基于ACPI的磁浮球系统控制方法

针对传统控制算法在解决磁浮球系统中存在高度非线性特性、参数摄动以及外部扰动的技术局限性问题,提出一种基于自耦PID(Auto-coupling PID, ACPID)控制理论的磁浮球系统控制方法。首先根据电磁力在平衡点附近进行1阶Taylor展开,结合电磁线圈的动态模型,形成以电压为控制输入的磁浮球位置动态系统。在磁浮球动力学模型的基础上,再将不确定高阶项、电磁线圈的未知电流动态以及外部未知有界扰动定义为总扰动,从而可将一个非线性不确定磁浮球系统映射为一个2阶线性扰动系统。其次,基于ACPID控制量纲匹配构造的误差函数,可将2阶线性扰动系统映射为1阶线性系统,进而构建一个在总扰动反相激励下的闭环受控误差系统,据此设计了基于速度因子的磁浮球位置通道控制器,建立磁浮球位置控制系统并进行鲁棒稳定性分析,理论证明了ACPI方法的有效性。最后与国外现有较为先进的控制方法进行对比仿真,分别进行了方波跟踪实验、正弦跟踪实验、抗扰动实验以及鲁棒性实验。与NTSMC+GPIO方法相比,在方波跟踪实验中ACPI控制系统的响应速度提升了50%,ITAE值降低了82%,RMSE值降低了22.4%,其他仿真实验下的控制性能也有明显的提升。研究结果表明,ACPI控制策略不仅可以实现在超调量较小的情况下具备较快的响应速度、较高的控制精度、较强的抗扰动能力以及较好的鲁棒性,而且控制器结构简单、计算量小,在磁浮球控制系统领域具有一定的应用前景。

运用改进磷虾群算法的自抗扰控制方法

为了提升自抗扰控制效果,提出了基于改进磷虾群算法的自抗扰控制方法.利用线性自抗扰控制技术,设计电力系统自抗扰控制器;利用扩张状态观测器估计系统总扰动,在系统控制量内加入前馈微分信号,通过该控制器的线性误差反馈律自抗扰控制电力系统,采用改进磷虾群算法优化该控制器的反馈比例增益与反馈微分增益,提升自抗扰控制效果.实验结果表明,在不同扰动时,应用本文方法自抗扰控制后,可有效降低电力系统稳态误差有效值与谐波畸变率.

执行器故障不确定系统的迭代学习容错控制

针对含有执行器故障的不确定连续系统,提出了一种基于扩张状态观测器的迭代学习容错控制方法。首先,将实际故障执行器和理想线性执行器之间的偏差合并到系统总扰动中,并利用扩张状态观测器在批次内快速估计和补偿总扰动,保证批次内广义去扰动态模型的不变性;然后,基于广义去扰动态模型设计PD型迭代学习控制律,使系统在批次方向获得满意的跟踪性能,并研究执行器故障情形迭代学习控制系统的收敛性;最后,通过一个二阶控制系统的仿真实验验证了所提控制方法的有效性。

非线性欠驱动不稳定系统的自耦PID控制方法

针对非线性欠驱动不稳定系统的控制问题,提出了一种基于自耦PID(auto-coupling proportional-integration-differential, ACPID)控制理论的虚拟全驱动控制方法.该方法将每个输入通道的已知或未知内部动态定义为一个总扰动,并在第一个输入通道引入相应的虚拟控制力,从而将非线性欠驱动不稳定系统等价映射为虚拟全驱动的线性扰动系统,并根据ACPID控制理论建立第一个输入通道的虚拟控制器,形成虚拟指令,再根据获得的虚拟指令与ACPID控制理论建立下一个输入通道的控制器,以实现非线性欠驱动不稳定系统的有效控制.仿真结果验证了本文控制理论方法的有效性,在非线性欠驱动不稳定系统控制领域有广泛的应用前景.

