含路面预瞄信息的车辆主动悬架有限频域多目标控制

提出了一种考虑路面预瞄信息的有限频域线性变参数控制器设计方法,并将其应用于时变速度下的车辆悬架多目标控制。在控制器设计中,首先,利用Padé近似的方法处理一定距离内的路面预瞄信息,将车辆悬架系统增广为含速度信息的状态空间方程。其次,采用多胞形结构描述车辆前进速度的时变性。考虑到人体对4~8 Hz范围内的振动加速度较为敏感,且路面干扰仅发生在有限频段内,传统的全频域H∞控制方法并不能取得最优性能。以车身垂直加速度的有限频域H∞范数为优化性能指标,使其在路面干扰下的能量增益在关心频段内达到最小,同时考虑相关的时域约束条件。最后,通过数值实例验证了所提方法的有效性,对比于传统的全频域方法及无路面预瞄的控制方法,该方法能在时域约束条件得到满足的同时,有效地提高车辆的舒适性。

含输入时滞的电动汽车悬架系统有限频域振动控制的研究

由于轮毂电机驱动的电动汽车的驱动系统安装在轮毂处,使得汽车悬架系统簧下质量增加,造成舒适性变差及电机轴承磨损严重等问题。基于上述现象,并综合考虑控制回路的输入时滞及参数摄动因素,研究了该类悬架系统的有限频域动态输出反馈振动控制策略。对比于传统的时滞全频域的H∞控制方法,该方法能在人体对振动较为敏感的频段内取得更好的干扰衰减,同时也能保证相关的时域硬约束。为了降低车身加速度在非簧载模态频率处的奇异值,并减少传递到电机轴承上的力,考虑将动力吸振器(DVA)安装在电机轴承座上。通过Lyapunov-Krasovskii泛函及广义KYP引理,以线性矩阵不等式的形式推导出基于动态输出反馈的控制准则。最后,通过一个数值实例验证该方法在频域及时域的有效性。

有限频域分析与设计的广义KYP引理方法综述

频域方法是控制理论与工程领域的一种基本研究手段,许多控制问题都可归结为有限频域性能指标的分析与综合问题.广义Kalman-Yakubovich-Popov(KYP)引理建立了频域方法 (传递函数)与时域方法 (状态空间)之间的一座桥梁,成为近年来系统与控制理论领域的研究热点之一.本文首先从信号和系统两个角度阐明有限频域分析与设计的背景和意义,并依次讨论三种主要研究方法 (经典控制理论方法、频率加权法和广义性能指标法)各自的优缺点.然后简单介绍广义KYP引理的主体内容,并详细总结当前基于广义KYP引理的有限频域分析与设计的主要方向及研究进展.最后给出在使用广义KYP引理时很重要但容易忽视的几点注记,同时指明该领域目前存在并值得未来进一步研究的关键问题.

广义系统的有限频域故障估计器设计

针对具有执行器故障和未知扰动的线性广义系统,提出一种新的故障估计器设计方法.所设计的故障估计器具有非奇异结构,便于实现.在故障频域范围有限的条件下,为了抑制未知扰动和有限频域故障对故障估计误差的影响,基于广义Kalman-Yakubovich-Popov(KYP)引理给出了故障估计器的鲁棒性设计条件,并将其转化为方便求解的线性矩阵不等式形式.最后,通过一个电路系统的仿真算例验证了所提出方法的有效性.

时滞奇异摄动系统的有限频域H_∞滤波器分析与设计

利用广义Kalman-Yakubovich-Popov引理,给出时滞奇异摄动系统的界实引理,同时为了降低滤波器设计的保守性,利用投影定理给出了上述界实定理的一个替换定理。通过给松散矩阵一个特殊的结构约束,得到了滤波器存在且保证滤波误差系统渐进稳定及满足有限频域H∞性能指标的充分条件。

线性离散系统的有限频域集员故障检测观测器设计

本文针对线性离散系统,提出了一种新的有限频域执行器故障检测方法.利用中心对称多胞体近似未知扰动边界,本文提出的中心对称多胞体集员故障检测观测器可实时估计残差范围.通过观测零点是否脱离残差生成的中心对称多胞体的范围,判断故障是否发生.为了提高对干扰的鲁棒性和对故障的敏感性,基于P-半径准则和广义KalmanYakubovich-Popov引理,本文给出了故障检测观测器的设计条件,并将其转化为便于求解的矩阵不等式形式.最后,车辆横向动态系统的仿真结果验证了所提方法的有效性.

