融合前馈及状态反馈的智能汽车模型预测控制

针对具有动力学约束的智能汽车路径精确跟踪问题,提出了一种融合前馈及状态反馈的模型预测控制(model predictive control,MPC)方法.首先,根据车辆二自由度模型建立MPC路径跟踪基础模型,然后考虑基础模型中道路曲率变化对系统产生的已建模稳态扰动,设计前馈控制器(feed-forward control,FFC)进行消除;并进一步采用比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制器进行系统误差状态反馈调节;最终形成融合前馈及状态反馈转角输入的模型预测最优调节控制律(MPC-FF-PID).最后基于MATLAB/Simulink和Carsim平台证实所提算法的有效性,并基于智能驾驶实车平台在园区低速场景下进行实车测试,最大横向和航向误差分别为0.128 7 m和0.063 9 rad,表明本文算法具备更高的跟踪精度及安全性.

基于迟滞补偿模型的电液执行机构压力控制研究

为了提高电液执行机构压力控制系统的准确性,提出了一种基于迟滞补偿模型的电液执行机构压力前馈-反馈控制方法。通过研究电液执行机构的液压装置结构,建立电液阀系统迟滞补偿的数学模型。通过分析电液阀系统在稳态时收敛的参考曲线,建立输入电流和输出压力之间的关系表达式。设计了电液执行机构压力信号的前馈-反馈控制方法,利用反馈控制补偿由模型误差和不确定性引起的前馈误差,通过基于滞后模型的前馈控制和附加反馈控制获得所需的性能。利用数学软件Matlab对电液执行机构压力信号的跟踪误差进行仿真,对比和分析不同控制方法在不同环境中的输出效果。结果显示:在无外界波形干扰情况下,采用前馈和前馈-反馈控制方法,这2种控制方法均能较好地完成电液执行机构压力信号的跟踪任务。在有外界波形干扰情况下,采用前馈-反馈控制方法明显优于前馈控制方法,电液执行机构压力信号跟踪精度较高。所提出的前馈-反馈控制方法,对电液执行机构压力信号具有较好的控制效果。

基于模型预测前馈-反馈控制的斗轮机上煤系统的优化

利用电厂悬臂式斗轮机循环往复式回转取煤过程中存在重复性的特点,记录前一回转周期取煤过程中的瞬时流量、悬臂回转速度和回转角度等数据,作为当前回转周期取煤时的煤层模型预测依据并进行前馈控制,以克服大迟延环节的影响;同时针对煤层模型预测不能准确预知当前取煤过程中突发的扰动,引入反馈系统进行控制,以解决煤层塌方等引起超载的问题.多次现场运行数据分析的结果表明,与原来的上煤系统相比,采用本方法的上煤流量更均匀,上煤效率更高.

磁流变阻尼器无模型前馈/反馈复合控制

为了实现磁流变(MR)阻尼器高可靠性和高精度的阻尼力跟踪控制,克服基于逆向动力学模型的前馈控制易受模型误差和外界干扰影响的问题,提出结构简单、实现容易的无模型前馈/反馈复合控制(MFFFFBC)方法.利用磁流变液减振器阻尼力连续可调的特点,将磁流变阻尼器控制器前一时刻的控制量进行采样保持作为前馈控制器,以避免建立复杂的磁流变阻尼器逆向动力学模型.利用期望阻尼力与实际阻尼力之间的跟踪误差信号构建反馈控制器对前馈控制量进行实时修正,利用饱和函数对控制电压进行限幅,以避免控制电压高频振荡.试验结果表明,在MFFFFBC控制下输出电压连续光滑变化,与经典的基于Heaviside阶跃函数的控制相比,采用本研究所提出的控制策略,黏性阻尼力和摩擦阻尼力的跟踪误差分别减小了21.98%和26.64%.

