仿真转台控制系统变结构自适应控制技术研究

仿真转台是航空航天及工业领域重要的仿真设备。为了使仿真转台控制系统适应负载转动惯量变化,并增强其对控制系统数学模型参数摄动、外界干扰等的鲁棒性,现将自适应理论应用于仿真转台的伺服控制系统,并使用变结构滑模控制设计控制律,添加全程滑动模态因子,设计了一种基于现代控制的复合自适应控制器。使用Simulink和Matlab搭建仿真环境,在20 Hz的正弦信号下得到负载变化前后的仿真结果。PID控制系统和自适应控制系统的响应幅值误差分别增大了3.6%和1.3%,证明了自适应控制有效地降低了系统的误差。当输入阶跃信号时,自适应控制系统将稳态误差由3.2%减小到0.3%。最后在仿真转台上进行了实物实验。在幅值0.1°频率20 Hz的正弦信号下,添加负载及干扰后,PID控制系统的响应幅值误差增大了6.6%,而自适应控制系统的幅值误差仅增大2.4%,比PID控制系统误差变化小。实验结果表明,自适应控制器的控制效果优于PID控制器,所设计的自适应控制器提高了控制系统对负载变化和干扰的鲁棒性。

相变蓄热对光伏相变复合围护结构隔热及发电性能的影响

基于光伏发电和相变蓄热耦合特性,提出了光伏相变复合建筑围护结构,并进一步分析相变蓄热对复合围护结构性能的影响规律。首先构建光伏相变复合围护结构热流传递模型,然后探究相变层结构位置、相变温度以及相变厚度对其发电能力和隔热效果的影响。在此基础上,通过对比传统围护结构和复合围护结构的热工特性,阐述复合围护结构调节室内环境负荷及节能潜力。研究表明,相变蓄热对于光伏相变复合围护结构发电和隔热性能具有较大影响。相变材料越靠近室内其隔热效果越好,室内温度表现出向相变温度靠近的趋势;相变材料靠近光伏板意味着可以更充分地储存热量,光伏发电量也就越高。其中相变材料靠近光伏板时发电量为1263.06 J,较光伏围护结构有明显提升。同时相变材料的厚度在40 mm时发电量达到最大值,较10 mm时的工况提升了0.55%。此外,在一个运行周期内,光伏相变复合围护结构显著降低了建筑冷负荷,表现出较好的隔热与节能效果。

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制方法

虚拟同步机是一种可以改善分布式能源并网兼容性的技术手段。目前有关虚拟同步机滑模控制的研究大多数仅针对于单机系统。由于单机系统无需考虑多机系统中出现的虚拟惯量等参数之间的耦合影响,这导致现有的滑模变结构控制策略不适用于多虚拟同步机系统,当功率波动时系统频率有可能产生振荡。针对上述问题,提出了多虚拟同步机虚拟惯量的整定判据,并基于整定判据提出多虚拟同步机系统的自适应滑模变结构控制策略,可以使系统中各台机组在扰动状态下输出稳定频率。通过自适应滑模变结构控制策略使得多虚拟同步机组在功率波动时输出稳定的频率,从而避免系统频率失稳。最后,通过搭建PSCAD仿真模型验证了理论分析的正确性及有效性,所提控制方法可提高多虚拟同步机系统的稳定性与鲁棒性。

一种自适应变结构交互式多模型算法

针对机动目标跟踪问题,提出了一种自适应变结构交互式多模型算法。对滤波问题进行了简单描述,并给出了交互式多模型算法的数学模型;建立了一种新的变结构交互式多模型算法的精确模型,模型子集之间并行独立运行,通过选取概率最高的模型子集的状态估计作为最终的估计结果;在变结构交互式多模型算法基础上进一步设计了自适应变结构交互式多模型算法,该方法提高了模型子集和目标实际机动模式的匹配程度,从而提高了目标跟踪精度。仿真结果表明,自适应变结构交互式多模型算法的跟踪效果优于其他方法。

考虑坐标耦合的三维变结构多模型机动目标跟踪方法

在3维空间机动目标跟踪过程中,目标运动先验未知和坐标耦合误差会引起运动模型-模式失配,而模型-模式失配会引起状态估计有偏。该文根据目标运动速度正交条件修正状态转移矩阵,利用原始-对偶正则约束空间测量到球面可行域,结合自适应转弯率模型和无迹卡尔曼滤波(UKF),进行模型状态滤波并融合状态估计的一致输出,推导3维变结构多模型无迹卡尔曼滤波(VSMMUKF)算法。实验结果表明,相比多模重要性无迹卡尔曼滤波(MIUKF)算法,VSMMUKF计算量相当,能够更准确地拟合3维空间点目标机动运动。相比于交互多模型最大最小粒子滤波(IMM-MPF)算法,VSMMUKF跟踪固定翼无人机(UAV)的滤波精度提升了2.8%~59.9%,整体算法负担减小了1个数量级。

