基于简化有限集模型预测电流控制的五相PMSM统一容错控制

在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。

基于LSTM-MPC的PEMFC运行状态建模与容错控制

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有多物理场耦合特性易产生不同故障且难以控制。为了能在故障状态下快速有效控制,提出基于模型预测控制(modelpredictivecontrol,MPC)的容错控制方案。首先,以长短时记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的预测误差为遗传算法的适应度函数,寻优获取LSTM的最优超参数组合,基于数据驱动构建PEMFC系统在4种不同运行状态下的LSTM预测模型作为预测模型模块。然后,建立基于神经网络的控制器作为优化控制器模块,根据上述模块制定以PEMFC系统阴阳极输入气体压强为控制量、电堆电压为输出量的容错控制方案。最后,仿真验证LSTM预测模型与容错控制方案得到,LSTM预测模型在训练集和测试集的评估指标均方根误差(root mean square error,RMSE)指标值分别为0.0489和0.0558,具有较好的拟合效果。在不同故障状态下,MPC相较于传统PID容错控制方案电压恢复时间缩短50%及以上,并在氢气泄露故障状态下,最大压降降低22.2%,证明了所提控制策略的有效性和正确性。

一种永磁同步电机模型失配容错控制算法

针对高精度永磁同步电机驱动系统因转动惯量、摩擦系数与磁链参数失配造成其控制精度和稳定性降低的问题,提出了一种基于有限时间收敛扩张状态观测器的无模型滑模容错控制方法。首先,建立了考虑内外不确定性的永磁同步电机转速环超局部模型,并设计了无模型全局积分终端滑模控制器;其次,设计了有限时间收敛扩张状态观测器来降低模型失配带来的影响;最后,通过与其他方法的仿真和实验对比,验证了所提方法能够在不获取精确模型的情况下实现了对多种模型失配与外部扰动工况的容错控制,并提高了电机的控制精度。

通信延迟下自适应容错控制及其在航天器编队中的应用

为解决编队系统存在的参数模型变动范围不可预测、执行器部分失效等问题,设计提出了一种自适应鲁棒容错编队控制方法。给出航天器相对位置非线性动力学模型,设计了自适应鲁棒容错控制器,并且分别设计自适应律估计故障大小、质量和外界扰动上界,同时分析了闭环系统的Lyapunov稳定性,给出系统稳定所需要的条件。数值仿真结果表明,提出的控制方法能实现编队跟踪控制的目标,位置跟踪稳态误差小于1.5×10-3m,速度跟踪稳态误差小于1.8×10-5m,验证了所提出方法的有效性。

双三相同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制策略

双三相同步磁阻电机(dual three-phase synchronous reluctance motor,DTP-SynRM)转子不含永磁体,没有高温退磁风险,成本较低,且由于其系统自由度高、冗余性强,因此具有较好的容错性能。开路故障是双三相同步磁阻电机系统中最常见的故障类型之一,该文针对一种两套三相绕组中性点相互独立的双三相同步磁阻电机单相开路故障,建立DTP-SynRM矢量空间解耦模型,实现对电压、电流和磁链方程的完全解耦。在开路故障状态下仍将其视为一个正常的双三相电机,分析故障状态对电机的电流约束和信号传递的影响,并指出在开路故障下z2轴电流与β轴电流不再独立,电机由正常运行时的四阶系统降阶为三阶系统,而由于开路故障导致的电压信号传递不准确则会在dq坐标系中引入二次谐波电流,并产生二次和四次转矩波动。该文提出一种同时考虑电流约束和信号传递误差的故障容错方法,电机处于三闭环运行状态,补偿电压信号传递误差,抑制开路故障时电机的转矩波动并降低电流谐波。搭建实验平台进行实验,验证所提容错方法的有效性和可行性。