网络控制系统有限频域故障检测和容错控制

考虑网络控制系统中存在的时延,研究了其在有限频域内的故障检测以及容错控制问题。针对有限频域内的故障信号,利用给定指标设计故障检测滤波器产生残差信号。为了保证系统在故障情况下的控制性能,进一步构造基于残差反馈的主动容错控制器对故障进行补偿。给出了故障检测滤波器与主动容错控制器存在并满足有限频域内性能指标的充分条件。利用线性矩阵不等式得到了故障检测滤波器和主动容错控制器参数。数值仿真表明所提方法能够获得良好的故障检测性能和容错控制效果。

汽车主动悬架系统的有限频域输出反馈控制

为进一步提升汽车悬架系统动力学性能,提出一种基于启发式两步法的静态输出反馈控制方法。为了更好地研究悬架动力学行为,建立一种经典的1/4车主动悬架系统模型用于控制分析与设计。考虑到人体对4~8 Hz频内的垂直振动异常敏感,给出一种有限频域下的性能判据作为控制设计的指导。同时,在控制设计中考虑了悬架行程和轮胎动位移两种机械硬约束,以保证悬架系统的动力学稳定性。由于难以在线获取实际悬架系统中所有状态信息,提出一种新的基于启发式两步法的有限频域输出反馈控制方法。数值仿真及台架试验结果表明:与传统的全频域输出反馈方法相比,该方法具有更好的控制性能。

基于动态事件触发机制的网络化系统有限频域故障检测

针对通信带宽受限的网络环境,引入一种基于动态事件触发机制的数据传输策略,研究了一类非线性网络化系统在随机网络攻击下的有限频域故障检测问题。首先,在考虑故障灵敏性和扰动鲁棒性的前提下,利用状态增广的方法将原系统的故障检测问题转换成H-/H∞滤波问题;然后,在考虑扇区有界非线性和随机网络攻击的情况下,将故障的有限频域特性考虑到H-性能指标的设计中,并结合有限频输入特性,给出有限频故障输入下的故障检测滤波器与动态事件触发机制的联合设计算法;最后,通过搅拌釜式反应器系统的仿真算例验证了该方法的有效性。

主动悬架有限频域H_∞时滞控制参数影响分析及优化

基于线性矩阵不等式的方法,设计了考虑控制输入时滞的有限频域H_∞控制算法。在该算法设计中,以提高车辆乘坐舒适性、降低车体加速度为控制目标,以悬架动行程小于最大许用行程、车轮与地面始终保持良好接触、作动器出力小于其最大出力为控制的3个约束条件,分析了控制参数对求解结果的影响。针对控制参数经验取值难以得到控制的最优解,且不同时滞条件下参数取值不具有通用性的问题,提出了基于遗传算法的优化设计方法,并对求解得到的控制算法性能进行了仿真分析。结果表明:基于遗传算法优化设计并考虑了控制时滞的有限频域H_∞控制算法,能够有效地降低时滞对控制的影响,提高车辆在4~8 Hz频域范围内的乘坐舒适性,且控制效果明显优于依靠经验设计的控制算法和未考虑控制输入时滞的控制算法。