基于自校正水泵模型的空调系统冷水泵压差前馈-反馈控制方法

在空调冷水系统运行过程中,冷水泵的运行频率需要根据实时系统工况进行调节。传统本地控制器一般使用PID反馈控制算法,基于被控变量(压差/温差)与设定值之间的偏差来调整水泵的运行频率。然而该算法的控制质量受PID参数整定准确性的影响较大。为解决该问题,提出了一种基于自校正水泵模型的空调系统冷水泵压差前馈-反馈控制方法。在被控变量和设定值出现较大偏差时,该方法可利用自校正的水泵扬程曲线与相似律快速计算出水泵应被调整至多大频率。使用某地铁站空调系统的实际运行数据作为模拟输入,对该控制方法下水泵的运行情况进行了模拟。结果显示,该方法的控制精度与基于单神经元的自适应增量式PID反馈控制基本一致,但该方法可简化对参数的整定工作,减少控制质量对参数整定的依赖。

融合预瞄特性的智能电动汽车稳定性模型预测控制研究

提出了一种融合预瞄特性的智能电动汽车稳定性前馈+反馈控制方法。建立车辆预瞄模型,通过汽车在环境感知时的前视行为,引入道路曲率作为车辆动力学特性的影响因素。基于在前视信息指导下的车辆位姿变化,根据道路附着能力和车速指数模型描述期望纵向车速,建立轮胎侧偏刚度补偿的稳定性前馈控制方法。同时,采用模型预测控制(MPC)设计稳定性反馈控制律,根据车辆的预瞄信息自适应调整预测模型参数和预测时间,消除前馈控制误差及路面扰动等不确定性因素带来的影响。研究结果表明,本文提出的控制策略下汽车质心侧偏角、横摆角速度和侧向加速度小,且跟踪精度更高。仿真试验中,相比于无控制、MPC反馈控制与前馈+定参数MPC反馈控制,本文提出的控制策略在双移线工况1下质心侧偏角峰值分别减小了41.3%、28.9%和10.0%,横摆角速度峰值分别减小了18.0%、6.7%和2.0%,双移线工况2下质心侧偏角峰值分别减小了27.2%、8.7%和8.0%,横摆角速度峰值分别减小了16.9%、12.9%和8.6%;相比于MPC反馈控制与前馈+定参数MPC反馈控制,在蛇行工况1下,质心侧偏角峰值分别减小了49.8%与34.8%,横摆角速度峰值分别减小了21.8%与12.7%;在蛇行工况2下,质心侧偏角峰值分别减小了36.6%和18.6%,横摆角速度峰值分别减小了17.7%和12.4%。

微型货车高速转弯的改进模型预测防侧翻控制

为解决高速转向过程中,微型货车容易侧翻的问题,提出一种前馈反馈-史密斯预估-模型预测控制结合差动制动的防侧翻控制方法。首先建立三自由度车辆模型,得到纵向速度、横摆角速度、簧载滚转角的实际值,并与Carsim得到的理论值相减得到状态偏差,接着以车辆的归一化的零力矩点横向偏移为预警指标,设计模型预测控制(model predictive control,MPC)控制器计算附加横摆力矩,通过差动制动方法分配制动力矩,最终实现车辆防侧翻。通过Carsim和MATLAB/Simulink联合仿真,进行车辆转弯运动实验。实验结果表明,该控制方法可以有效提升微型货车在高速转向过程的稳定性,提高微型货车的安全性。

基于稳定逆的直流炉机组协调控制系统前馈-反馈控制

为改善协调控制系统在机组运行过程中的控制效果,提出了基于直流炉机组非线性模型的前馈-反馈控制方法:首先通过合理简化,建立具有一定精度且适用于控制器设计的非线性模型,再引入稳定逆理论,求取该模型的稳定逆解,利用逆系统前馈控制使得机组输出迅速达到设定值附近,最后设计具有多个输出变量的反馈控制器,以消除外界扰动引起的跟踪误差.在不同的静态工作点下完成状态扰动与设定值扰动的仿真实验,并与基于状态反馈线性化的非线性内模结构的控制效果进行了对比.结果表明:基于稳定逆的前馈-反馈控制具有良好的设定值跟随能力.

