自适应事件触发抗饱和补偿控制

针对输入饱和特性降低系统性能的问题,采用抗饱和补偿器改善系统性能。为了节约网络通信资源,建立了一种新颖的含有时变参数的自适应事件触发机制,该自适应事件触发机制可用于系统状态不可直接测得的情况,且相比于具有固定参数的相关型事件触发条件,可以节约更多的网络通信资源。建立了一个新的包含阈值函数变化率与指数项的Lyapunov函数,采用Lyapunov稳定性分析方法,给出了饱和系统渐近稳定的充分条件。通过构造优化问题实现了饱和系统的最大吸引域估计;通过计算最小事件触发时刻间隔排除了Zeno现象;通过仿真算例验证了理论结果的有效性。

基于死区和抗饱和补偿的线控制动系统非线性压力控制研究

线控制动系统通过机电执行器将所需的制动扭矩施加到车轮上,对车辆的电气化和轻量化有着重要意义。由于系统存在非线性死区效应以及输入饱和问题,导致闭环系统性能降低。针对线控制动系统的控制问题,本文采用基于死区和抗饱和补偿的PID控制器实现线控制动系统的有效控制,并对控制效果进行仿真验证;优化控制模型,建立了线控制动系统数学模型;在传统PID控制器的基础上,添加了死区和抗饱和补偿;采用数学软件Matlab对线控制动系统进行仿真,同时与传统PID控制器的计算结果进行对比和分析。仿真结果显示:采用添加了死区和抗饱和补偿的PID控制器响应延迟减少约50%,无过冲,跟踪性能明显提高,同时大大减小了获得所需压力的控制量,制动效果显著提高。

模糊抗饱和补偿器的设计及应用

针对采用固定反馈系数的传统抗饱和补偿器难以有效补偿强非线性系统的问题,提出了一种基于模糊思想的抗饱和补偿器。采用基于条件积分法和反计算法的混合补偿方式,对反计算法中所需的补偿系数进行模糊整定,在此基础上,采用硬件描述语言描述该补偿器的逻辑算法,对算法中的乘、除运算进行优化,并移植到现场可编程门阵列器件中来完成硬件的实现。实验表明,所设计的新型补偿器在直驱式转阀的控制中能够有效地提高控制精度并减少占用资源,阀芯阶跃响应的最大超调量小于3%,需要的等效逻辑门数比未优化前减少了约41%,从而证实了模糊抗饱和补偿器的可行性。

共轴八旋翼无人飞行器的偏航静态抗饱和补偿控制

设计了一种共轴八旋翼无人飞行器,与四旋翼飞行器相比,其具有更大的驱动能力、更强的带载能力和一定的冗余能力.首先,建立了飞行器的动力学模型.针对共轴八旋翼飞行器偏航运动能力比俯仰、滚转运动能力弱,偏航容易出现执行器饱和现象的问题,从实际工程出发提出了基于线性自抗扰控制器的静态抗饱和补偿器.线性自抗扰算法易于工程调节,能够实时估计与补偿外界扰动.静态抗饱和补偿器不增加系统阶次,有效抑制偏航执行器饱和.利用李亚普诺夫稳定理论证明了基于线性自抗扰控制器的静态抗饱和偏航控制系统的稳定性.最后,通过共轴八旋翼飞行器的仿真实验与原型机比较实验验证了算法的有效性与鲁棒性.原型机实验结果表明:在室内固定干扰下,执行器退出饱和的最长时间约为4 s,偏航角误差收敛到±0.085 rad;在室外变干扰下,执行器退出饱和的最长时间约为9 s,偏航角误差收敛到±0.127 rad.基于线性自抗扰控制器的静态抗饱和补偿器在外界干扰情况下能够有效地抑制执行器饱和,具有良好的偏航控制性能与强鲁棒性.

输入饱和的永磁同步风力发电机有限时间滑模控制

针对永磁同步风力发电机在传统控制方法下存在的控制精度低、抗干扰性能差以及在风能捕获过程由风速快速变化引起较大的控制输入量从而产生饱和约束等问题,基于输入输出反馈线性化(IOFL)方法,结合有限时间(FT)理论与滑模控制(SMC)为输入饱和的PMSG设计一种有限时间滑模控制器(FT-SMC)。首先,引入IOFL来提高系统控制精度,在其基础上设计FT-SMC来增强系统的鲁棒性能;然后,在FT-SMC中引入抗饱和补偿器(ATC)解决系统中输入饱和引起的控制稳定性问题;然后,利用Lyapunov稳定性理论分析闭环系统的稳定性,保证系统在有限时间内能够快速跟踪且稳定运行。最后,在Matlab/Simulink仿真实验和半实物仿真平台上进一步验证所设计控制器的有效性和对系统转速的跟踪性能,实验结果表明FT-SMC具有控制精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。

