开绕组无刷双馈风力发电机直接功率控制容错策略

针对无刷双馈发电机提出了一种控制绕组采用开绕组拓扑(OW-BDFG)的馈电方案,将三相控制绕组两端打开分别连接变流器构成双两电平变流器(D-TLCs)馈电拓扑,对机侧变流器功率器件IGBT因故障切除后的容错控制策略进行深入分析,提出了功率偏差比较直接功率控制(PEC-DPC)的D-TLCs电压空间矢量优化方案。对比分析了8/4极25kW样机的仿真及实验结果,表明:当机侧变流器1个或2个IGBT被切除后,所提OW-BDFG的PEC-DPC仍可实现变速恒频、最大功率点跟踪及单位功率因数控制,进一步提高了该发电机系统的可靠性和鲁棒性。

断相故障下开绕组永磁同步电机模型预测控制容错控制策略研究

共直流母线型开绕组永磁同步电机系统由于双逆变器供电且存在零序回路,具有一定的容错能力,但控制中需考虑零序电流的影响。然而当永磁同步电机发生单相断相故障后,原电机模型不再适用,若继续沿用断相前控制策略,将导致电机转矩脉动变大、控制性能变差。该文根据开绕组永磁同步电机断相后的系统特性,重新设计坐标变换矩阵,得到新坐标变换下的dq轴电机数学模型。新的转矩方程表达简洁、转矩控制方便,同时新的电压方程也相互解耦,因此电流预测计算量小,且控制更加准确。为提高电流控制性能,断相前后均采用三矢量模型预测控制策略。考虑到断相后的基本电压矢量将发生变化,重新构建了断相系统拓扑下新的电压矢量平面并基于新的基本电压矢量计算电压矢量占空比。实验结果证明了所提方法的有效性和优越性。

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。

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。

柔性关节空间机械臂传感容错无模型自适应控制

针对传感信号畸变、丢失等故障状态严重影响空间机械臂控制系统性能的问题,提出基于空间机械臂运动传感器故障观测的无模型自适应容错控制方法。采用动态线性化和递推参数估计思想设计传感故障监测器,实现对传感畸变及数据丢失等故障的判定,并进行运动状态预测估计;建立包含跟踪误差变化率项的无模型自适应控制准则函数,有效惩罚由传感故障引起的参数估计突变问题;设计面向柔性关节空间机械臂的新型传感容错无模型自适应控制(SFT-MFAC)算法。仿真结果表明,在不同传感故障情况下,所提控制策略均能快速准确识别传感故障信息,避免系统瞬时发散,有效延长系统响应时间,增加控制系统的鲁棒性。

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。

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。

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。

具有功率调节和容错能力的风力机自适应控制

水平轴风力机面对高风速变化工况时,极易出现转子灾难性失控超速运行,此时风能转换效率低于预期值,同时恶劣的环境也对桨距角控制提出了容错要求。针对这些问题,提出一种具有功率调节和容错能力的风力机自适应约束控制方案,通过自适应约束的桨距角控制实现安全可靠的功率调节,并集成容错能力以补偿可能的故障影响。介绍水平轴风力机的数学模型和运行要求,分析基准的非线性自适应约束控制方案的设计过程,并在此基础上讨论具有未知控制增益、任意初始条件和存在故障影响下的设计方案,最后搭建MATLAB仿真模型对所提出的方案进行验证。仿真实验结果表明:所提方案可以提高风力机的功率调节效率,同时在不同工况和不同故障条件下均能将转子速度和发电功率控制在安全范围内。

动力学耦合分析下反应堆被动容错可靠性控制

反应堆长时间、高负荷的运转,使内部各设备出现不同程度磨损,易发生故障。由于反应堆变量复杂,导致其控制难度较大。为此,提出动力学耦合分析下反应堆被动容错可靠性控制方法。根据差分格式、因子分解理论求解反应堆相关变量,即密度、能量、位置及其运动方向等,按照燃料与冷却剂的温度、密度求解每个区域的截面,确定反应堆运行状态;运用事件触发机制设计反应堆被动容错控制程序,使用故障分布矩阵分析每个设备故障程度,检测出故障位置,通过控制率重组理念修改正常状态反馈回路增益,使修改后系统与正常系统性能一致。实验结果表明,所提方法故障检测结果与实际情况一致,且控制误差小,有效提升了反应堆被动容错控制的可靠性。

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。

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。

工业机器人变导纳自适应主动容错控制方法研究

针对受外界干扰、执行器故障及环境交互影响的工业机器人系统,提出一种位置控制为自抗扰的工业机器人变导纳自适应主动容错控制方法。首先,设计自抗扰控制器,在实现位置跟踪的同时消除外部干扰对执行器的影响。其次,为获得实际作业中除外部干扰的关节内部精确故障信息,在位置控制基础上引入自适应主动容错机制,对机器人的控制过程中出现的故障进行检测和补偿。最后,利用变导纳控制器,通过在线调整导纳参数实现对机器人的末端柔顺性能的优化,以提高机器人系统的稳定性。经过仿真验证所提方法能够有效提高工业机器人的容错能力和柔顺性,在机器人控制过程中具有良好的鲁棒性和可靠性,为工业机器人的智能化和自动化提供了新思路和方法。

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。

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.

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.

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。

具有飞行包线限制的飞翼无人机鲁棒自适应容错姿态控制

为实现复杂环境下飞翼无人机姿态的精确跟踪控制,考虑参数不确定性、外部扰动、执行器故障及飞行包线限制的影响,提出一种基于Nussbaum增益的鲁棒自适应容错控制方法。在受扰动的飞翼无人机姿态运动学与动力学模型基础上考虑执行器故障与系统不确定的影响,建立面向控制的姿态控制模型。通过引入时变障碍Lyapunov函数,在保证飞行包线限制的同时确保姿态跟踪误差的瞬态与稳态性能。通过自适应的有界估计与Nussbaum增益,补偿总的不确定项与执行器故障的影响。通过稳定性分析严格证明新提出的控制方法的可行性。仿真结果表明,新的控制方法能够确保飞行包线限制,同时保证预设的瞬态与稳态性能,实现飞翼无人机高精度的姿态跟踪控制。