可再生能源高渗透下时滞孤岛微电网的负荷频率控制

针对孤岛微电网系统中大规模接入可再生能源导致的低惯性和开放通信网络中通信延迟对系统稳定运行造成的不可忽略的影响,该文研究变时滞影响下低惯性孤岛微电网系统的负荷频率控制问题。首先,提出一种引入虚拟惯性控制的时滞微电网分层频率控制模型;然后构造一个新的Lyapunov-Krasovskii泛函,它包括时滞乘积项和增广的s-dependent积分项。进而,选取复合松弛积分不等式、二次函数不等式和凸组合等方法与所构造泛函有效配合,得到保守性更低的稳定性判据。最后,通过不同场景的仿真分析验证所提方法在提高孤岛微电网时滞稳定裕度和系统动态性能方面具有更好的效果,并分析了时滞稳定裕度与控制器参数、非线性负载扰动之间的关系。

基于级联型扩张状态观测器的直流微电网低压负载接口变换器自抗扰稳压研究

直流微电网负载侧供压稳定是实现新能源电力高水平消纳的重要前提。为维持低压负载侧电压稳定,利用级联型扩张状态观测器提高扰动的估计重构精度与速度,将二阶自抗扰控制技术引入低压侧稳压控制。首先,在考虑扰动存在的低压接口变换器动态模型基础上实现对于稳压控制策略的系统设计。之后,在时域上分析级联型扩张状态观测器对于扰动重估精度的提升效果,利用线性等效框架在复频域上分析系统对于总扰动的抑制性能,以及系统模型不确定下对于动态性能的影响。此外,将Lyapunov理论运用于分析所提稳压控制策略的稳定性,表明该系统在工程上稳定。最后仿真实验验证了所提出稳压策略的正确性与有效性,且对于扰动具有较好的抑制性。

基于扩张状态观测器和抗饱和输入的伺服电机等效反步滑模控制

为了提高伺服电机系统的动态响应速度、抗干扰能力,解决输入饱和的问题,课题组基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)和抗饱和输入(anti-saturation input,ASI)辅助系统设计了伺服电机的运动控制方案。首先,建立了伺服电机的数学模型,将系统阻尼和系统不确定性归为扰动,将扰动设为系统的扩张状态;然后在等效反步滑模控制(backstepping sliding mode control,BSMC)的基础上,引入了ASI辅助系统和ESO,解决输入饱和问题,并抑制内、外干扰;采用双曲正切饱和函数替换符号函数以减小滑模控制的抖振;通过李雅普诺夫稳定性方法检验所提出控制器的稳定性。最后,将基于ESO和ASI的等效反步滑模控制与比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制、滑模控制(sliding mode control,SMC)进行仿真对比。结果表明:相较于传统PID和SMC控制器,课题组所设计的控制器可以实现伺服电机的无超调快速响应,解决了输入饱和问题,并具有较好的抗干扰能力和减小输入冲击的作用。

三阶三次幂非线性混沌电路的自适应反馈控制和H_(∞)控制

针对三阶三次幂非线性混沌电路,研究其控制问题.首先,给出系统的Lyapunov指数和混沌吸引子,验证系统存在复杂的混沌现象;其次,用自适应反馈控制方法和H_(∞)状态反馈控制方法,设计参数已知和参数未知的自适应反馈控制器以及H_(∞)状态反馈控制器,将混沌系统状态稳定到平衡点上;最后,通过MATLAB软件进行数值仿真验证控制器的有效性,并对两种控制器的控制效果进行比较.

时变时滞奇异复杂动态网络的间歇控制与同步

利用周期性间歇控制策略研究了具有时变时滞的奇异复杂动态网络的指数同步问题.通过构建Lyapunov-Krasovskii泛函,推导出驱动系统和响应系统的指数同步判据;然后运用LMI工具箱求解线性矩阵不等式,得出了控制增益矩阵.最后,利用Runge-Kutta算法求解具有时变时滞微分代数方程,并通过数值仿真验证了结论的有效性.

