基于级联线性-非线性自抗扰控制器的永磁直线同步电机速度控制策略研究

为了提升永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)在负载变化、参数摄动和其他不确定因素下的抗扰性能和速度跟踪性能,提出一种基于级联线性-非线性自抗扰控制器的PMLSM速度控制策略。首先,建立考虑负载扰动和参数失配的PMLSM数学模型;其次,设计级联线性-非线性扩张状态观测器来实时估计和补偿系统所受的不确定扰动,前级线性扩张状态观测器保证系统在大扰动下保持稳定,后级非线性扩张状态观测器利用非线性机制进一步提高系统对扰动的估计精度,从而将线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的优势相结合,以此提升系统的速度跟踪性能和抗扰动能力;并且,对所提控制器提出基于劳斯判据的稳定性分析方法,并对系统的抗扰性能和噪声抑制性能进行了频域分析;最后,对基于PI控制、级联线性自抗扰控制、非线性自抗扰控制和级联线性-非线性自抗扰控制的永磁直线同步电机系统进行仿真和实验对比,验证所提方法的优越性。

含时滞电磁悬浮系统的Smith预估线性自抗扰控制研究

主动电磁悬浮系统中的时滞显著影响磁浮列车运行稳定性和乘坐舒适性,是电磁悬浮型磁浮列车提速改造需要重点关注的问题.采用Smith预估器对电磁悬浮系统的时滞进行补偿,同时引入线性自抗扰控制器(LADRC),将预估时滞与实际时滞的误差作为内部扰动进行估计和补偿,提出了具有时滞补偿和自抗扰功能的Smith-LADRC悬浮控制方法.然后,开展磁浮车辆垂向动力学仿真分析,比较了采用PID、LADRC、Smith-PID和Smith-LADRC控制算法时磁浮车辆稳定悬浮的时滞阈值,验证了Smith-LADRC悬浮控制器具有更强的时滞补偿能力和抗干扰能力.最后,研究了Smith-LADRC悬浮控制器参数对磁浮车辆动力学性能的影响,综合权衡时滞稳定裕度和悬浮间隙波动幅值,给出了LADRC控制器带宽、观测器带宽和控制器增益的优选范围.

永磁直驱风机变桨系统史密斯自抗扰控制器

自抗扰控制器(ADRC)因具备较强的鲁棒性及抗干扰能力,已成功应用于风力发电机变桨距系统中,但仍存在一定的延迟,为此,提出了一种Smith预估器与自抗扰控制器结合的变桨距控制方案,依靠Smith预估器所具备的预估补偿优势,使得自抗扰控制器提前动作。并仿真验证了该设计的可行性。与传统自抗扰控制器相比,与Smith预估器结合后的自抗扰控制器能较好地满足风力发电机变桨距控制要求,有效维持了风力发电机组输出功率的稳定性。

发动机调速史密斯预估定量反馈控制

对于电机后置式及地面耦合式混合动力系统,在其换挡过程中,可以通过电机补偿动力中断,因此调节发动机转速与AMT变速箱转速匹配可以实现平顺的换挡过程。针对发动机调速特性引入基于定量反馈理论与史密斯预估器结合的控制方法。首先,在AMESim中搭建自然进气发动机高保真模型,并通过速度特性验证保证模型的合理性;其次,基于机理建立发动机线性模型,并且分段辨识得到参数的不确定范围,从而将非线性系统用具有参数不确定性的线性模型表示;然后,通过频域分析优化得到一组最佳的史密斯预估器模型,用以补偿发动机进气-扭矩过程不确定延迟;最后,结合史密斯预估器与定量反馈理论设计得到发动机调速SP-QFT鲁棒控制器,从而保证系统在参数不确定情况下的鲁棒稳定性及跟踪性能要求。仿真结果表明:所设计的SP-QFT控制器满足设计要求,相比于基本QFT控制器及PID控制器,有效提高了发动机速度调节的控制精度及响应速度。

基于Smith预估的自抗扰控制系统

纯滞后对象一直是自动控制和计算机应用领域的一大难题。常用的PID与Smith预估相结合的方法,在预估不准确的情况下,不能取得较好的控制效果;而单一的自抗扰控制器在滞后时间较大的情况下,调节时间较长。针对大滞后对象提出了自抗扰控制器与Smith预估补偿器相结合的设计方案。通过仿真对比PID配合Smith预估补偿器及单一的自抗扰控制器的控制效果,表明自抗扰控制器与Smith预估补偿器的结合有效地改善了大滞后对象的控制效果,增强了系统的鲁棒性和抗干扰能力。

