基于微分平坦的板球系统反步滑模控制

为改善板球系统轨迹跟踪控制误差大,控制精度低的问题,提出了一种基于微分平坦的板球系统反步滑模控制方法。首先基于欧拉-拉格朗日方程建立板球系统的运动学模型,通过合理简化得到解耦线性状态空间模型。以X轴方向控制器设计为例,利用微分平坦技术获得系统的目标状态量以及前馈控制量,建立误差系统,进而采用反步法实现对误差系统的滑模控制,利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。算法中使用双曲正切函数抑制滑模的抖动,实现了对板球系统的轨迹高精度跟踪控制。仿真实验结果表明,该方法控制精度高,具有良好的控制效果。

三态直流升压变换器的微分平坦控制

针对伪连续导电模式下三态Boost变换器在传统控制器作用下瞬态响应速度较慢的问题,提出了一种基于动态参考电流和微分平坦控制的策略。首先,利用状态空间平均法建立三态Boost变换器的数学模型;然后,选定状态变量和输入控制变量,判别系统是否满足微分平坦控制条件;最后,建立了基于动态参考电流和平坦控制方法的控制系统,其中电流环采用动态参考电流方法,电压环采用基于期望前馈输入控制量和误差反馈量的微分平坦控制方法。仿真结果表明,相对于传统PI控制器,该微分平坦控制系统的系统瞬态跟踪时间更短,在受到干扰时有更好的抗干扰能力,提升了系统的鲁棒性。

基于微分平坦的高超声速飞行器跟踪控制方法

针对高超声速飞行器跟踪控制存在控制相对阶较高、过程状态约束强等问题,提出基于微分平坦的高超声速飞行器跟踪控制和外环跟踪控制方法,避免串级自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)等控制方法带来的鲁棒性问题,微分平坦将过程状态和控制输入映射为关于平坦输出的函数,在模型线性化的同时实现了轨迹规划的约束降维。针对不确定性较强的姿控内环,搭配ADRC从而避免微分高阶模型推导下的微分爆炸问题,ADRC不依赖于精确模型信息,提升了控制系统鲁棒性。仿真结果表明,微分平坦和ADRC互补对方缺陷,具有良好的控制性能和鲁棒性。

不平衡电网下双dq坐标变换的M3C微分平坦控制策略

针对目前模块化多电平矩阵变换器(M3C)研究中常用的双αβ坐标变换解耦不彻底、传统PID控制方法效果差、不平衡工况研究少等问题,在分析拓扑结构和数学模型的基础上,采用双dq坐标变换对电气量进行解耦,建立了M3C的输入输出侧数学模型,分别对电压、电流进行正负序分离,并结合微分平坦理论,推导了输入侧、输出侧的微分平坦控制(DFC),最后模拟了两种不平衡工况下的运行情况。仿真结果表明,与线性PID控制相比,非线性的微分平坦控制提高了内环电流的跟踪速度和精度,更适用于非线性的M3C系统。在电网平衡或电网出现不对称故障时,微分平坦控制下M3C系统的动态稳定性与快速性更好,电能质量更高,电流谐波含量最多可以降低1.42%,能够更有效地抑制负序电流。

电网电压不平衡下六边形变换器的微分平坦控制策略

六边形变换器(Hexverter)作为一种具备多端口、低频性、高可靠性等特点的AC/AC变换器的拓朴结构,能够适用于海上风电领域。但当Hexverter应用于海上风电时,由于自身的非线性特性,线性的PID控制策略的控制效果不佳。将非线性的微分平坦控制(DFC)与Hexverter相结合,通过分析其稳定性,提出了Hexverter的微分平坦控制策略。在Matlab环境和RT-LAB半物理实验平台中建立了Hexverter的微分平坦控制系统对多种工况进行仿真对比,验证了本文所提出微分平坦控制策略的可行性。

基于微分平坦的分层轨迹规划算法

为充分考虑横纵向耦合和汽车运动学特性对轨迹规划的影响,提出一种分层优化的轨迹规划算法框架。利用贝塞尔曲线的凸包性设计安全走廊约束,以轨迹平滑性为目标函数得到一个基于贝塞尔曲线节点的下层规划器。在上层规划器中,基于下层规划器求解得到的横纵向贝塞尔曲线和车辆运动学模型的微分平坦输出进行三维耦合,构建满足车辆乘坐舒适性、高效性和安全性的目标函数,利用粒子群优化算法对贝塞尔轨迹初始参数进行二次优化得到综合性能最优的行驶轨迹。仿真结果表明:新算法在保证安全性的同时,具有良好的乘坐舒适性和可跟踪性;由于二次规划与粒子群优化算法的求解效率高,此框架实时性强,具有概率完备性。

无人机集群的微分平坦性与编队控制研究

本文研究了无人机集群的微分平坦性,给出了相对运动的微分平坦映射,并以此为基础设计了分布式编队控制器.运动规划方面,通过求解受约束的优化问题,实时生成期望编队轨迹和编队构型.运动控制方面,采用微分平坦映射将运动指令映射为每架无人机的期望状态和控制输入,而后利用局部误差反馈设计分布式编队控制器跟踪期望运动轨迹.针对群体运动的稳定性问题,本文运用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性,给出了控制参数的选取条件.最后仿真验证了编队控制方法在未知环境下的运动控制效果.

