双容水箱液位自抗扰控制系统稳定性分析及实验教学设计

该文在系统稳定性分析的基础上设计了双容水箱液位自抗扰控制系统实验。首先通过阶跃响应法对系统进行辨识,然后采用基于幅角原理的双轨迹分析法对系统稳定性进行分析。介绍了双容水箱液位控制系统的工艺流程,设计了液位自抗扰控制方案,并进行了实验验证,将实验结果与传统的PID控制进行比较,最后进行了实验评价。该实验通过液位自抗扰控制实验设计和控制系统稳定性分析,使学生掌握自抗扰控制器应用方法,在获取系统稳定阈的基础上进行控制器参数整定。

基于扰动观测器的双容水箱液位系统自适应滑模控制

针对存在外部扰动的双容水箱液位系统,为了实现精确的液位控制,该文提出了一种基于非线性扰动观测器的自适应滑模控制方法。设计了含积分作用的滑模面和自适应滑模趋近律,以提高趋近速度和控制精度,并且减小抖振。同时提出了一种非线性扰动观测器估计系统的外部扰动,并将估计值前馈补偿到自适应滑模控制器。通过李亚普诺夫稳定性定理证明了该控制策略的闭环系统稳定性。仿真和实验结果表明,在系统存在外部干扰的环境下,所提出的控制策略与传统滑模控制方法相比,控制精度更高且干扰抑制能力更强。

一种基于模糊逼近的双容水箱鲁棒控制器设计

应用物料平衡原理及状态方程方法建立双容水箱液位动态模型,根据鲁棒控制原理及模糊控制的万能逼近性质设计控制器。在不同初始参数及不确定性干扰条件下,应用MATLAB对水箱系统及所设计控制器进行仿真验证,实验结果表明,与基于传递函数的控制器相比,该控制器在不同条件下均能保持有效的控制效果,且调节时间更短、超调量更小,对系统初值选取不敏感。

基于NCSLab 3D的虚拟远程实验系统设计与实现

针对当前某些高校自动化专业实验教学设备资源不足与利用率低的问题,基于网络化控制系统实验室架构,将三维虚拟现实技术、远程控制技术等多项技术结合,以双容水箱为对象,通过三维建模与渲染、数学建模、系统集成等步骤,设计并实现一套虚拟远程实验系统。双容水箱实验结果表明,该系统能实现实验教学设备共享,使学生具有强烈的沉浸感与现场感,并且虚拟和远程实验结果可以进行相互验证,个性化的监控界面能提供更好的用户体验。

一类非线性大滞后系统自适应积分滑模控制

针对一类非线性大滞后系统,基于伪偏导数概念的动态线性化非线性系统模型,利用离散时间预测器技术,实现了系统原始表达式中滞后环节的隐性表达,并结合离散积分滑模控制(discrete integral sliding mode control, DISMC)方法,提出了一种新的无模型自适应离散积分滑模控制(model-free adaptive discrete integral sliding mode control, MFA-DISMC)方案.该方法的主要特点是控制器设计仅取决于被控对象的输入和输出测量数据.通过理论分析证明了算法的稳定性,仿真研究表明,相比于无模型自适应控制(model-free adaptive control, MFAC)、Smith预估控制、改进的MFAC控制以及比例–积分–微分(proportional-integral-derivative, PID)控制方法,本文方法具有更快的响应速度和更强的鲁棒性.最后,通过双容水箱液位控制系统的实验研究,验证了所提出方法的有效性.

数字孪生视角下基于LSTM的工控系统异常检测方法

目前,工业控制系统(industrial control system, ICS)面临巨大的信息安全威胁,针对ICS的异常检测技术成为该领域的研究重点.近年来ICS的数据规模增大,但是异常运行数据样本依然缺失,异常检测系统也难以实时获取ICS运行数据,增加了ICS的异常检测难度.为此,基于数字孪生技术,提出数字孪生驱动的工控系统异常检测框架,借助数字孪生技术的一致性、实时性和可视化效果,解决当前异常检测的瓶颈问题.首先设计面向异常检测的数字孪生模块,利用数字孪生中虚拟实体与物理实体的模型一致性模拟异常数据,解决异常样本难获取的问题.随后设计攻击状态下的ICS异常检测模块,结合数字孪生模块的实时交互数据实现在线异常检测.最后以双容水箱控制系统为实验对象,综合运用WinCC,Unity3D,MySQL等开发环境,通过实验验证了该方法的可行性与有效性.

一类复杂工业过程的数据驱动与PID协调控制

针对一类具有强非线性且难以建立精确数学模型的复杂工业过程,提出了一种基于PID与数据驱动的协调控制策略。在系统初始阶段,采用PID控制方法,不需要建立系统的数学模型,就能获得大量系统输入输出(I/O)数据。在系统稳态阶段,提出了多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)无模型自适应离散终端滑模控制(model-free adaptive discrete terminal sliding mode control,MFA-DTSMC)方法,该方法基于系统的紧格式动态线性化数据模型,且伪Jacobian矩阵(pseudo-Jacobian matrix,PJM)估计算法仅取决于被控对象的I/O测量数据。其次,设计了一种协调控制策略,实现了PID与数据驱动控制器之间的协调控制。以双容水箱液位系统为例进行仿真实验,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

基于NetCon的网络化预测补偿控制算法及其应用

网络控制系统(Net-worked Control Systems,NCS)是指传感器、控制器和执行器通过网络形成的闭环反馈控制系统。介绍了以NetCon控制器为基础的应用于NCS的网络预测控制算法,详细阐述了预测控制算法的设计与实现过程,分别以双容水箱系统和直流电机系统作为控制对象将该算法应用到了实际系统中,实现了网络化控制,证明了该网络预测控制算法的有效性。