Smith预估控制系统抗扰性能的改善

针时常规Smith预估控制系统扰动回调慢的弱点,从控制结构上进行改进,介绍接受扰动量输入的Smith预估控制A系统和加入微分反馈的Smith预估控制B系统。其中,后者符合二自由度控制思想。对二者从理论和工程实现两方面进行分析测试,与常规Smith预估控制系统进行曲线数据对比,给出二者动态性能的具体差别:A系统在扰动和控制通道模型一致的情况下,与常规Smith预估控制系统相比扰动回调时间和动态误差分别减小近70%和85%,B系统分别减小约50%和20%。

胎面重量控制系统的CPSO优化Smith预估线性自抗扰策略

针对轮胎行业橡胶复合挤出线重量控制系统过程机理复杂、扰动过多且难以测量等问题,设计了一种史密斯预估与线性自抗扰控制(Smith prediction-linear active disturbance rejection control,Smith-LADRC)相结合的控制方式以实现对胎面重量的稳定控制。建立仿真模型与比例-积分-微分(proportional-integral-differential,PID)、LADRC、Smith-PID进行控制效果对比以验证其优势,同时针对此控制器调参困难引入混沌粒子群算法(chaotic particle swarm optimization,CPSO)进行参数整定。经实验结果表明:Smith-LADRC相较于上述3种控制方法能够使系统具有较好的抗干扰性和鲁棒性;采用CPSO算法寻优后,相比于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO),可以很好地达到控制目的,系统输出响应快速性均得到提高,相比手动调节能更好地对系统输出进行控制,同时节省参数调节时间,提高控制效率。

汽油机火花点火-可控自燃混合燃烧的主动抗扰自趋优控制

火花点火-可控自燃(SI-CAI)混合燃烧对边界条件非常敏感,针对其燃烧相位和放热过程的瞬态控制难题,笔者提出一种基于燃烧模型的前馈、即时扰动观测反馈和累积观测校正相结合的主动抗扰自趋优控制算法.首先,通过引入点火角修正因子和模型参数自学习因子,发展了具备自学习能力的SI-CAI混合燃烧预测模型,并构建了CA 50、IMEP和过量空气系数φa的前馈控制算法.其次,为补偿模型的偏差和外部环境条件的随机干扰,提出了基于扩张状态观测器的扰动即时观测算法.最后,为不断校正模型参数自学习因子,改善前馈效果,提出基于递推最小二乘法的累积观测器.对提出的控制算法进行仿真和台架验证,结果表明:IMEP可在3~5个循环内完成阶跃,该过程中CA 50波动幅度不高于4°CA,φ_(a)偏差小于0.08,满足控制要求.

考虑质量分布的雨蚀叶片横向振动分析与自抗扰解耦控制

为提升高速耐雨蚀测试装置运行的稳定性与安全性,以其转子-雨蚀叶片系统为研究对象,开展雨蚀叶片的横向振动特性分析。首先,综合考虑雨蚀叶片振动、旋叶连接盘质量偏心及转子不平衡磁拉力的影响,建立转子-雨蚀叶片系统的四自由度横向振动模型。然后,基于Lagrange方程建立转子-雨蚀叶片系统的运动微分方程,并利用Runge-Kutta算法对方程进行数值求解,以观察转子及雨蚀叶片的轴心轨迹与振幅的分布规律。考虑到转子与雨蚀叶片的非线性强耦合关系,采用自抗扰解耦控制方法来抑制雨蚀叶片的横向振动,其中扩张状态观测器的参数采用极点配置和带宽进行调节。最后,通过搭建实验平台来分析采用自抗扰解耦控制前后雨蚀叶片的振动特性,并与数值分析结果进行对比。结果表明,在采用自抗扰解耦控制前转子-雨蚀叶片系统存在振动超标现象,而采用自抗扰解耦控制后雨蚀叶片的横向振动得到了有效抑制,验证了该控制方法的可行性和有效性。研究结果可为后续高速耐雨蚀测试装置的结构优化提供理论参考。