预设性能下的输出受限船舶航向切换容错控制

针对船舶输出受限、执行器故障不确定性和受到未知海洋扰动的船舶航向控制问题,提出一种基于切换策略的自适应容错控制方案。利用对数障碍李雅普诺夫约束航向误差并将状态输出约束在有限范围内。结合预设性能理论和反步法,针对具有不确定参数和执行器故障的船舶控制系统,将健康执行器作为备用。通过设计一套监控函数来监督航向误差的动态范围,实现了在执行器故障且故障模式未知的情况下,船舶航向控制器从故障执行器切换到健康执行器,同时满足跟踪误差的收敛性及控制系统稳定性。仿真验证了所提出算法的有效性。

基于观测器的高速列车半主动悬架滑模容错控制

高速列车长期处于高强度、强干扰、长距离的运行环境中,悬架系统出现执行器故障等情况都会影响列车运行过程中的安全。针对此问题,提出了一种基于滑模观测器的滑模容错控制方法。首先,构建了含有执行器故障的高速列车横向动力学模型,设计了滑模观测器,对执行器未知故障值进行实时估计;然后,将故障估计值输入滑模控制器,设计了滑模变结构容错控制器,计算得出列车姿态平稳所需的等效输出阻尼力,以实现包含执行器故障的半主动悬架系统容错控制,并且结合Lyapunov稳定性理论对滑模容错控制器的稳定性进行了分析;最后,通过实验验证了所设计的滑模观测器能够使各变量观测值在0.3 s左右跟踪上实际值,跟踪精度达到90%左右,并且同样验证了所设计的滑模控制器相较于传统PID控制器在悬架发生执行器故障的情况下有更好的鲁棒性。

基于强化学习的航天器姿态预设性能容错控制

针对惯量不确定性和执行机构故障的航天器姿态控制问题,提出了一种基于强化学习的预设性能容错控制方法。采用预设性能方法设计航天器的姿态控制器,以保证控制过程的暂态响应。为在线补偿惯量不确定,在预设性能控制器的基础上引入强化学习算法,使用评判网络近似代价函数,用于评估系统性能,同时使用动作网络产生前馈补偿控制,用于处理惯量不确定;设计自适应补偿控制,补偿执行机构故障和外扰动对航天器姿态的影响。基于Lyapunov稳定性理论证明整个闭环系统的稳定性。仿真结果表明:所提容错控制方法能够实现航天器执行机构故障情况下的稳定控制。

非线性系统无需初始条件预设性能有界H_(∞)容错控制

针对一类具有外部扰动和传感器故障的非线性系统,本文研究了其自适应预设性能有界H_(∞) 容错控制问题.本文提出一种新的预设性能控制设计方法,使得预设性能函数的选择与系统被约束变量的初始状态完全无关,用一种全新的方式解决了传统预设性能方法的控制效果依赖被约束变量初始条件的问题.基于该设计方法和有界H_(∞) 控制方法,在未知系统初始条件的情况下获得了系统的自适应预设性能有界H_(∞) 控制器.本文所设计的控制器能够保证系统中的所有信号都是有界稳定的,系统的输出变量能够被预设性能函数约束,并且对于外部干扰具有很好的抑制作用.最后,仿真结果验证了该控制器的可行性及有效性.

基于模糊增益滑模四旋翼无人机自适应容错控制

针对四旋翼无人机执行器故障下的轨迹跟踪问题,提出一种基于模糊增益滑模的自适应容错控制方法.首先,针对直接控制通道利用自适应机构在线估计执行器故障并加以补偿,采用基于模糊增益的滑模控制器设计可调控制器以满足鲁棒性要求.针对间接驱动通道设计基于模糊增益的滑模控制器,从而实现无人机全通道的容错控制设计,该方法具有良好的容错能力的同时,能很好地抑制系统颤振,获得平滑的控制信号.最后,对四旋翼无人机在不同控制器下的轨迹追踪性能进行了对比仿真,结果表明,系统在故障以及扰动下具有良好的飞行性能.

