A parameter optimization approach to robust PI-controller design for systems with interval plants

The purpose of this paper is to develop an analytic way for designing optimal PI-controllers for the interval plant family. Optimality means that the coefficient intervals of the plant stabilized by a PI-controller is maximized. It will be shown that the optimization problem can be formulated in terms of an eigenvalue minimization problem of matrix pairs of the form （H（h0, g0）, H（δ1,k, δ2,k））, where k= 1, 2, 3, 4 and both H（h0, g0） and H（δ1,k,δ2,k） are frequency independent Hurwitz-like matrices. A numerical example is provided to illustrate that optimal controller parameters can be successfully obtained by a two-dimensional search.

基于PI参数的二阶线性自抗扰控制参数整定

线性自抗扰控制是一种不依赖于被控过程模型的控制方法,具有很好的工程应用潜力。目前,工业控制过程中大多采用PI控制器,为了确保由调试好的PI控制器平稳切换到线性自抗扰控制器,并使系统仍保持稳定状态,需要合理设置线性自抗扰控制器的参数。为此,在分析二阶线性自抗扰控制器的二自由度等效结构的基础上,推导出其反馈控制器与PID控制器的对应关系,给出一种基于现有PI控制参数直接获取二阶线性自抗扰控制初始参数的方法。最后,在MATLAB/Simulink平台上采用若干典型传递函数和双容水箱液位控制系统进行仿真研究,仿真结果验证了所提方法的有效性。

基于多电平变流器模块的直流输电系统控制

为了保证直流输电系统在发生三相短路故障时输电电压的稳定性,有效控制输电系统的运行,该文提出了基于多电平变流器模块(modular multilevel converter,MMC)的直流输电系统运行控制方法。利用反并联二极管与并联电容来设计多电平变流器模块,获得交流等效电感,保证换流站交直流量与有功功率相同,明确换流站内功率情况;将该模块与前馈解耦补偿项相结合,运用PI获得电流内环运行控制器的输入值,实现电流解耦,增强直流电压的稳定控制,提高输电系统抗扰动性能;通过修正与控制环节获得对应参考值,以及最佳运行控制结果。通过实验表明:设计的模块既能保证输电系统在正常工作状态下平稳运行,也能在发生故障时将影响控制在安全范围内,保证电力系统输电稳定。

基于李雅普诺夫直接法的MMC控制策略研究

为改善PI控制下模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的控制效果,提出了基于李雅普诺夫直接法的MMC控制策略。首先,建立MMC整流器的数学模型。其次,构造出MMC系统的李雅普诺夫能量函数。然后,在MMC数学模型和能量函数的基础上设计了控制系统。由奈奎斯特稳定判据分析了直流电压稳定性的影响因素,并在经典频域下通过伯德图对比分析了李雅普诺夫控制策略和PI控制策略的控制性能。最后,在负载阶跃、交流侧电压幅值阶跃和交流侧三相电压不平衡工况下对两种控制策略进行了仿真和半实物在环仿真研究。结果表明,李雅普诺夫控制策略较PI控制策略有着更好的控制效果,李雅普诺夫控制策略更适用于MMC此类非线性强耦合系统。

无线电能传输系统最大效率追踪及恒压输出复合控制方法

针对无线电能传输(WPT)系统的传输效率受耦合线圈之间的互感以及负载影响的特点,该文提出一种基于阻抗匹配技术的最大效率追踪及基于前馈PI控制的恒压输出复合控制方法。首先,对双边LCC型WPT系统的参数和传输效率进行分析,通过调整系统参数优化系统的传输效率。其次,在二次侧使用DC-DC变换器采用阻抗匹配的方法实现最大效率追踪,同时在一次侧采用DC-DC变换器利用前馈PI控制器闭环控制负载端电压实现恒压输出。该方法中,效率追踪和电压控制之间相互独立,互不干扰。此外,该方法还通过系统工作时的电路参数来估算线圈间的互感值,并通过线性拟合的方法对该估算互感值进行修正,得到更精确的互感估算值。最后,通过搭建实验平台验证了该方法的可行性和有效性。与PI控制相比,前馈PI控制方法在快速性和抗扰动性上均具有明显优势。