一种改进的有限频域状态反馈H_∞控制方法研究

以广义KYP引理为基础,提出并理论推导了一种改进的有限频域状态反馈H_∞控制方法,控制所需参数更少。以某四分之一主动悬架系统为研究对象,以提高人体最为敏感的4～8 Hz频域范围内的振动控制效果为目标,应用该方法为其设计了有限频域状态反馈H_∞控制器。最后,通过随机激励仿真对控制器的控制效果进行了验证。仿真结果表明:与被动无控制状态相比,全频域和有限频域状态反馈H_∞控制下车体加速度均方根值分别降低了28.16%和65.23%,对数据的频域分析表明,改进的有限频域状态反馈H_∞控制器能够在满足控制约束的条件下更好的抑制4～8Hz频域范围内的振动。

有限频域阿伦方差修正的补充

通常的阿伦方差表达式都是在截止频率很大的情况下推得的。有限频域[f_a,f_b] 中的阿伦方差需要进行修正。对应a=-2,-1,0,1,2噪声的公式已经给出,本文扩充到a=±5/2,±3/2,士1/2对应漳公式,为实践中应用提供了方便。若相对频率y的谱密度为 S_y(f) =h_af^a,f_a≤f≤f_b式中f_a和f_b为下截止频率和上截止频率;h_a为对应于a的常数;a为噪声模型的频域参数;则阿伦方差的谱密度表达式为:

基于有限频域的模型降阶方法在浮式风机上的应用

本文研究了海上浮式风力发电机组的模型降阶问题。首先,利用实测数据建立了海上浮式风力发电机组的线性切换离散时滞模型。其次,我们提出了可以估计有限频域性能的指标,并且引入一些松弛矩阵。这些方法可以获得有限频域性能条件和稳定性判据,并且实现风机模型从高阶到低阶的转换,降低了结果的保守性和计算复杂度。最后,通过一个数值算例说明了该方法的有效性。

离散线性系统有限频域基于观测器的迭代学习控制

针对一类离散线性系统,在有限频域范围内研究基于观测器的迭代学习控制问题.首先,结合二维系统理论,构建由基于观测器的状态反馈和PID型前馈学习项组成的控制器;然后,借助于广义Kalman-YakubovichPopov (KYP)引理,将闭环系统有限频域性能规范转换为相应的线性矩阵不等式(LMI),进而得到控制器和观测器存在的充分条件,同时,该条件也确保闭环控制系统的稳定性和跟踪误差单调收敛性;最后,通过桁架机器人系统的仿真,验证所提出设计方法的有效性.

黏声波方程波场模拟的通用格式自适应系数频域有限差分方法

黏声波方程常被用于描述地下介质的黏弹性及波的传播现象,频域有限差分(finite difference frequency domain,FDFD)方法是黏声波和黏弹性波波场模拟的常用工具.目前FDFD黏声波模拟常用的二阶五点方法和优化九点方法在一个波长内的网格点数小于4时误差较大.通过令FDFD系数随一个波长内的网格点数自适应从而提高FDFD方法的精度,本文针对黏声波波场模拟发展了一种适用于不同空间采样间隔之比的通用格式自适应系数FDFD方法.同时,为了验证自适应系数FDFD方法对一般黏声波模型的有效性,本文针对三个典型的黏声波模型,分别采用解析解和基于高阶FDFD的参考解验证了所提出方法的有效性.本方法的FDFD格式通过在传统的二阶FDFD格式的基础上引入相关校正项得到,其中校正项按网格点与中心点的距离进行分类选取,同时校正项对应的自适应FDFD系数不仅和空间采样间隔之比相关,还和一个波长内的采样点数相关.所需的自适应FDFD系数可通过声波方程的数值频散关系和查找表高效给出.数值频散分析表明,在空间采样间隔相等或不等的情况下,以相速度误差不超过1%为标准,通用格式自适应系数FDFD方法所需的一个波长内的采样点数均小于2.5.数值模拟实验表明,对于不同的空间采样间隔之比,相对于常用的二阶五点FDFD方法和优化九点FDFD方法,通用格式自适应系数FDFD方法均可在相似的计算量和内存需求下,有效提高黏声波模拟的精度.