前置反硝化的碳源投加前馈—反馈控制器

为了实现对外投碳源量的在线控制,通过ASM1模型的推导建立了外碳源投加的前馈—反馈(feedforward-feedback)控制器,模拟表明该控制器可在大大降低出水硝酸盐氮和总氮浓度的同时尽可能地降低外碳源投量。

自来水厂出水浊度的前馈反馈智能控制

针对国内大多数水厂都是手动控制加药,对水量大幅度变化或者遇到暴雨天气使得浊度变化剧烈时难以准确控制投药量的问题,提出了采用无模型控制器的前馈-反馈方案来对水厂投药过程进行控制。它针对上述问题进行有效的控制,达到对原水浊度剧烈变化时能实时且有效控制出水浊度,使出水达到工业标准并能节约成本。无模型控制器实时控制能保证加药量既不会浪费也能控制水质到水厂规定的浊度值,其良好的鲁棒性及快速性,表明了其在水厂智能加药控制过程中的可行性。

基于神经模糊系统的自适应前馈-反馈控制系统设计

在前馈控制器设计思想的启发下,提出了一种基于神经模糊系统的自适应前馈-反馈控制系统。该控制系统首先把非线性过程近似为一个线性的ARX模型和一个基于神经模糊系统的线性化误差模型(FNNM)组成的合成模型,把线性化误差模型的输出看作可测量的"扰动",然后再引入前馈控制器,利用被控制过程的输入、误差模型的输出、线性ARX模型输出和系统输出值之间的误差以及被控制过程的合成模型的梯度信息对控制器参数进行在线调节,从而获得较好的控制结果。将提出的基于线性化误差模型的自适应控制系统用于简单不可逆放热反应的连续搅拌型化学反应器CSTR中,并与传统的PID控制器进行比较。仿真结果表明:这种基于神经模糊系统的自适应前馈-反馈控制器和PID控制器相比,能得到更快、更好的控制效果。

水下编队航行机器人的前馈加反馈控制器设计

介绍了一种能够实现水下机器人编队的分布式控制方法。在基于跟随机和领航机间的相对运动模型上,首先设计了前馈控制器及其内部模型以补偿视为外部信号的领航机信息,然后利用反推法设计了反馈镇定控制器,同时还设计了能够观测所有误差信号的状态观测器以实现反馈控制。算例仿真表明了应用设计的编队控制律,各个水下机器人能够较快地形成希望的编队,并按希望编队队形稳定航行,仿真结果验证了此种控制方法的有效性。

带有迭代学习外环的快速路入口匝道无模型自适应预测控制

针对快速路交通系统复杂时变以及难以建模的特点,首先,本文设计了基于无模型自适应预测控制的快速路入口匝道控制方案.其次,根据快速路交通系统具有重复性特点,本文在无模型自适应预测控制方法的基础上引入开环迭代学习控制,提出一种带有迭代学习前馈外环的无模型自适应入口匝道预测控制方案.相比无模型自适应预测控制方案,该方案可以利用迭代学习前馈控制器补偿系统可重复扰动,实现系统的完全跟踪.值得说明的是,预测控制器和学习控制器可以独立工作也可以联合工作.最后,文章给出了控制方案的收敛性分析,并通过交通流仿真验证了所提控制方案的有效性.

双控制方式下带缆水下机器人轨迹跟踪与水动力响应分析

本文首先根据已有的脐带缆运动控制方程,通过引入与工作船和水下机器人连接点处边界条件和速度耦合关系,与水下机器人运动方程一同构成完整的水动力数学模型;其次提出收放脐带缆的前馈-反馈控制方法和调节螺旋桨转速的增量式PID(Proportion Integration Differentiation)算法,建立完整的带缆水下机器人系统水动力与控制模型;最后对所提出的模型进行数值模拟实验验证与运动控制操纵下的水动力分析。数值计算结果表明:本文所提出的带缆水下机器人系统水动力与控制模型是有效可靠的,垂向运动控制过程中,水下机器人纵摇角、横摇角和沉深的模拟值与实验值最大误差分别为2°、1°和-50 mm;对于PID算法,调节螺旋桨转速控制水下机器人对给定位置信息的跟踪响应效果,模拟值与实验值相差均不大;轨迹跟踪模拟计算沿水平(X轴)方向和竖直(Z轴)方向最大相对误差分别为10%和15%;水下机器人竖向(沿Z轴)运动主要由调节脐带缆长度的前馈-反馈策略决定,沿水平(X轴)方向的运动主要由调节螺旋桨转速的PID算法控制;机器人水动力载荷受其周围流场变化的影响,而流场的变化主要由机器人运动速度的改变和螺旋桨转速变化二者共同决定。