基于切换系统的独立微电网稳定控制设计

独立微电网是一个复杂的非线性系统,为解决典型光储柴独立微电网在能源约束下存在控制单元切换的问题,提出将非线性切换系统理论应用到主从控制下的主控单元切换问题上。首先,当主从控制下的储能系统和柴油发电机分别作为主控单元时,将它们视为两个子系统,建立非线性切换系统模型。然后,应用多Lyapunov函数法分析切换系统的稳定性,同时利用backstepping方法分别设计子系统的非线性控制器,保留系统的非线性特征。最后,采用美国国家能源实验室开发的仿真软件中的硬充电策略作为切换策略,保证切换过程中系统的稳定性。通过MATLAB仿真证明了所设计方法的有效性。

计及DoS攻击和通信时滞的电力系统负荷频率控制

针对电力系统通信网络中存在的时滞和DoS攻击现象,本文提出了基于采样特性的电力系统离散负荷频率控制方案。首先,计及电力系统负荷波动的情况,在多区域电力系统负荷频率控制系统(LFC)模型的基础上,将通信网络中DoS攻击的危害量化为采样信号连续丢失数,并分别考虑通信网络中通信时滞和输出信号采样特性,建立包含输出状态反馈控制器的电力系统LFC模型。其次,基于此模型,利用含有控制命令更新周期、DoS攻击导致的最大采样信号连续丢失数、通信时滞、H_(∞)稳定指标的双边闭环Lyapunov泛函、LMI技术,提出LFC系统满足一定H_(∞)指标的稳定准则,并给出离散状态输出反馈LFC控制器的设计及求解方法。最后,本文以单区域和双区域LFC系统为例进行了仿真验证。结果表明:与已有文献方法相比,本文方法在保持系统H_(∞)渐近稳定前提下,能够容忍更大的通信时滞,且结果的保守性更低;同时可以看出本文所设计的控制器在保证H_(∞)稳定性能的基础上,对一定能量限制的DoS攻击具有弹性的防御性能。因此本文方案的有效性和优越性得到了验证。

具有时变输出约束的非线性多智能体系统自适应最优包含控制

本文对具有时变输出约束和未建模动态的不确定严格反馈非线性多智能体系统,提出了一种最优包含控制方法.利用一种新型积分型障碍Lyapunov函数处理输出约束,利用动态信号处理未建模动态,利用动态面控制方法设计前馈控制器,结合自适应动态规划和积分强化学习方法设计最优反馈控制器,利用神经网络在线逼近相应代价函数,并设计权重更新律.理论分析证明了所有跟随者的输出收敛到领导者生成的凸包中,全部跟随者组成的闭环系统是半全局一致最终有界的,同时,跟随者的输出保持在给定的约束集中,代价函数达到最小.仿真结果验证了所提出方法的有效性.

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。

考虑通信时滞的采样控制系统稳定性分析

为了研究带有通信时滞的采样控制系统的稳定性问题,首先,考虑采样区间的采样特性,构造一种依赖于采样区间最值的闭环泛函,在这种泛函中,泛函相关的矩阵不需要满足正定定义,且矩阵随着采样区间最值的变化而变化;然后,利用采样控制系统的动态信息以及定积分的分部积分法,提出一些含自由矩阵的零等式;再次,结合广义自由矩阵积分不等式,推导出采样控制系统带有通信时滞和无通信时滞的2个稳定性判据;最后,通过数值和实际仿真验证采样区间最值的闭环泛函方法的可靠性。研究结果表明:基于采样区间最值的双边闭环泛函能够使采样控制系统稳定性判断更优且更有效。

n比特随机量子系统实时状态估计及其反馈控制

研究了n比特随机量子系统实时状态估计及其反馈控制的问题.对于连续弱测量(Continuous weak measurement, CWM)过程存在高斯噪声的情况,基于在线交替方向乘子法(Online alternating direction multiplier method,OADM)推导出一种适用于n比特随机量子系统的实时量子状态估计算法,即QSE-OADM (Quantum state estimation based on OADM).运用李雅普诺夫方法设计控制律,实现基于实时量子状态估计的反馈控制,并证明所提控制律的收敛性.以2比特随机量子系统为例进行数值仿真实验,通过与基于QST-OADM (Quantum state tomography based on OADM)算法和OPG-ADMM (Online proximal gradient-based alternating direction method of multipliers)算法的量子反馈控制方案的性能对比,验证了所提控制方案的优越性.