单电感双输出Buck变换器的微分平坦控制

为克服传统PI控制单电感双输出SIDO(single-inductor dual-output)开关变换器输出端存在交叉影响严重、暂态响应速度慢等问题,提出一种降维状态观测器补偿的微分平坦控制策略。首先根据微分平坦理论,分别设计支路开关管的电压控制和主开关管的电流控制,并对平坦输出量采用PI控制器进行误差反馈补偿。其次根据变换器的状态空间平均模型,对负载电流设计降维状态观测器,并将观测值作用于平坦系统,以提升系统暂态性能。最后搭建了实验平台进行验证,结果表明,所提控制具有更快的暂态响应速度,同时有效减小了交叉影响。

单相并网逆变器微分平坦-准比例谐振控制

针对单相并网逆变器并网时传统控制存在的动态响应能力不佳、鲁棒性能较差的问题,提出一种基于直接功率控制的新型控制策略——微分平坦-准比例谐振控制,在提高系统动态性和鲁棒性的同时能提高并网电流质量.根据单相逆变器拓扑结构,采用二阶广义积分器(second-order generalized-integrator,SOGI)构造虚拟量,建立dq坐标系下的数学模型,并根据微分平坦理论验证系统的平坦性;设计包括基于微分平坦理论的前馈控制和误差反馈补偿准比例谐振控制的电流内环控制器,以及功率外环微分平坦控制器;在MATLAB/Simulink中搭建系统仿真模型.仿真结果表明:在给定有功功率与电网电压突变工况下,该控制策略具有优越性和有效性,可在提高系统动态性和鲁棒性的同时降低并网电流谐波含量.

Y型模块化多电平换流器电流的微分平坦控制策略研究

Y型模块化多电平换流器(Y-type modular multilevel converter, Y-MMC)为一种具备大功率、低成本、高电压特性的三相交流-交流变换器,能够适用于海上风电领域。目前Y-MMC低频侧及工频侧电流一般均采用PI控制,而PI控制用于Y-MMC这种非线性复杂对象的控制效果并不理想。为此,提出了Y-MMC低频侧及工频侧电流的微分平坦控制策略来解决此问题。首先根据Y-MMC的拓扑结构,推导出其解耦模型;然后,推导正、负序微分平坦控制的数学表达式,并利用Lyapunov理论证明其全局渐进稳定性;最后,在Matlab/Simulink仿真平台上和在RT-LAB半物理平台上进行仿真和实验验证,结果表明所提微分平坦控制方法的正确性和有效性。

基于微分平坦的磁悬浮移动平台控制研究

由于磁悬浮移动平台具有强非线性,目前各类智能算法只能对磁悬浮移动平台进行定位移动,并不能使磁悬浮移动平台的动子沿着期望轨迹到达预定位置。为了解决磁悬浮移动平台动子的轨迹跟踪及其精准性等问题,将微分平坦理论与磁悬浮移动平台控制相结合。磁悬浮移动平台系统是微分平坦系统,而微分平坦理论具有特殊性,可以将强非线性系统转化为线性系统后进行控制。搭建磁悬浮移动平台的数学模型,在MATLAB/Simulink中进行仿真。结果表明:微分平坦控制的磁悬浮移动平台能够使其动子按照期望轨迹进行运动,且精度更高、跟踪性更强,具有实用性。

基于微分平坦理论的模块化多电平换流器控制器设计

简述了微分平坦理论的基本概念,根据其定义选取2组系统输出量,并证明了选取的2组输出量能使模块化多电平换流器满足微分平坦条件,因此,可采用微分平坦理论指导换流器控制器设计。根据微分平坦理论设计了相应控制器,其过程包括平坦输出参考轨迹生成和控制器实现。参考轨迹生成是根据系统期望输出在空间规划状态变量参考轨迹,控制器实现则根据系统输入方程产生期望前馈输入控制量。为消除换流器模型不确定性和内外部扰动等因素的影响,使用误差反馈补偿校正系统平坦输出,快速地跟踪参考轨迹。仿真结果验证了该控制系统设计的有效性。

基于微分平坦的高超声速滑翔飞行器轨迹规划

针对高超声速滑翔飞行器再入轨迹规划问题,提出了一种基于微分平坦理论的三自由度轨迹生成方法。在分析纵向运动简化模型的微分平坦属性基础上,将纵向参考轨迹规划问题映射到平坦输出空间,消除微分动力学约束的同时降低系统设计的维数,进而提高求解效率;采用全局插值多项式参数化平坦输出函数,将问题转换为非线性规划问题求解;设计比例-微分反馈控制律跟踪纵向参考轨迹,同时采用航向角误差走廊控制侧向运动,实现三自由度轨迹生成。仿真分析表明所提出的方法能够较快生成满足多种约束且性能优化的飞行轨迹。