一种采用比例积分和自适应复合控制的全数字锁相环

针对传统全数字锁相环存在着锁定速度慢、锁相精度不高和锁频范围较窄等问题,提出一种采用比例积分与自适应复合控制方式的全数字锁相环,通过“粗调”和“精调”来提高锁定速度以及锁相精度。在QuartusII软件环境下,使用VHDL语言编程,采用自顶向下的模块化设计思路对整个全数字锁相环系统进行电路设计,进行综合编译、仿真和分析,并将程序代码下载到FPGA中进行硬件测试。系统仿真与实验结果表明该锁相环可随输入信号频率的变化实时调节环路的控制参数和自由振荡频率,且具有锁相速度快、功耗低、电路结构简单和易于集成的特点。

DAB储能变换器双闭环模型预测控制与PI补偿控制策略研究

针对直流微电网中分布式电源输入输出功率不稳定造成的直流母线电压波动问题,鉴于双有源桥(DAB)储能变换器具有能量双向流动的特点,提出一种基于内模原理的双闭环模型预测控制策略。在分析DAB变换器扩展移相调制原理与特性基础上,重点研究电压外环和电流内环的模型预测控制策略。针对模型预测控制性能依赖电路参数准确度问题,分别从电路主要参数失配对功率传输和直流母线稳压的影响两个角度出发,深入分析模型参数敏感度。最终设置直流母线电压稳态误差灵敏度区,在误差灵敏度区外仅采用双闭环模型预测控制以保证系统的动态响应性能,在误差灵敏度区内采用双闭环模型预测控制和PI补偿控制以消除系统稳态误差。搭建实验平台进行实验验证,结果表明:在系统受到扰动时,DAB储能变换器可实现快速地充放电对系统进行补偿,混合控制策略可快速保持母线电压的稳定,实现系统功率均衡,增强系统抗扰能力。

含有柔性负载的电驱动系统建模与控制策略

为了抑制伺服电机启动和运行过程中产生的转速波动和振动,提出了一种基于极点配置的PI控制策略.首先,根据基尔霍夫电压定律和拉格朗日原理建立了伺服电机与柔性负载的整体动力学模型,并通过拉普拉斯变换计算系统的传递函数.其次,通过设计控制器的参数,分析了采用相同幅值的极点配置方法对控制效果的影响.最后,通过与传统的Z-N方法和无控制方法进行对比,验证了该极点配置方法的优势.通过数值仿真和实验研究,实现了对伺服电机启动和运行过程中产生的角度误差的控制,有效抑制了电机转速的波动,保证了系统的稳定性.

模糊整定PI参数的双柔性机械臂振动抑制

机械臂伺服驱动系统中柔性因素的存在易导致机械臂输出转速波动,甚至引发系统谐振.为抑制系统转速波动,使机械臂传动系统性能稳定,使用模糊理论整定PI控制器参数的控制策略.根据假设模态法和拉格朗日动力学方程建立了考虑LuGre摩擦模型的双柔性机械臂传动系统动力学方程,并分析了动力学方程中耦合非线性项对系统传动特性的影响.使用极点配置策略确定PI控制器参数的取值范围,后根据模糊规则实时调整控制器参数,以减小伺服系统输出转速的波动,进而抑制系统谐振.最后,借助数值仿真分析和机械臂控制实验,与传统PI控制策略对比,发现本文所述控制策略可使电机端转角跟踪误差绝对值的平均值降低43.066%,柔性负载转角误差的标准差降低46.506%,更加验证了所提模糊规则整定PI控制器参数抑振方法的有效性.