选择性催化还原脱硝系统Smith预估自抗扰控制

针对选择性催化还原(SCR)脱硝系统的大时滞、非线性和时变性,提出Smith预估器与自抗扰控制相结合的控制方法。利用Smith预估器对系统时滞环节进行补偿,使时滞被控量超前反映到控制器,以缩短调节时间;利用自抗扰控制对SCR脱硝系统Smith预估器模型的误差和扰动量进行估计和补偿以提高模型精度。仿真结果表明,与常规PID控制、Smith预估控制及常规自抗扰控制相比,基于Smith预估的自抗扰控制对SCR脱硝系统的控制效果更佳,可有效提高控制系统的抗扰能力和模型适应能力。

一种具有抗干扰能力的 Smith 预估控制系统

本文针对Ｓｍｉｔｈ预估控制系统抗干扰能力差的问题，探讨运用前馈控制与Ｓｍｉｔｈ预估控制结合的方法，提高系统的抗扰力，改善控制品质。

水下机器人-机械臂系统的滑模自抗扰控制

针对水下机器人机械臂系统的强耦合、强非线性、复杂海洋多源干扰等因素影响,提出了滑模自抗扰控制器,将复杂系统模型转变为简单的积分串联系统,将内部参数不确定性、测量误差、建模误差和海洋多源干扰等扰动归结为总扰动,并采用线性扩张观测器对其进行估计并抵消。利用滑模控制器提高系统对参数摄动的不敏感性,增强控制系统的抗干扰性能,通过李雅普诺夫理论分析了控制系统的有界稳定性。仿真结果表明滑模自抗扰与传统滑模控制和自抗扰控制相比,能使水下机器人机械臂实现更好的轨迹跟踪,且系统具有更好的抗干扰能力。

2D伺服阀电-机械转换器参数实时优化的自抗扰同步跟踪控制

步进电机作为2D伺服阀电-机械转换器,在传统工作方式下存在分辨率和响应速度之间的矛盾且容易受扰动影响,新型控制器参数人工整定费时费力且难以取得满意的控制效果。为了解决这些问题,本文提出了参数实时优化的自抗扰同步跟踪控制算法(AAP),其基于自适应遗传算法(AGA)的自动调节机制,能根据电-机械转换器被控过程的输出特性,在线校正和整定控制器参数;自抗扰位置控制器能有效抑制来自电-机械转换器内部电感、摩擦力,外部负载以及2D伺服阀工作的系统压力突变带来的各种干扰;同步跟踪控制实现了电-机械转换器转子在任意位置快速、精确的定位,成功解决分辨率和响应速度之间的矛盾。本文首先阐述电-机械转换器同步跟踪控制原理并建立了数学模型,然后介绍了AAP、自抗扰位置控制器设计及参数优化思路,最后为了检验方法的有效性并测试控制效果,用Matlab/Simulink对比例积分微分(PID)和AAP控制下的电-机械转换器仿真并对比分析,搭建了电-机械转换器和2D伺服阀测试平台。实验测得AAP控制的电-机械转换器上升时间为4.4 ms,对应-3 dB、-90°处的频宽约为240 Hz,控制的2D伺服阀上升时间为6.9 ms,对应-3 dB、-90°处的频宽约为105 Hz,相较于传统PID算法控制,具有更好的动态性能、频率特性及鲁棒性。

一阶惯性大时滞系统Smith预估自抗扰控制

大时滞系统是工业过程控制中的典型难题,将先进控制方法应用于大时滞系统时需要与传统的Smith预估器相结合才能获得理想的控制效果。针对一阶惯性大时滞系统,研究了Smith预估器与线性自抗扰控制技术相结合的设计问题,分析了系统的稳定条件和参数摄动问题。证明了当被控对象参数与Smith预估器参数相同时,闭环控制系统稳定的结论,同时推导了参数不同时控制系统稳定的一个充分条件。另外基于数值仿真,从暂态性能、稳定裕度和抗扰能力三方面分析了系统参数和控制参数摄动的影响作用,这些结果可用于Smith预估器和线性自抗扰控制器参数的整定。