基于未知输入观测器的电液执行器容错控制研究

电液执行器(EHA)中的传感器或执行器故障,会导致系统不稳定,存在安全隐患。为了解决这些问题,提出并研发了一种用于EHA的容错控制补偿技术。建立其数学模型,利用PID控制器进行位置跟踪控制,通过重构的未知输入观测器实现对干扰和传感器故障的诊断和误差补偿;利用容错控制补偿技术,可以提高EHA运行的可靠性和稳定性,确保控制器的稳定性及其跟踪性能。通过数值模拟和实验,证明了所研发的容错控制补偿技术的有效性。

一种基于EKF的DDEV主动容错控制方法

分布式驱动电动汽车(DDEV)的行驶稳定性和动力性受电机故障的影响会变差,而驱动系统的容错控制则能够有效改善车辆的行驶稳定性和动力性。为此,针对分布式驱动电动汽车驱动电机,提出了一种主动容错控制方法。首先在Simulink中搭建了包含七个自由度的车辆动力学模型,接着搭建了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的故障观测器,为后文建立的主动容错方法提供故障信息。然后基于滑模控制,搭建了主动容错控制模型,根据故障信息对驱动力矩进行重新分配。最后搭建了Carsim/Simulink联合仿真平台,结果表明,提出的主动容错控制方法能够有效改善车辆在故障状态下的行驶稳定性和动力性。

组合式有源传感器状态监测与容错控制研究

针对传统传感器状态监测方法准确性不高的问题,提出一种组合式有源传感器状态监测与容错控制方法。该方法分为2个部分:前一部分进行传感器状态监测,包括状态信号去噪处理、小波包能量熵特征提取以及利用参数优化后的概率神经网络识别传感器健康状态3个步骤;后一部分设计容错控制模型,以状态监测结果为参考,切换控制策略,实现容错控制。实验结果表明:与其他3种传统方法相比,在该方法控制下容错控制误差在±1 r/min,波动较小,控制效果更优。

基于自适应滑模观测器的氢燃料电池空气供应系统泄露故障容错控制

空气泄漏是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统中常出现的一类故障,并且发生概率会随着系统运行时间的增加而逐渐增大,直接影响PEMFC的性能。为此,提出基于自适应滑模观测器(adaptive slide mode observer,ASMO)的容错控制策略。首先采用观测器实现泄露故障下流量重构,通过主动容错控制器调节空压机的供给流量,补偿泄漏的空气流量。同时,设计一种背压阀开度的迭代调节算法用于控制供气压力,保证稳定、合适空气供应,避免电堆出现“氧饥饿”现象。最后,基于模型在环平台对观测器以及容错控制策略进行验证与分析,结果表明:ASMO拥有比传统滑模观测器更好的收敛速度和估计精度;采用基于ASMO的容错控制策略后,系统能够在故障后恢复正常的空气供应,提高了系统整体可靠性。

考虑推力损失的运载火箭主动段容错控制

运载火箭上升段易出现推力下降等动力系统故障,传统的控制方法在干扰性较大场合难以满足高精度、高稳定的控制需求。本文进行了运载火箭自适应增广控制与模糊PD控制方法的研究,并分析两者的控制特性;提出一种基于模糊规则的动态切换控制算法,通过计算自适应PD控制与模糊PD控制的输出量加权,得到系统的最优控制方案;将控制力矩重构与动态切换控制算法结合,进行火箭容错控制研究。结果表明,基于模糊规则的动态切换控制算法能有效提高姿态控制品质,相比于其他控制方法,偏航角最大偏差减小20%以上,系统响应时间至少快15%,且控制过程中未出现振荡。