PMSM正切趋近律无位置传感器角度补偿方法研究

在负载转矩突变的动态过程中,基于PI调节器的角度补偿方法作用时PMSM超螺旋滑模观测器(STSMO)转子电角度估算误差波动剧烈,因此依据角度估算误差的定义,建立了转子电角度补偿算法的数学模型。根据滑模控制和趋近律理论,提出了基于正切趋近律的变步长闭环角度补偿方法,选择角度估算误差的半角正切值作为角度调节步长,并通过前馈解耦得到的角度估算误差正余弦信号计算该步长,实现了对无位置传感器控制系统动态性能和抗扰动能力的改善。根据归一化灵敏度的定义,分析调节步长随角度估算误差变化的灵敏度,提出了基于归一化补偿灵敏度的系统动态性能分析方法,衡量两种补偿算法作用下系统的动态性能。计算和仿真结果表明,正切趋近律补偿方法具有更高的归一化补偿灵敏度,在负载转矩突变等角度估算误差变化剧烈的工况下能够实现更好的补偿效果,抑制估算角度误差的波动。实验结果表明,相比传统的PI补偿方法,正切趋近律补偿方法能够将突加额定转矩动态过程中角度估算误差的波动幅度降低61.9%,动态过程持续时间缩短23%,有效提升了系统的动态性能和抗扰动能力。

基于Posicast控制的双向Buck-Boost变换器改进控制策略研究

双向Buck-Boost变换器被广泛应用于锂电池等储能系统,常采用电压电流双环控制策略,存在动态超调大且有残留振荡等缺点,影响了储能系统的正常运行。提出基于Posicast控制的改进控制策略,首先,分析了双向Buck-Boost变换器不同工作模式的数学模型,介绍了Posicast控制器的基本概念,并给出了提升Posicast控制鲁棒性的设计方法。其次,基于变换器双环控制,将Posicast控制算法引入电流控制器,以改善系统的动态性能,并给出了不同模式下各控制器的设计方法,分析了电感参数变化时的系统鲁棒性。最后,通过功率为10 kW的双向Buck-Boost变换器样机平台,用试验验证了所提控制策略的正确性。

基于二次函数负定判据的LFC系统稳定性分析

基于改进的二次积分不等式和二次多项式不等式建立的稳定性条件,研究了基于负荷频率控制(LFC)的时滞电力系统稳定性问题。首先,搭建了包含PI参数的负荷频率时滞系统数学模型;然后,通过引入增广的Lyapunov-Krasovskii泛函,利用近年改进的二次积分不等式和二次多项式不等式的充分条件,成功导出了具有时变时滞的系统稳定性判据;最后,通过负荷频率系统模型的实例仿真,验证了所得稳定性判据优于现有的一些计算结果。

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

有源电力滤波器补偿的PI解耦控制技术研究

电网中电压和电流波形的失真会产生谐波,导致电网功率因数降低,并影响电力系统的稳定性和可靠性。为了确保电力系统的正常工作,研究了基于有源电力滤波器补偿的比例积分(PI)解耦控制技术。设计了基于二极管钳位式的有源电力滤波器模型。结合基尔霍博电压法,降低控制谐波和解除部分变量耦合。针对设备非线性产生的谐波,分析有源电力滤波器的可逆性,获得输入雅可比矩阵,以实现滤波器旋转坐标的线性化。利用变换矩阵转换转动角速向量,输入谐波的幅度,输出电流取样延迟,完成无差PI解耦控制。试验结果表明,所提技术能够有效解耦滤波器的谐波电流成分,从而补偿电网中的失真电流。该技术可以减少谐波对电力系统的整体影响,保证设备的正常运行。

高压输电线软体巡检机器人磁致动机制及PI滑模控制研究

为解决高压输电线刚性悬臂巡检机器人尺寸大、笨重、越障不灵活、效率低等问题,设计一种高压磁致动软体巡检机器人,利用载流线圈在高压直流环形磁场中受到的安培力驱动软体机器人以柔顺和蠕动方式高效灵活地跨越多种障碍物。对该机器人进行本体构型设计并分析其工作姿态,实现稳定巡检功能;对磁致动驱动器进行理论设计和分析,利用Comsol仿真软件对其所需驱动力进行仿真,验证理论的可实行性;通过拉格朗日法对高压磁致动软体巡检机器人进行动力学建模,构建系统动力学方程,获取机器人的关节角度、速度、加速度之间的关系;最后,通过MATLAB利用基于PI滑模控制法对简化后的高压磁致动软体巡检机器人动力学模型实行速度和角速度高精度追踪仿真。仿真结果表明:在滑模控制下,角度在1.5 s追踪上理想信号,角速度在0.3 s后追上理想信号,证明基于PI的滑模控制器能够实现对高压磁致动软体巡检机器人的有效控制。