Smith预估线性自抗扰组合温度控制系统设计

针对传统大滞后温度控制系统存在闭环稳定性差、超调量过大、调节时间过长、抗干扰能力差、结构与调参复杂等问题,提出了Smith预估线性自抗扰组合温度控制系统。引入Smith预估器,可以将被控对象(G O(s)e^(-τs))纯滞后环节e-τs抵消,即将被控对象等效为G O(s),保证闭环系统稳定性。采用线性自抗扰控制技术(LADRC),可将系统“未知扰动”通过线性扩张状态观测器进行估计,通过反馈消除干扰,提高控制精度,降低超调量,缩短调节时间。通过建立Simth预估模型和LADRC模型,分析预估器抵消纯滞后环节原理。仿真结果表明,Smith LADRC系统保证了闭环系统稳定性,与Smith PID相比,调节时间减少了65.486 s,超调量减少了19.44%;加入外部扰动后,Smith LADRC比Smith PID超调量减小1.24%,调节时间减小50.406 s,整个系统抗干扰能力、鲁棒性、稳定性更强,响应速度更快。

线性自抗扰控制器的稳定性研究

研究了线性扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)的估计能力,并且分析了在线性自抗扰控制(Linearactive disturbance rejection control,LADRC)下闭环系统的稳定性.对于系统模型未知的情形,给出了线性扩张观测器估计误差有界的证明,并通过分析得出了如下结论:在扩张状态观测器跟踪误差趋于零的前提下,在线性自抗扰控制下的闭环系统可以实现对设定信号的精确跟踪以及输入-输出有界(Bounded input and bounded output,BIBO)稳定.

基于自抗扰的多变量解耦控制在球磨机的应用

火电站球磨机制粉系统是一个典型的三输入三输出的系统,各变量之间严重耦合,利用PID控制很难达到理想效果。针对这些特点,将一种新型的控制策略-自抗扰控制器(Auto Disturbance Rejection Controller ADRC)和一种多变量解耦控制相结合应用到该系统中,并对ADRC做了部分改进。针对某球磨机制粉系统,设计了基于自抗扰的多变量控制系统,并与反标架正规化(RFN)设计方法和SMITH预估补偿方法进行了比较,仿真结果表明了本文所提出的控制算法的有效性、抗扰性及强鲁棒性,因此该控制策略具有很高的工程实用价值。

浊度大时滞过程的预测自抗扰控制器设计

待滤水浊度过程涉及复杂的物理、化学反应,具有明显的大时滞、不确定性和干扰多等特点,一直是制水行业公认的难控系统.针对其干扰多和不确定性特点,采用自抗扰控制来主动实时估计扰动并进行补偿;针对其大时滞特点,采用预测控制对输出提前预报来弥补大时滞系统中的信息不及时,从而得到一种既具信息预估又具主动补偿总扰动的预测自抗扰控制器.本文重点分析了预测自抗扰控制器的性能,给出了时滞系统在该控制器作用下的开环频率参数求取方法及简单实用的参数整定公式,最后将其与几种常见控制器进行了仿真比较.仿真结果表明:预测自抗扰控制器具有良好的抗扰恢复能力和设定值跟踪能力,且参数整定容易,具有简单、好用且有效等特点,为该控制器的工业化应用提供了积极的指导作用.

SCR烟气脱硝系统线性自抗扰控制研究

针对选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统难以实现精确建模且存在大延迟的问题,以线性自抗扰控制(LADRC)方法为基础,对LADRC结构进行改进,并形成2种新的控制方法,即对控制变量增加一个延迟环节后再进入扩张状态观测器,或利用Smith预估器将输出变量的延迟抵消后再进入扩张状态观测器。以某300 MW火电机组SCR系统为研究对象,利用LADRC与PID控制进行仿真。结果表明:LADRC能够达到满意的控制效果,改进LADRC可以提高系统的控制品质。

自抗扰控制在火电厂球磨机系统中的应用

针对火电站球磨机制粉系统的强耦合、非线性、大迟延、大惯性的特点,将一种新型的控制策略-自抗扰控制器(Auto Disturbance Rejection Controller,ADRC)应用到该系统中,针对某球磨机制粉系统,设计了基于自抗扰的球磨机制粉控制系统,并进行了参数整定。仿真结果表明了所提出的控制算法的有效性、抗扰性及强鲁棒性,因此该控制策略具有很高的工程实用价值。