热连轧层流冷却系统的控制模型及控制策略

主要介绍了热轧带钢层冷系统中的控制模型及控制策略 ,包括液位控制、目标卷取温度的前馈控制和带有 Smith预估器反馈控制等。其中通过液位控制可以得到稳定的液位 ,这对保持集管流量的稳定和上位机预设定的精度都是非常重要的。卷取温度的前馈控制和反馈控制对卷取温度控制精度的提高是必不可少的手段。这些控制模型和控制策略已经在工厂中得到应用 ,并且取得了很好的控制效果 。

前馈控制技术在暖通空调领域的研究应用综述

回顾了前馈控制技术在暖通空调领域近年来的发展历程,介绍了前馈控制技术在供热节能、空调系统优化控制、建筑室内热环境等领域的研究与应用。针对空调系统优化控制领域中建模方法、负荷预测、前馈控制器等前馈控制的技术要点做了详细阐述,并对基于数据挖掘的前馈控制技术发展方向和应用前景进行展望。

压电微夹钳的位移自感知反馈复合控制

采用自感知方法获取压电微夹钳钳指位移,构成自感知反馈复合控制系统。根据反映钳指位移、表面电荷、夹持力、驱动电压之间关系的压电悬臂梁Smits方程,提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;引入死区算子对传统PI模型进行改进,建立了压电微夹钳钳指位移的迟滞模型;以对偏差的抛物线积分、对输出的先行微分分别代替常规PID控制器中的积分项和微分项,设计出了压电微夹钳的改进PID反馈控制器;将前馈控制器与PID反馈控制器相结合,并采用自感知反馈方式,设计出了压电微夹钳的闭环控制系统。实验结果表明：在自感知反馈复合控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.24 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.7μm的变幅值三角波参考位移以及最大位移为14.1μm的任意波形参考位移作用下,压电微夹钳的自感知反馈复合控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.02-0.04μm之间变化。自感知反馈控制的实验结果与传感器反馈控制基本相同,从而表明压电微夹钳的自感知反馈控制是有效的。

无模型自适应控制器在自来水厂加药凝絮过程的控制研究

针对净水工艺中混凝投药控制存在的实际问题,以待滤水浊度为被控对象,采用无模型自适应控制技术(MFA)并设计前馈-反馈复合控制系统来实施控制。该控制系统克服了混凝投药过程的大时滞、大惯性,具有较好的稳定性和鲁棒性。广东省佛山沙口水厂中试基地的控制试验研究表明,该解决方案可行,控制效果良好,有较明显的应用价值。

石化流程的安全控制模型研究

根据前馈式、反馈式和连续式安全控制的特点建立了石化流程安全控制模型和信号流图， 运用Ｍａｓｏｎ 公式求出了安全控制模型的解并对其进行了实例分析。认为实现石化流程安全运行的重点在于配备可靠的紧急停车系统、有效控制事故的初发隐患、提高系统危险辩识的可靠性。

基于系统模型的快速退火炉温度控制器设计

提出了一种基于系统模型的快速退火炉温度控制方法。首先采用分段线性化方法和系统辨识方法获得精确的快速退火炉系统模型;然后将该系统模型作为温度控制器的前馈控制,用来提前预测控制输出,提高系统的响应速度,并在此基础上增加反馈控制通道,用来修正模型误差和外界干扰。最后,将此温度控制器应用在我们自主研发的快速退火炉系统上,实验验证了此温度控制器的有效性。