执行器随机失效系统鲁棒预测容错切换控制

针对一类具有执行器随机失效问题的离散线性系统,提出一种基于故障概率情况下的鲁棒预测容错切换控制方法。首先,将工业过程建立成新型多自由度状态空间模型,设计含有故障概率的容错控制器;其次,引入系统故障和其恢复时的随机概率,利用李雅普诺夫判据给出基于线性矩阵不等式形式的稳定性条件,再通过指数稳定的相关证明求解出不同执行器切换时的稳定条件,以保证系统故障时容错控制与无故障时常规控制间的切换;然后,控制器设计时还充分考虑了设定值变化时所产生的跟踪误差带来的影响。最后,通过仿真结果验证了所提方法的可行性。

考虑时滞的自平衡车控制系统稳定性分析

研究了自平衡车控制系统的时滞相关稳定性问题。首先,应用牛顿经典力学,对自平衡车进行数学建模,给出了自平衡车瞬时力学平衡方程,并对控制电机模型进行线性化处理。在此基础上,建立了基于PID控制器并考虑传输时滞的自平衡车系统的整体状态空间模型。为了评估系统的时滞稳定裕度,基于Lyapunov-Krasovskii(L-K)泛函方法,并应用广义自由矩阵积分不等式技术,建立了系统的时滞相关稳定性判据。然后基于给出的稳定性判据,借助Matlab中的线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)工具箱,研究了速度环PID参数对自平衡车控制系统时滞稳定裕度的影响。最后,通过仿真实验验证了所提出系统稳定性判据的有效性。

喷气驱动航天器姿态控制强化学习算法及实验

针对喷气驱动航天器在推力幅值受限条件下的姿态控制问题,提出一种姿态控制强化学习算法。该算法包含两个神经网络,即控制策略网络和李雅普诺夫神经网络。其中,控制策略网络直接以喷气推力器的推力作为输出,训练数据中推力满足幅值约束条件,隐式地解决推力分配优化和控制量饱和问题;设计姿态控制强化学习算法,并引入基于样本数据的航天器姿态稳定性定理,保证学习得到的控制策略的稳定性。仿真结果表明,与主流的强化学习算法和传统姿态控制方法相比,所提出的姿态控制算法在敏捷性方面表现出显著优势。此外,将控制策略移植到半物理仿真平台,控制策略能够有效完成航天器的大角度机动任务,从而证明了通过所提出的姿态控制算法训练得到的控制策略具有良好的泛化性和鲁棒性。

具有死区非线性输入的柔性臂自适应边界控制

研究了具有死区非线性和输入信号量化的柔性机械臂系统的边界控制问题。考虑柔性臂系统分布参数的特点,采用偏微分方程和边界条件描述柔性机械臂系统的动力学模型,并采用随机量化器对输入信号进行量化。对于输入受限的柔性机械臂系统,设计了一种自适应边界控制器,使柔性机械臂系统到达期望角度的同时抑制柔性机械臂系统的振动。该控制方案既能保证系统的稳定性,又能在输入信号量化和死区非线性的前提下满足控制要求。同时,利用Lyapunov方法证明了柔性机械臂系统的最终一致有界性。最后,通过数值仿真验证了所提出方法的有效性。