弱电网下改进LADRC抑制直驱风机次同步振荡研究

针对在弱电网下直驱风电机组引起的次同步振荡(subsynchronousoscillation,SSO)现象,提出基于一阶总扰动偏差控制的微分前馈线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection control,LADRC),采用全改进LADRC控制策略抑制SSO现象(“全”是指电压外环、电流内环以及PLL锁相环3个环节都采用相应的控制)。首先,建立直驱风电机组并网数学模型;其次,结合风电机组并网系统对改进LADRC控制器进行设计并对其进行特性分析,该控制器相较于传统LADRC,不仅减小系统的跟踪误差且抗干扰性能更强;最后,通过PSCAD/EMTDC仿真软件将本文策略与全PI、全传统LADRC进行仿真对比。结果表明:相较于全传统LADRC,本文方法在降低1.62%超调量的同时,缩短0.129 s系统调节时间,有效抑制SSO现象并且具有较好的适应性。

变电站巡检机器人预设性能反步自抗扰控制

为提升机器人在变电站巡检过程中在干扰情况下的控制效果,研究变电站巡检机器人预设性能反步自抗扰控制方法。该方法以机器人运动模型为基础,利用扩张状态观测器估计机器人运动状态后,确定巡检机器人的运动控制律;同时,完成预设性能函数和误差转换,获取转换后的无约束误差;在此基础上,将其和确定的控制律相结合,构建机器人速度和方位角的反步自抗扰控制器,完成机器人预设性能反步自抗扰控制。测试结果显示,该方法可精准估计机器人在滑动情况下产生的总扰动量,机器人的速度控制结果均在30 m/s~32 m/s范围内,方向角的控制结果均在15°~40°之间,有效控制机器人的力矩震荡现象,机器人在3个方向上的运动误差控制结果均在(-10 cm,10 cm)范围内,能够精准控制机器人按照预设巡检路径完成变电站巡检。

基于改进扩张状态观测器的并网逆变器控制

针对LCL型并网逆变器在dq轴坐标系下的电流控制需要复杂解耦过程的问题,提出一种基于改进降阶扩张状态观测器的电流控制方法。通过将dq轴分量的耦合作为总扰动中一部分,利用扩张状态观测器进行实时观测并补偿,避免了常规方法中复杂的解耦过程。提出的改进降阶方法相较于传统降阶方法不需要求得输出的微分,避免了高频噪声的引入。同时,为了改善电流跟踪的动态性能,引入了电网电压全状态前馈环节。最后通过仿真,验证了所提策略的可行性和有效性。

基于高阶干扰观测器的水下滑翔机迭代学习控制

水下滑翔机可作为移动平台搭载声学多普勒海流计AD2CP进行长航程大范围多尺度海流观测,其高精度的俯仰角控制是海流观测数据准确性的重要保证。模型的不确定性和复杂扰动为水下滑翔机精准俯仰角控制带来了困难。对此,提出一种结合干扰观测器和模型迭代学习律的二元通道控制方案。基于拉格朗日动力学原理建立了水下滑翔机可量测的标称模型,并将异于标称模型的信息(模型参数变化、不可量测模型信息、环境扰动等)视为“总扰动”。利用标称模型设计了模型迭代学习律,抑制滑翔机剖面轨迹运动相关周期性扰动。对于不可建模的非轨迹周期相关复杂干扰,设计了高阶干扰观测器进行高精度估计,并通过选择适当的补偿增益进行扰动前馈补偿。理论分析证明了所设计的模型迭代学习律和高阶干扰观测器的稳定性,仿真实验验证了该算法的有效性。

执行器故障不确定非线性系统的自抗扰控制

针对不确定非线性系统的执行器故障问题,提出一种基于扩张状态观测器的自抗扰控制方法。首先,将系统的内部扰动、外部扰动,以及实际故障执行器和理想线性执行器之间的偏差定义为总扰动,并利用扩张状态观测器进行实时估计和补偿,消除总扰动对系统输出的影响;然后,设计误差反馈控制律,使系统获得满意的跟踪性能;最后,两个二阶控制系统的仿真结果表明了所提控制方法的有效性。