基于傅里叶变换解耦的容错控制方法

在多相电机的容错控制中,对于通过多约束求解获得的较为复杂的非正弦型容错电流一般采用滞环控制方法进行容错控制。电压空间矢量控制相对滞环控制具有转矩脉动小、能量消耗小的优势,在多相电机的控制中更为普遍。为解决非正弦型容错电流不能直接解耦变换以适用于电压空间矢量控制的问题,引入傅里叶变换并将非正弦型容错电流分解为基波电流与三次谐波电流,实现非正弦型容错电流的解耦变换,基于此推导解耦变换矩阵,采用仿真分析的方法来验证处理方法的正确性。结果表明这种处理方法可以解决多相永磁同步电机开路容错控制下的非正弦型容错电流无法直接解耦变换导致的无法直接适用于电压空间矢量控制的问题,以实现降低转矩脉动、提高电机电流平稳性的目标。

无关初始跟踪条件的自抗扰预设性能有限时间容错控制

针对一类具有执行器故障的非仿射纯反馈非线性系统,研究无关初始跟踪条件的自抗扰预设性能有限时间容错跟踪控制问题.对无关初始跟踪条件的预设性能控制进行改进,设计无关初始跟踪条件的自抗扰预设性能有限时间容错控制器.仿真研究结果表明该文控制器具有有效性.

基于坐标轴变换的九相永磁同步电机无位置传感器缺相容错控制

多相永磁同步电机发生缺相故障后,电流畸变与内部参数变化对系统造成的干扰是无法预料的,这给无位置传感器驱动系统的稳定运行带来了极大挑战。为了实现电机无位置传感器控制下缺相故障在线切换容错运行,该文提出一种基于坐标轴变换的多相永磁同步电机无位置传感器缺相容错控制策略。首先,通过坐标轴变换建立故障后多相永磁同步电机的降阶解耦模型,并重构电机容错运行输出转矩最大时的容错电流。该建模方法适用于多相永磁同步电机任意缺相故障,且得到的数学模型与电流参考值不随故障相位置而变化。在此基础上,基于坐标轴变换的降阶解耦模型构建修正滑模观测器,有效提高无位置传感器缺相容错控制系统的转子位置估算精度。最后,通过一台9 kW九相永磁同步电机缺相容错试验,验证所提控制策略的有效性。

基于观测器的自主式水下机器人反步容错控制

为了保证欠驱动自主式水下机器人(autonomous underwater vehiele,AUV)在执行器故障和受到外界干扰的情况下仍然能正常运动,设计了基于观测器的反步容错控制器。首先,有条件地简化AUV的水平面模型,建立简化后的水平面状态方程。之后,针对AUV执行器的垂直舵出现故障并且AUV受到外界干扰的情况,设计观测器以实时估计故障和干扰。然后,将观测器与反步控制器相结合控制AUV,并利用李雅普诺夫稳定性理论证明闭环系统是渐近稳定的。最后,通过仿真验证了所提控制器具有良好的抗干扰能力和容错能力。

高速列车受限自适应有限次迭代学习容错控制

为研究高速列车(High-Speed Train, HST)自动运行系统在执行器故障和速度受限下的速度控制问题,本文提出一种有限次运行收敛的受限自适应迭代学习容错控制(Finite-Iteration Constrained Adaptive Iterative Learning Fault-Tolerant Control, FI-CAILFTC)方法。首先,基于障碍组合能量函数(Barrier Composite Energy Function, BCEF)构建沿迭代域方向有限次运行收敛条件,并且利用所期望任意跟踪精度计算所需运行次数,同时,指导控制器参数选择,以保证HST有限次运行收敛性;其次,设计具有自适应容错能力的迭代学习控制算法,对未知时变且迭代变化的执行器故障进行自适应估计和补偿;再次,针对HST运行过程中超速问题,在所设计容错控制器基础上,加入超速防护机制,保证HST实际运行速度始终满足速度约束,保障列车安全运行;最后,以CRH-3型高速动车组列车作为研究对象,对设计的控制方法进行仿真研究。仿真结果表明:FI-CAILFTC方法下,HST速度跟踪误差在预先计算出的第17次迭代后达到期望控制精度0.2,相较于对比算法,控制精度分别提高了90.70%和90.22%;FI-CAILFTC有更快的收敛速度和更好的自适应容错能力;HST实际运行速度始终主动满足速度受限。