基于微分平坦方法的三维制导律设计

针对强耦合条件下的三维制导问题提出了一种新的设计框架。滚动引起的俯仰、偏航通道之间的强耦合关系,使得双通道解耦的三维制导律设计困难,使用微分平坦方法可以克服这一困难。首先使用矢量建立了导弹的一般运动学描述,并由此证明导弹制导系统是微分平坦的。依据系统的平坦输出设计比例-微分(PD)控制律可以实现目标静止或机动时的制导。进一步,通过对PD参数的适当约束可以实现任意落角及任意入射方位角的制导。仿真结果验证了该设计的优点。

微分平坦理论及其在自动发电控制中的应用

微分平坦理论的非线性控制策略能够完整地描述系统的状态轨迹,提供良好的系统动态特性。为此,对微分平坦理论的基本概念、研究现状、控制系统实现方式进行了详细描述,并从微分平坦系统的构造、基于轨迹生成和轨迹跟踪的微分平坦系统设计实现及自动发电系统微分平坦控制架构几方面阐述了其在自动发电控制AGC(automatic generation control)中的应用。研究表明,基于微分平坦理论的AGC控制策略是有效的、适用的,相比于传统的AGC控制策略,其从系统的全局优化角度出发,能够显著提高电网新能源消纳能力,有效保证系统的频率质量。

多约束条件下空间飞行器姿态机动规划的微分平坦方法

考虑执行机构性能、传感器空间指向等复杂约束,研究了空间飞行器姿态机动的路径规划问题.建立了姿态机动路径规划模型,并通过使用微分平坦理论将其映射到平坦输出空间,消除微分方程约束的同时降低设计空间维数;给出了平坦输出参数化描述的伪谱法,并运用共形映射、重心插值等技术改善了微分矩阵的病态特性,提高了路径规划的精度.仿真表明:该方法能够较快规划出满足约束的姿态机动路径,对工程应用具有一定参考价值.

三相并网逆变器微分平坦控制策略

对并网逆变器的控制传统方式通常将非线性系统线性化后设计控制器,根据微分平坦理论直接对并网逆变器设计非线性控制器。首先建立了并网逆变器的数学模型,根据微分平坦理论基本定义证明了并网逆变器具有平坦性,并设计相应的控制器。控制器主要分为两部分:参考轨迹生成和轨迹实现,轨迹生成是指在选取合适系统平坦输出量在空间规划状态变量的参考轨迹,轨迹实现部分则利用前馈参考轨迹和反馈误差补偿量根据系统状态方程生成并网逆变器的输入控制量,同时前馈量处于控制系统的主导地位使得整个系统的动态性能得到提高。最后通过搭建仿真模型验证了文中提出的控制策略的有效性。

基于微分平坦理论模块化多电平换流器环流抑制控制方法

针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Convert,MMC)三相桥臂相间环流问题,基于微分平坦理论推导出一种环流抑制控制模型。通过分析MMC相间环流的产生本质,根据微分平坦理论的定义,选取系统的输入,输出和中间量,证明了设计出的环流抑制控制器满足微分平坦理论的条件。基于该理论设计的环流抑制控制器,能够大大降低桥臂电流中的环流分量,使其更接近正弦波。最后通过Matlab/Simulink搭建了相应的MMC仿真模型,在未影响MMC外部电压电流的情况下,仿真结果证明了该环流抑制控制模型的有效性,为环流抑制控制器的设计提供了一种新的思路。

基于微分平坦理论的MMC-RPC控制器设计

为提高MMC-RPC的抗扰动性能并达到更为精确的控制效果,对采用模块化多电平换流器(MMC)的铁路功率调节器(RPC)建立了动态数学模型,在简要介绍微分平坦控制理论(FBC)的基础上于MMC-RPC的动态数学模型中选取了2组输出量,使MMC-RPC满足微分平坦系统的条件。由微分平坦理论设计了MMC-RPC的控制器,其结构包含前馈控制与误差补偿2个环节;控制器采用串级连接,由外环产生平坦输出的参考轨迹,内环产生MMC期望输出的d、q轴电压分量。最后在3种工况下分别对串级FBC控制的MMC-RPC与串级PI控制的MMC-RPC进行仿真,仿真结果验证了FBC控制系统的有效性与优越性。

基于微分平坦理论的单相PWM整流器直接功率控制

在αβ坐标系下建立了单相PWM整流器交流侧电压和功率的数学模型。根据微分平坦理论,选取了系统的状态变量、输出量和中间变量,提出了单相PWM整流器直接功率平坦控制策略。依据微分平坦设计的控制器分为前馈控制和非线性误差反馈补偿两部分。前馈控制用系统输出量的期望值来规划状态变量的运行轨迹;非线性误差反馈补偿校正控制系统平坦输出,消除了输出量期望值和实际值误差。仿真结果表明,在系统网侧电压的幅值和相位突变时,直流侧电压能保持较好的稳定性,且直流电压跟随有功功率和无功功率参考值的轨迹能快速作出响应,系统抗干扰能力强、鲁棒性好。