纤维增强复合材料柔性封堵结构分析与验证

变弯度机翼展向翼端面封堵结构对于提升可变体机翼的变形精度、防止气流分离重要作用。本文针对刚柔耦合变弯度前缘结构,提出了以纤维增强复合材料为壳体,填充弹性基柔性材料的柔性封堵结构设计方案,建立了有限元模型在结构载荷作用下对其力学性能、封堵性能进行分析,制备所设计的柔性封堵结构并对其进行了试验验证。结果表明:(1)柔性封堵结构仿真模拟结果符合实际变形情况,最大应力为412.96 MPa,最大应变为4.15%;沿机翼弦向方向的位移从固定端向前缘逐渐变大,最大位移为6.28 mm;(2)所制备的柔性封堵结构在进行初次压缩试验后,其载荷值随位移的变化近似线性变化,满足变弯度机翼前缘的变形需求。

基于局部自适应代理模型的复合材料结构可靠性评估

为了评估复合材料复杂结构的可靠性,开展基于局部自适应代理模型的可靠性评估方法研究.针对复合材料翼盒结构,建立基于局部自适应算法的应力响应面代理模型和基于Weibull分布的强度分布模型,并基于蒙特卡洛法与Hashin准则计算翼盒结构的可靠性;同时开展复合材料翼盒结构的准静态拉伸试验,获得失效位置、失效形式及力-位移曲线,并以二项分布估计试验结果的置信度.结果表明:翼盒结构的失效位置位于上端拐角处,失效形式为基体剪切断裂与纤维拔出,材料参数中剪切模量对失效位置应力响应影响最大,结构需要优化设计减小拐角处剪切应力;基于局部自适应代理模型的可靠性评估数值分析结果与试验结果相对误差为5.295%,准确地评估了结构的可靠性.

基于SIMP变密度法的结构拓扑优化及应用

在结构拓扑优化过程中,为了解决复杂结构计算速度慢、效率低的问题,提出了一种基于固体各向同性材料密度惩罚模型(SIMP)的步长自适应优化算法,该算法可根据SIMP惩罚因子P值自适应选择佳步长移动参数,并根据得到的目标函数的迭代值,自适应改变每次迭代的移动步长,在保证迭代精度的同时,以更快的速度逼近迭代目标,并利用经典MBB简支梁算例进行仿真实验,通过划分不同网格数量,横向对比分析另外三种步长迭代公式,得出最终迭代结果准确且迭代速度最快可提高100%的结论。此外,为满足汽车领域的轻量化需求,用拓扑优化技术,针对汽车油门支架结构进行重新优化设计,使优化后的模型体积减小35%;在此基础上,利用增材制造技术,采用双喷头连续纤维打印机,以长碳纤维体积分数为35%的复合材料(基体为短切碳纤维填充尼龙丝材)替代传统的铝合金材料进行增材制造,实现减重的目的,最终得到力学性能与原结构相当、质量减轻48%的油门支架结构,可进一步实现汽车的轻量化制造。

周期复合结构上的弹性二次特征值问题的多尺度渐近分析方法

针对周期复合结构上的弹性二次特征值问题,本文提出了一种基于二阶双尺度(Second-Order Two-Scale, SOTS)方法的多尺度分析方法 .该方法考虑速度阻尼效应的二次特征值问题,给出了特征值、特征函数的二阶渐近展开,以及特征值的误差估计.本文给出了方法的有限元实现,并通过近似值和参考解之间的定性和定量比较验证了方法的有效性.数值算例结果表明,特征值与特征函数中的二阶校正项对于重构单胞内特征函数的局部信息发挥着重要作用.

金属基复合结构粘接强度的非线性超声混频检测

采用非线性超声混频方法对金属基复合结构的粘接强度进行表征研究。以不同固化剂含量的铝合金丙烯酸酯粘接结构作为检测对象,基于非线性超声混频的共振条件及其作用机制,并结合粘接固化机理,开展了非线性超声混频实验。非线性超声混频模式选取两列横波生成和频纵波的方式,实验测量并计算不同基频周期数下的超声非线性参量。通过拉伸实验标定粘接结构的粘接强度,并采用扫描电镜分析拉伸断面微观结构,进而分析超声非线性参量与粘接强度的关系。从实验结果可以看出在不同周期的基频信号激励下,超声非线性参量随着粘接强度的增大均呈现出减小的趋势。研究表明非线性超声混频信号对金属基复合结构粘接强度的变化比较敏感,可以适用于类似结构件粘接强度状态弱化的表征。

面向制造成本的变刚度复合材料结构优化设计

传统的复合材料结构设计方法未能有效利用复合材料的面内设计空间,变刚度结构的实用化为复合材料结构效能的提升提供了新的机会。使用制造工艺成本模型,以制造成本为目标函数,建立结构性能约束和制造约束,通过路径函数法和平移法对一型大展弦比机翼进行变刚度设计,建立了以制造成本为目标的变刚度复合材料结构设计优化方法,实现制造成本减少23.87%,结构减重35.58%,并分析了不同纤维路径对变刚度结构构型设计、性能、质量和制造过程的影响。