一类具有执行器饱和的非线性系统抗饱和方法研究

针对一类具有执行器饱和的非线性控制系统,提出了一种双环路的动态抗饱和补偿方案,为执行器输出受限的非线性系统提供了新思路.与现有结果相比,所提方案能更好地改善闭环系统控制性能.考虑执行器饱和约束,通过优化执行器饱和发生前后控制器的状态误差的积分性能指标,综合设计一类同时包含传统抗饱和及延迟抗饱和补偿器两个环路的改进抗饱和补偿器,这类补偿器有效地抑制了饱和现象对控制器的影响,从而降低了执行器饱和对控制系统性能的影响.当系统存在高饱和度现象时,利用该双环路抗饱和补偿器,可以最大程度弱化饱和对系统性能的影响.最后,利用输入状态稳定(Input state stability,ISS)定理分析和证明了该闭环系统全局一致有界稳定.并通过舵机执行器受约束的舵减横摇系统的仿真试验,验证了该方案的有效性及优越性.

高超声速再入飞行器抗饱和控制系统设计

针对高超声速再入飞行器纵向静不稳定模型,在考虑气动执行机构饱和非线性特性的情况下,研究了一种基于补偿方案的抗饱和控制系统设计方法。该方法把系统输入饱和特性视为不确定性,采用H∞回路成形技术设计了标称控制器;然后针对标称控制器与被控对象所组成的闭环系统进行补偿器设计;最后基于高超声速再入飞行器纵向静不稳定模型验证了该补偿方案的有效性。

抗控制饱和的鲁棒非线性飞行控制方法

飞行器在大包线范围内作机动飞行时,其舵面和发动机易达到饱和,该现象不仅会对闭环系统的稳定性造成影响,而且会大大缩短发动机等关键部件的使用寿命。针对该问题,设计了一种抗饱和非线性飞行控制方法。首先,建立飞行器的严格反馈非线性模型。然后,采用自适应反步设计思想设计得到舵控和发动机转速控制指令,由径向基函数(RBF)网络对建模误差进行逼近。针对控制饱和问题,分别设计了相应的抗饱和动态补偿系统。通过建立闭环控制系统的李雅普诺夫函数,由稳定性理论确定得到RBF网络的更新权值和抗饱和动态补偿系统的结构参数,确保所设计的闭环控制系统全局稳定。最后,仿真结果表明,在出现控制饱和时,抗饱和动态补偿系统可对控制指令进行实时修正,帮助系统较快脱离饱和状态,系统饱和时间缩短了30%~60%,同时具有较高的指令跟踪精度。

船舶航向保持静态抗饱和控制

针对船舶航向保持时,由于舵机速率与幅值饱和,导致闭环系统性能下降,甚至不稳定问题,提出了静态抗饱和控制算法。首先用线性系统理论求出的静态无约束控制规律,在控制器中加入幅度与速率饱和模型,再以最小化扰动到被调输出的非线性L2增益为目标,使控制问题转化为具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,进而求出静态抗饱和补偿增益。设计的控制器简单,满足船舶航向控制精度和节约能源性能要求,解决了由于舵机速率饱和导致的闭环系统不稳定问题,最后通过仿真进行了验证。

高超声速飞行器LPV抗饱和模型参考控制器设计

当高超声速飞行器改变飞行状态时,若采用传统的状态反馈方法进行姿态控制系统设计,为保持系统稳定,需在不同的平衡点反复进行线性化计算,计算过程十分复杂。另外,在飞行器高速飞行的过程中存在输入约束,还需考虑执行器饱和的问题。针对以上问题,采用两步法进行控制系统的设计:首先,设计了基于线性变参数(LPV)系统的模型参考控制器,采用奇异值分解与线性矩阵不等式计算得到控制器系统矩阵与反馈增益,在飞行状态发生变化后,实现对指令信号的跟踪响应;然后,考虑到执行器饱和的情况,引入抗饱和补偿器,采用LQR最优控制理论计算补偿器增益,实现对控制输入限幅约束。通过仿真表明,设计的控制器超调量较小,调节时间较短,且有效地减小了控制器设计过程的计算量。

输入受限乘波体飞行器无估计预设性能控制

针对输入受限的乘波体飞行器跟踪控制问题,提出了一种无估计的预设性能控制方法。首先,针对可能发生的执行器饱和问题,设计了一种新型抗饱和补偿系统。然后,利用补偿系统状态构造新的预设性能转换误差,基于预设性能控制与反演控制的方法,为速度子系统与高度子系统设计了无需估计的低复杂度控制器。该设计方法的优越性在于无需状态估计与神经逼近,显著降低了控制的复杂度与计算量。基于Lyapunov稳定理论证明了所有转换误差与跟踪误差最终一致有界。最后,通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