基于模糊自适应的固态变压器逆变级改进LADRC控制

为提高固态变压器逆变级的性能,实现系统自动寻优,解决各种负载扰动时暂态稳定性问题,提出了一种基于线性扩张状态观测器LESO(linear extended state observer)估计误差补偿的改进二阶线性自抗扰单环控制策略,并引入模糊自适应与改进线性自抗扰中的状态误差反馈控制率结合,使用Lyapunov稳定性定义证明了系统的稳定性。最后,利用MATLAB/Simulink仿真平台对固态变压器逆变级进行建模,对文中提出的策略在各种工况下的控制性能进行了测试,验证了其正确性和参考价值。

船舶锚泊辅助动力定位的抗扰控制

针对锚泊辅助动力定位控制系统中的不确定性问题,考虑系统的计算延时,提出一种高阶线性扩张状态观测器(ESO)用来估计系统下一采样时刻的总扰动,并在闭环中将其实时补偿,这种方法控制参数少、简洁且易于工程实施。本文以一艘救助船为研究对象,仿真验证了所提算法不仅具有高的控制精度、快速响应能力、抗扰性能,还能减少执行机构的磨损;并进一步以一艘供给船验证了所提算法的鲁棒性。

铅冷快堆功率的线性自抗扰控制

快堆瞬发中子寿命短,缓发中子份额小,反应性扰动下反应堆周期较压水堆短,功率变化快,控制其功率的难度很大。因此,要求快堆的控制器具有较快的响应速度和控制精度。考虑到快堆功率控制的这些难点,本文基于线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control)理论设计了分别带有模型信息和不带模型信息的两个控制器。导出了用于自抗扰控制器设计的相对功率的二阶非线性模型和对应的线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer)。通过调试确定了线性扩张状态观测器带宽的值。最终仿真的结果表明,两个控制器都适用于铅冷快堆(Lead-cooledFast Reactor)的功率控制,均有较快的调节速度与精度,并且加入模型信息的线性自抗扰控制器拥有更准确的总扰动估计效果,优秀的控制性能以及更良好的抗扰效果。

大行程直线运动平台自抗扰控制

大行程直线运动平台是复杂的非线性时变系统,系统的不确定因素较多。针对平台运动过程中受到的内扰和外扰问题,采用线性自抗扰控制进行控制。建立系统的动力学模型,分析系统非线性的原因;将系统的速度、位移作为状态变量,设计一个线性自抗扰控制器。将异于积分标准性系统的部分视为系统的总扰动,并在控制器中进行补偿。在仿真与工程实验中,分别加载S形曲线、正弦曲线运动,并进行抗扰性实验,将实验结果与PID控制算法进行比较。实验结果表明:在外部条件相同的情况下,线性自抗扰控制器不仅响应速度快、精度高,并且具有较强的鲁棒性,具备较好的工程应用前景。

改进二阶LADRC的风电逆变器母线电压控制

风电并网逆变器系统具有非线性、强耦合、易受电网电压波动与非线性负载影响等特性,为取得满意的控制效果,电压外环由改进的线性自抗扰控制器LADRC(linear active disturbance rejection controller)控制.在传统扩张状态观测器ESO(extended state observer)中引入总扰动微分信号,通过观测总扰动的变化趋势,产生有效的早期修正信号,从而提高了ESO的动态扰动观测能力,通过频率响应特性分析,表明新型LADRC具有更好的抗扰性能.多工况下的仿真结果表明,与传统LADRC相比,该改进方法不仅响应速度快,而且具备良好的抗扰能力.

熔盐堆功率自抗扰控制方法研究

功率控制系统是反应堆的关键控制系统之一,对保证反应堆安全和稳定运行起着极其重要的作用。设计良好的熔盐堆功率控制器应具有及时的瞬态响应特性,需要简单可靠的控制方法以保证控制器的响应速度和安全性。本文基于线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)理论设计了应用于熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)的反应堆功率控制器,导出了用于自抗扰控制器设计的相对功率的二阶线性微分方程和对应的线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)。最终,通过仿真得到的结果表明:该控制器模型适用于熔盐堆功率的控制,具有较快的调节速度和精度,且对测量噪声不敏感,有良好的抗扰效果。