基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构优化与实验研究

针对以往研究主要关注对已有手指结构的参数进行优化,而缺乏根据所需抓持性能进行结构设计的问题,提出了一种基于抓持力补偿策略的变刚度软性手指结构的优化设计方法。首先,为了更加全面地评估软性手指的抓持性能,提出了三种评价指标;为使所提出的基本结构手指具有更早且线性变化的抓持力及更好的抓持稳定性,提出了一种利用变刚度机构特性补偿手指抓持力的设计策略,并基于该策略设计出了一种悬臂梁结构变刚度手指;然后,利用ANSYS有限元分析软件,使用多目标优化方法对悬臂梁结构变刚度手指进行了结构优化,分析了悬臂梁变刚度特性,并将优化后的手指与基本结构手指的抓持性能进行了对比;最后,利用测试平台进行了抓持性能试验,对仿真结果进行了验证。研究结果表明:与基本结构手指相比,基于抓持力补偿策略所得手指的抓持力响应点提前了33.3%,抓持后期的抓持力变化线性拟合相关系数R 2高达0.9997,抓持力方向角减小了约71.4%;抓持力实验结果与仿真结果相比,抓持力的误差最大值小于0.5 N,抓持力方向角误差最大值小于4°,说明基于抓持力的补偿策略能够指导软性手指的设计,并有效提高手指的抓持性能。

基于自适应逆推变结构方法的非线性励磁控制

将自适应逆推方法与变结构方法相结合逐步构造Lyapunov函数,这样不仅可以提高动态系统的暂态响应和控制器增益综合性能指标,而且对不满足匹配条件或参数不确定性的非线性系统具有鲁棒镇定性。针对上述理论设计了一种非线性励磁控制器,该控制器能够保证闭环系统对不确定参数的自适应性。基于该方法设计的非线性励磁控制器在两区域四机系统上进行仿真计算,结果表明,该励磁控制器能够有效地抑制电力系统的干扰,提高互联电网的稳定性。

一类不确定非线性系统变结构自适应鲁棒控制

考虑一类不确定多变量非线性系统的鲁棒控制器设计问题 ,在结构摄动和外界扰动输入不确定因素的界未知情况下 ,提出了一类自适应鲁棒变结构控制律 ,这种控制律在保证系统闭环稳定的前提下在线对结构摄动和外界扰动输入不确定因素的界进行估计 ,方法简单、易于理解 ,便于工程应用。将该控制律应用于导弹末端拦截制导律设计上 ,得出了一种基于零化视线法向速度的具有强鲁棒性的末端导引规律。仿真验证说明所提出的方法是有效的。

一类不确定非线性系统变结构自适应鲁棒控制

本文针对一类不确定非线性系统 ,在假设系统模型参数和不确定性界都未知的情况下 ,提出了一个变结构自适应鲁棒控制算法 ,该算法在确保闭环系统稳定的前提下 ,在线对系统模型参数和不确定性界进行估计 .最后以船舶减摇鳍非线性控制系统为例 ,进行了变结构鲁棒自适应控制器的设计 ,经仿真研究表明 ,所提出的算法是有效的 .

永磁同步电机滑模变结构与模糊PID复合控制研究

该文针对永磁同步电机矢量控制系统的速度环,引入了滑模变结构与模糊PID控制理论,设计了一种滑模变结构与模糊PID复合控制器。该复合控制器通过一个可变加权因子α将滑模变结构控制与模糊PID控制有效地组合起来实现对速度的调节。此种控制方法克服了对永磁同步电机精准数学模型的依赖,使得系统响应的快速性更好,稳定性、鲁棒性和抗干扰能力更强,静态和动态特性更优,对多种智能复合控制方法综合研究有一定的参考意义。

含有不灵敏区非线性系统的增益调度自适应变结构控制

针对具有控制输入不灵敏区及有界不确定性的非线性系统,采用增益调度变结构控制策略,研究其镇定问题.利用增益调度策略和自适应参数估计方法,在同时存在参数、结构及干扰的不确定性和未知控制输入不灵敏区的情形下,提出了新的增益调度自适应变结构镇定控制律设计方法,既节省了控制能量,又消除了控制信号的颤振.所提出的控制律可以保证闭环输出为一致终结有界,并且算法比较简单,便于实现.用数字仿真方法验证了所得控制律设计方法的有效性.

一类不确定仿射非线性系统的自适应变结构控制

研究非匹配不确定仿射非线性系统的输出跟踪问题.针对系统中的参数不确定性,基于李亚普诺夫稳定性理论提出了一种分段控制方案,当控制误差大于一定范围时,采用自适应变结构控制方案,使得闭环跟踪系统全局渐近稳定,参数估计值收敛,系统信号保持有界,控制误差减小到零域附近时,切断变结构控制,避免了颤振现象的出现.理论研究和仿真结果证实了理论结果的正确性和有效性.

非线性系统的积分变结构间接自适应模糊控制

讨论了一类不确定非线性系统的间接自适应模糊控制问题 .基于变结构控制原理 ,并利用具有线性可调参数的模糊系统去逼近过程未知函数 ,提出一种具有监督控制器的积分变结构自适应模糊控制方法 .该方法通过监督控制器保证闭环系统所有信号有界 .进一步通过引入最优逼近误差的自适应补偿项来消除建模误差的影响 .理论分析证明了跟踪误差收敛到零 .