基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计

传统发动机稳态抗扰控制器在设计时,控制性能指标未能充分考虑被控对象及干扰信号的典型特征,如可作为反馈用的传感器和执行机构数量有限、干扰能量只集中在有限频域等因素,往往抗扰控制器设计的较为保守,并不总能获得满意的抗扰性能。本文提出一种可以在有限频域内采用几何图解法进行性能改进的稳态抗扰控制器设计方法“几何设计法”,该方法可以直观地在复平面上定义闭环系统各输出量在有限频域内的控制性能指标以及控制量在受限情况下的系统抗扰性能极限,从而使用图解法的形式来解决有限频域抗扰控制器的求取问题。仿真结果表明,发动机在巡航稳态工况下,面对能量主要集中在2~16 rad/s有限频域的大气湍流马赫数干扰时,基于几何设计法设计的抗扰控制器相比传统混合灵敏度H∞控制器,风扇折合转速抗扰百分比提升30%以上的同时,推力抗扰百分比提升了15%以上。

一种简化的计算频域有限差分自适应系数的方法

频域有限差分(finite difference frequency domain,FDFD)方法是地震波场模拟的常用方法,FDFD地震波场模拟的关键之一是构造能有效压制数值频散的FDFD系数。在已有的构造地震波场模拟FDFD系数的方法中,随一个网格内的波长个数变化的自适应FDFD系数可以最大程度地压制数值频散。目前计算自适应FDFD系数的方法涉及角度积分、共轭梯度优化、顺序初值选取、光滑正则化等问题,不仅较难实现而且计算效率较低。为了简化自适应FDFD系数的计算并提高相应计算效率,本文提出一种新的计算自适应FDFD系数的方法。所提方法首先将不同离散传播角度的平面波解代入FDFD格式,构造相应的最小二乘问题。由于该最小二乘问题较为病态,常规的基于正规方程组的求解方法难以得到光滑的自适应FDFD系数,本文提出通过QR矩阵分解求解相应超定线性方程组来求解该最小二乘问题。相比已有的基于角度积分、共轭梯度优化、顺序初值选取的计算自适应FDFD系数的方法,所提方法在可以得到光滑自适应FDFD系数的基础上,不仅计算过程更简洁,且计算效率明显提高。数值波场模拟结果表明,基于QR矩阵分解的自适应系数FDFD方法可以达到与基于角度积分、共轭梯度优化、顺序初值选取的自适应系数FDFD方法相同的精度,同时所需的计算时间更少。

梯形脊形金属波导传输特性的二维频域有限差分法分析

基于二维频域有限差分法(2-D FDFD),对梯形单脊矩形波导和梯形双脊矩形波导的传输特性进行了分析.采用直角坐标系中2-D FDFD的一般分析公式和波导梯形斜边上的差分公式,对梯形单脊矩形波导和梯形双脊矩形波导的传播特性进行了分析.数值计算结果和已有的数值结果以及仿真结果吻合得很好,证明了分析的正确性.

结合频域有限差分法分析二维柱体电磁散射

引入多波前算法,提出了结合频域有限差分法分析二维柱体的电磁散射问题。数值计算过程中利用Murs二阶吸收边界条件和场平均吸收条件截断网格;作为算例,分析了一无限长理想导体柱对平面电磁波的散射,由于使用了多波前算法求解差分矩阵方程,大大地减少了计算时间,数值结果表明了该方法的有效性。

基于频域有限差分的三维大地电磁的低感应数预条件求解方法研究

求解Maxwell微分方程经过离散后得到的大型、病态线性方程组的高机时制约了为电磁数据反演而进行的三维正演算法的应用。一种新的基于电场的Helmholtz分解的低感应数预条件可以解决该问题。通过对一个三维埋藏体进行有限差分正演,分析比较了低感应数预条件迭代求解过程中2种算法(共轭梯度法、最小残差法)的迭代次数与时间,结果表明,采用最小残差法构建低感应数预条件矩阵,线性方程组的迭代求解次数和和求解时间都要比共轭梯度法少,具有一定的速度优势。