LC滤波型逆变器并网电压鲁棒预测控制

近年来,模型预测控制被广泛应用于两电平电压源逆变器以实现并网控制。然而,常规有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)存在参数失配时预测精度下降的问题。为此,提出一种适用于LC滤波型逆变器并网电压鲁棒预测控制的无参数FCS-MPC方法。首先分析了参数变化对常规LC滤波型逆变器并网电压预测控制的影响。然后基于超局部建模理论建立了LC滤波型并网逆变器的二阶超局部模型,并研究了2个集总扰动的计算方法。该计算方法省去了网侧电流传感器,节约了成本,并实现了无参数预测控制。实验结果表明,与常规FCS-MPC方法相比,在参数不匹配的情况下,所提无参数FCS-MPC方法仍能达到较好的模型预测控制性能,验证了所提方法的有效性。

基于自抗扰控制的四象限变流器过压抑制方法

动车组牵引变流器中间回路过压故障会加速支撑电容、IGBT等器件的老化,影响器件的使用寿命,严重时会导致IGBT器件击穿。为了减小负载突变对中间电压的冲击,本文提出了一种基于自抗扰控制的四象限过压抑制方法。首先,对单相四象限变流器进行数学建模,分析了负载突变对中间电压的影响及传统比例-积分(PI)控制器对于负载突变抑制能力不足的原因。然后采用自抗扰控制方法设计电压环,对系统总扰动进行实时估计并采取前馈补偿的方法,解决负载突变引起的过压问题。利用Matlab/Simulink软件对两种控制方法进行离线仿真对比,采用动车组牵引控制单元和dSPACE实时硬件系统进行两种控制方法的半实物硬件在环(HIL)实验验证工作。最后仿真和实验结果表明,自抗扰电压环控制器具有更强的鲁棒性,能有效地解决因负载突变导致的中间回路过压问题。

多关节深海潜水器纵垂面建模与俯仰控制

为实现深海纵向剖面探测,给出了一种多关节潜水器的设计方案,并对潜水器的纵垂面建模与俯仰姿态控制问题进行了研究。针对浮力和重力不平衡的情况,根据牛顿第二定律和力矩平衡原理建立了多关节潜水器在纵垂面上的运动学和动力学模型。考虑到多关节潜水器在纵倾运动控制过程中存在未知干扰和过驱动等问题,提出了一种线性二次型最优自抗扰控制方案。根据实验样机硬件设计要求,将关节摆动角度作为被控系统输入。将系统内力与外部扰动作为系统总扰动,采用线性扩张状态观测器对总扰动进行估计。针对系统过驱动问题,采用奇异值分解法求解控制系数矩阵的伪逆矩阵,实现总扰动补偿与输入合理分配。采用线性二次最优控制优化线性反馈控制增益,实现控制增益按照期望输入输出效果达到最优。在SIMULINK平台上,搭建模型仿真环境,在有、无输入扰动两种情况下,使用线性二次型最优自抗扰控制器实现俯仰控制仿真。结果表明,所设计的控制器具有低超调、抗干扰和精准度高的特性。

浅谈工程控制的信息问题

工程控制论(engineering cybernetics)研究的不仅仅是控制,更是信息与控制的交叉.信息与控制密切相关,包括信息的选择和提取,等等.从信息的角度思考控制可以开拓思路,重新梳理"反馈"和"扰动"等工程控制的基本概念,深刻理解前人的发明创造和学术思想.韩京清先生二十七年前在本刊开创性地提出,在控制器的设计中用局部的过程信息取代全局的模型信息,从而解除控制理论中对模型的依赖,为控制理论的发展开辟了新的方向.工程实践表明,信息的选择和品质是关键问题,特别是扰动信息.以自抗扰控制为代表的二元设计,通过扰动概念的拓展和被控对象的去扰,为通用工业控制器的设计和标准化提供了新的路径,也为基于信息的工程控制论的发展提供了借鉴.从古代的指南车到现代的《工程控制论》和《自抗扰控制技术》,从人文到科技,从东方到西方,一个以信息为主线、以抗扰为核心的控制思想,不断地启发和鼓励我们:温故知新,自强不息.