考虑饱和影响的电力系统广域阻尼控制器设计

广域阻尼控制器是抑制电力系统区间低频振荡的一种有效方法,但实际系统中执行器一般存在饱和现象。为此提出一种抗饱和补偿器设计方法。首先通过引入饱和函数建立考虑执行器饱和的电力系统模型;其次采用现代抗饱和技术,分2步进行抗饱和补偿器设计。第一步不考虑饱和环节,采用鲁棒控制理论对闭环电力系统进行H∞控制器设计,以确保系统的稳定性;第二步针对饱和环节,基于Lyapunov稳定理论提出抗饱和补偿器设计方法,设计抗饱和补偿器进行补偿,以抑制执行器饱和对控制器性能的影响。最后,将该抗饱和控制器应用到2区4机电力系统模型。仿真结果表明,相比不考虑执行器饱和的线性控制器,根据所提方法设计的抗饱和补偿器可以有效抑制饱和环节对线性控制器性能的影响,能够显著提高电力系统对饱和的抑制能力。

具有输入约束和输出噪声的不确定系统级联线性自抗扰控制

针对一类具有输入约束和输出噪声的SISO(Single input single output)不确定非线性系统,提出了一种基于误差补偿和工程滤波的抗饱和级联线性自抗扰控制(Linear active disturbance rejection control,LADRC)方法.首先针对高频量测噪声,分析了线性扩张状态观测器(Linear extended state observer,LESO)对噪声的放大机理及其与观测器增益的定量关系,进而设计了一种基于工程滤波器的级联LADRC方法,在滤除噪声的同时有效补偿了因滤波所造成的输出幅值和相位损失,确保了闭环系统的跟踪精度.然后继续考虑输入饱和的问题,利用LADRC的实时估计/补偿能力,通过将饱和差值信号引入LESO,设计了一种基于误差补偿的抗饱和LADRC方法,有效减小了系统设计控制量,避免了系统长时间陷入饱和.通过实时仿真比较,验证了所提出方法的有效性.

无人机发射过程建模与控制方法研究

考虑火箭助推器的推力和螺旋桨发动机产生的反扭矩对起飞过程的影响,建立了无人机发射过程的非线性数学模型。针对无人机在火箭助推起飞过程中存在的安全隐患,在飞行控制律中设计了针对升降舵的抗饱和补偿器。利用线性矩阵不等式理论,分析了该补偿结构的闭环稳定性,并给出一种抗饱和补偿增益的计算方法。最后,通过对零长发射过程进行非线性模型数学仿真,验证了该补偿结构的有效性和可行性。

智能车辆自动超车系统的数据驱动路径跟踪约束控制

针对智能车辆自动超车系统,提出了一种新的数据驱动超车路径跟踪约束控制方案,系统控制方案的设计仅利用自动超车系统的输入/输出数据,并不包括车辆的模型信息,所以针对不同的车型均能够实现自动超车的数据驱动路径跟踪约束控制.在控制器的设计过程中,针对控制输入受变化范围和变化速率的限制,提出了一种新的动态抗饱和补偿器来解决饱和问题.最后给出了数据驱动约束控制与原型无模型自适应控制(model free adaptive control,MFAC)以及PID控制的仿真结果对比,结果表明,本文所提控制方案能够很好的完成自动超车过程的路径跟踪,且相比原型MFAC以及PID控制方案,本文方案具有更小的跟踪误差和更快的响应速度.

约束T-S模糊系统设计的模糊Lyapunov方法

通过引入模糊Lyapunov函数,研究一类执行器饱和的离散T-S模糊系统.对系统设计模糊抗积分饱和补偿器,得到系统稳定的充分条件,并扩大了系统的吸引域.这种方法避免了寻求一个满足系统所有模糊规则的公共正定矩阵P.最后,抗积分饱和补偿器增益通过迭代优化算法得到.

基于非线性干扰观测器的车轮滑移率跟踪控制

针对自动驾驶技术对强鲁棒性、高精度的车轮滑移率跟踪控制需求,提出一种基于非线性干扰观测器的车轮滑移率跟踪控制方法.首先,基于1/4车辆动力学模型建立车轮滑移率跟踪模型,并采用幂函数和线性函数相结合的方式设计非线性干扰观测器,估计和补偿车轮滑移率跟踪模型的复合干扰;然后,以抗饱和补偿系统和双曲正切函数为基础,设计车轮滑移率跟踪抗饱和控制律,抑制输入饱和效应对闭环系统稳定性的影响,以及避免闭环系统产生抖振;最后,基于车辆动力学仿真软件建立模型在环仿真系统来验证所提方法.仿真结果表明:该方法可以对任意目标车轮滑移率进行高精度的跟踪控制,满足自动驾驶技术对强鲁棒性、高精度的车轮滑移率跟踪控制的需求.