基于树莓派的少儿益智教育机器人设计

随着科技水平的提高,机器人技术获得了空前的发展。少儿益智教育机器人的使用一定程度上可以激发少儿的学习兴趣、培养提高其综合能力,具有光明广阔的应用前景。基于此,讨论了基于树莓派4B的少儿益智教育机器人系统设计与实现,该系统主要实现了避障、循迹、颜色识别、风扇控制、音乐播放等功能,并可以通过蓝牙技术实现远程控制。

基于ESO的永磁同步电机自耦合无模型滑模控制

为了解决基于模型的永磁同步电机调速系统易受外部负载扰动影响的问题,实现转速的高性能控制,提出自耦合无模型滑模级联式统一化控制策略。考虑参数不确定性以及内外扰动,建立了永磁同步电机双环超局部矢量模型。在传统无模型滑模控制器的基础上,通过选取比例双重积分滑模面设计了级联式无模型滑模速度、电流控制器,有效减小了转速的稳态误差。通过设计速度因子解决了控制器比例积分增益整定不合理的问题,同时采用扩张状态观测器对超局部模型中的未知部分进行估计并进行前馈补偿,设计了基于扩张状态观测器的永磁同步电机自耦合无模型滑模控制调速系统。通过与PI控制及传统无模型滑模控制的对比仿真与实验分析,验证了所提控制策略的可行性与有效性。

采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略

双柔性机械臂由柔性关节和变长度的柔性负载组成,会同时受到柔性、摩擦和参数时变的影响,在运动过程中,它会出现振动的现象,导致末端执行器的跟踪精度降低。本文采用基于干扰观测器的模糊整定PI策略控制双柔性机械臂伺服系统的输出转速,通过控制柔性负载的转速波动间接抑制机械臂的振动。根据假设模态法和拉格朗日原理建立了考虑变形的双柔性机械臂伺服系统的动力学方程。根据鲁棒稳定性理论设计干扰观测器中的低通滤波器,使干扰观测器同时满足控制器参数时变和受控对象参数摄动的稳定性。通过数值仿真分析和双柔性机械臂伺服系统控制实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,本文提出的控制策略可以更好地消除参数时变和柔性对于输出转速的影响,提高末端执行器的控制精度。

高频链矩阵变换器直接功率反步控制策略

针对高频链矩阵变换器(HFLMC)电路前后级耦合导致系统动态性能和鲁棒性降低的问题,提出一种基于直接功率的非线性反步控制策略(BS-DPC)。首先,建立HFLMC非线性数学模型和有功、无功功率动态模型,分析双极性电流空间矢量调制策略;然后,在考虑系统不确定性情况下引入2个解耦控制分量,设计直流输出电流和无功功率反步控制器,实现电池不同工况下输出电流参考值的快速跟踪控制;最后,根据李雅普诺夫稳定性理论证明HFLMC闭环系统全局渐进稳定性,并对比传统PI直接功率控制和BS-DPC策略。仿真和实验结果表明,所提BS-DPC策略控制HFLMC提高了输出电流的动态性能和电网波动及直流滤波电感变化下的鲁棒性,响应时间减少了约78%,网侧THD降低了0.98%。

抽水蓄能机组新型变工况自适应模糊控制策略

针对抽水蓄能机组工况之间频繁转换、常规比例-积分-微分控制(proportional-integral-derivative control,PID)控制对不同工况变化下适应性弱及现有的新型控制方法难以应用于实时性要求较高的可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)调速系统中等问题,同时考虑到导数分量易引入高频测量噪声。结合模糊控制理论,创新地提出了一种以水头和功率作为模糊推理输入变量的新型自适应模糊PI控制器(innovative adaptive fuzzy PI,IAFPI)。首先结合所设计的控制器建立了基于弹性水击和对数投影曲线法的抽水蓄能调节系统精细化模型;然后利用多目标粒子群算法(multiple objective particle swarm optimization,MOPSO)优化该模型的控制参数;最后结合我国某实际抽水蓄能电站数据,分别与传统PI、传统模糊PI控制在不同负荷不同水头下进行对比仿真试验;验证所设计的新型自适应模糊PI控制器可有效提高机组对工况变化的自适应性。