获得满意的控制性能。

具有H_(2)增益约束的连续时变线性随机系统的有限时间有界性

针对一类具有能量有界外部干扰的连续时变线性随机系统,研究了在H_(2)增益约束下闭环系统的有限时间有界性。首先,给出系统有限时间有界和H_(2)增益的定义。然后,设计状态反馈控制器,使得闭环系统既满足H_(2)增益性能约束又满足有限时间有界。通过求解时变线性矩阵不等式,得到控制器增益函数。最后,给出两个数值算例说明所设计方法的有效性。

感应电机全阶磁链观测器反馈矩阵增益研究

基于自适应全阶磁链观测器的感应电机无编码器矢量控制技术在工业电气传动领域获得广泛应用,其反馈矩阵增益对于提高感应电机控制性能至关重要。根据速度估算系统的稳定性条件推导出反馈增益设计要求,获得特定的反馈增益以保证系统的完全稳定性。在DSP控制平台上通过欧拉法对全阶磁链观测器进行离散化,利用7.5 kW的感应电机对拖机组对推导的反馈增益有效性进行了实验验证。结果表明,该速度估算系统能保证电机在全调速范围内稳定运行。

基于并发模型的LAC在线故障检测

针对线性模拟电路的在线故障检测进行了研究。首先,通过对并发测试问题的分析及建模要求,从线性模拟电路的网表描述得到可用于残差生成的扩展状态空间模型,这种扩展的状态空间模型定义了电路的变量/方程依赖矩阵即因果依赖矩阵,进而从因果依赖矩阵可得到电路系统的标称模型和未知输入及故障模型。然后,基于无差拍观测器方法采用扩展的状态模型来生成最优故障检测器的电路方程,从而实现故障的在线残差检测。仿真实验结果表明,与传统的线性模拟电路的离线和在线故障检测方法相比,所提出的方案具有更好的故障检测能力,适用于任何线性模拟电路。

Polytopic LPV modeling and gain-scheduled switching control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle

A novel gain-scheduled switching control method for the longitudinal motion of a flexible air-breathing hypersonic vehicle （FAHV） is proposed. Firstly, velocity and altitude are selected as scheduling variables, a polytopic linear parameter varying （LPV） model is developed to represent the complex nonlinear longitudinal dynamics of the FAHV. Secondly, based on the obtained polytopic LPV model, the flight envelope is divided into four smaller subregions, and four gain-scheduled controllers are designed for these parameter subregions. Then, by the defined switching characteristic function, these gain-scheduled controllers are switched in order to guarantee the closed-loop FAHV system to be asymptotically stable and satisfy a given tracking error performance criterion. The condition of gain-scheduled switching controller synthesis is given in terms of linear matrix inequalities （LMIs） which can be easily solved by using standard software packages. Finally, simulation results show the effectiveness of the presented method.

A Switching Method for a Model Reference Robust Control with Unknown High Frequency Gain Sign

The problem of controlling a single-input-single-output plant without prior knowledge of high frequency gain sign is addressed by using the model reference robust control approach.A switching method is proposed based on a monitoring function so that after a finite number of swi- tchings the tracking error converges to zero exponentially.Furthermore,it is shown that if some initial states of the closed-loop system are zero,only one switching is needed.

直流配网多滤波器交互影响机理分析

直流配网是配电系统的主要发展方向,受非线性设备、不平衡负载等因素影响,系统中极易产生二次谐波,严重威胁系统运行稳定性与用电设备安全性.在系统规模较大的直流配网中,多有源滤波器协同滤波是治理二次谐波的方法之一,但由于滤波器之间存在耦合干扰,滤波性能与效果差别较大.建立多滤波器诺顿等效并网模型,基于相对增益矩阵理论提出了多滤波器交互影响机理分析方法,构建了滤波器输出电流变化量与谐波源电流变化量矩阵关系,分析了直流配网线路参数和滤波器控制参数对滤波效果的影响.利用PSCAD/EMTDC软件建立含多直流滤波器的直流配电网模型,在不同场景下验证滤波器交互影响分析的合理性;并利用RT-LAB软件搭建半实物仿真模型,进一步验证了方法的有效性.

分裂源双级矩阵变换器及其调制策略的研究

针对传统双级矩阵变换器电压增益低的问题,将分裂源网络与双级矩阵变换器相结合,提出了分裂源双级矩阵变换器(Split Source Two-Stage Matrix Converter,SSTSMC)。首先,介绍所提SSTSMC的拓扑结构和工作原理,并在调制策略上将SSTSMC的整流级应用无零矢量的调制策略,并将逆变级应用传统SVPWM调制策略,可以很好的提高双级矩阵变换器的电压传输比;其次,为了得到更好的波形质量和减少输出电压、电流的各次谐波,通过分析分裂源网络和双级矩阵变换器的工作特性,将变换器的整流级和逆变级的调制策略进行了改进;最后,通过仿真实验验证了文中所提拓扑以及改进调制策略的有效性。

非线性互联系统状态观测器设计方法研究

非线性互联系统广泛应用于各类工业生产中。随着科学技术的迅速发展,控制系统的复杂程度越来越高,同时各子系统之间的互联性也变得越来越强。因此,针对日益复杂的非线性互联系统进行研究,已成为一个非常重要的课题。针对非线性互联系统观测器的设计方法进行研究,通过设计状态观测器实现对互联系统中状态向量的鲁棒估计。首先,基于李雅普诺夫函数给出广义互联系统状态观测器存在的充分条件。其次,将非线性广义互联系统观测器的存在条件进行推广,得到正常非线性互联系统观测器存在的充分条件。观测器的存在条件均通过Schur补引理,以线性矩阵不等式的形式给出,简化了观测器增益矩阵的求解,得到了互联系统观测器的设计方法。最后,利用MATLAB软件计算出观测器的增益矩阵。两个算例仿真结果验证了所提方法的可行性与有效性。

基于改进麻雀算法的多APF协调控制研究

有源电力滤波器(APF)因其具有快速追踪和消除谐波的功能而广泛应用于配电网中。其中,LCL型APF对高频谐波有更好的抑制能力。随着APF并网数目的日益增多,各APF间的交互影响问题变得不可忽视。针对多APF间的交互影响,首先基于诺顿定理推导了多APF并网等效模型,其次利用广义动态相对增益矩阵(GDRGA)对交互影响进行定量分析,最后将抑制交互影响转化为多目标优化问题。针对传统麻雀算法在搜索后期存在全局寻优能力差、易陷入局部最优的缺陷,引入tent混沌和动态随机柯西变异进行改进,并采用改进麻雀算法对APF各控制参数进行协调优化。结果表明,改进麻雀算法能得到分布更加良好的pareto解集,求解性能更优,多目标优化后能有效抑制APF间的交互影响,验证本文所提方法的有效性。

基于参数摄动模型的航空发动机鲁棒弹性自适应控制

航空发动机特性随飞行条件和工作状态变化,在复杂工作环境中同时存在模型不确定性和控制器自身参数变化问题,很大程度上影响整个飞行包线的控制性能。为此,文章提出一种基于参数摄动模型的航空发动机鲁棒弹性自适应控制方法。其首先建立了航空发动机参数摄动结构化模型;然后针对被控对象模型的不确定性和控制器增益的摄动,利用李雅普诺夫稳定性(Lyapunov stability)理论和线性矩阵不等式约束,设计了增益摄动有界但上界未知时的鲁棒弹性自适应控制律,将控制器的设计问题转化为线性矩阵不等式的可行解问题,使控制器的设计仅依赖线性矩阵不等式解矩阵的存在性,并证明了算法的稳定性。在此基础上,文章对飞行包线内发动机不同工作状态进行控制仿真验证。结果显示,调节时间小于1.8 s,超调量小于5%,这表明所设计控制器具有良好的稳定性和控制性能。