基于全局快速终端滑模的6-PSS并联运动模拟器轨迹跟踪控制研究

针对6-PSS并联运动模拟器动力学模型中的不确定性和时变扰动,提出了一种基于全局快速终端滑模的鲁棒控制策略。首先,运用虚功原理建立了该机构的动力学模型(该动力学模型表明6-PSS并联机构是一个具有非线性和强耦合特性的多变量系统),对动力学模型进行了离线处理,使其反映出机构真实动力学特性,并满足设备实时计算能力的要求;然后,基于简化后的动力学模型设计了一种全局快速终端滑模控制器(GFTSMC),设计李雅普诺夫(Lyapunov)函数对控制律进行了分析,证明了控制器的稳定性;最后,将控制策略应用于6-PSS并联运动模拟器轨迹跟踪控制,并将其与PD前馈控制及传统滑模控制(SMC)进行了对比实验。研究结果表明:GFTSMC相对于PD和SMC的平均误差分别下降了82.92%和18.88%,标准差分别下降了80.03%和41.73%,且能够起到抑制抖振的效果,是6-PSS并联运动模拟器的一种有效且实用的鲁棒控制方案。该研究结果可为6-PSS并联运动模拟器控制及工程应用提供理论依据。

电力隧道自动巡检机器人调平系统设计与运动学分析

为了解决机器人在行走过程中车身倾斜导致数据采集失准的问题,设计了一款基于比例-积分(Proportional Integral,PI)鲁棒滑模控制系统的3-RPS并联调平机构。首先,根据螺旋和反螺旋理论进行了构型综合;其次,对3-RPS调平机构进行了动力学分析计算,构建其动力学模型,并在此基础上引入自适应鲁棒滑模算法,对PI控制器进行优化改进,提高稳定性和自适应修正能力,利用李雅普诺夫(Lyapunov)函数对非线性控制系统进行了稳定性验证;最后,通过Matlab/Simulink对比模拟试验,获得控制误差曲线。仿真结果表明,基于鲁棒滑模算法优化后的PI控制系统自适应修正效果显著,大幅度降低了控制稳态误差。研究为3-RPS并联调平机构物理样机研制提供了基础。

液压伺服系统自适应反步控制策略研究

针对液压伺服系统中存在参数未知且不易获得的问题,设计了一种自适应反步控制算法。首先定义李雅普诺夫函数,然后逐步递推设计反步控制器;基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了参数自适应律。最后通过MATLAB软件,对所设计的自适应反步控制器进行仿真分析,作为对比,设计了常规反步控制器和PID控制器。通过对不同控制器的仿真结果进行对比分析可得出,所设计的自适应反步控制器具有良好的跟踪性能和参数估计的能力。

基于状态约束的柔性关节机械臂指令滤波控制

针对单连杆柔性关节机械臂系统,研究了全状态约束条件下机械臂末端位置的跟踪控制问题。利用障碍李雅普诺夫函数约束柔性关节机械臂的关节角位置和电机转角位置等状态变量的幅值,保证所有状态变量不会超出给定的限制区域。在此基础上,通过引入带有误差补偿的指令滤波控制技术克服了传统反步法存在的计算爆炸问题,设计了基于状态约束的指令滤波反步控制器。最后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了柔性关节机械臂系统的稳定性,并通过仿真实验验证了所设计的控制器能够有效保证系统的状态约束性能和位置跟踪精度。

基于Lyapunov-MPC方法的非合作目标近距离抵近控制

针对航天器近距离视线抵近同时存在轨道与姿态机动的非合作目标特定方位控制问题,提出了一种基于控制Lyapunov函数(CLF)的模型预测控制方法 (LMPC)。首先,根据视线坐标系下的轨道动力学方程,建立了满足视线指向要求的航天器相对轨道动力学模型,并推导了期望轨道的解析表达式。其次,利用MPC方法设计控制器进行在线优化控制,并通过纳入基于李雅普洛夫方法的非线性反步控制的显式特征,构建收缩约束式,以确保闭环稳定性。接着,对基于LMPC的控制方法的递归可行性和闭环稳定性进行了证明。最后,仿真结果证明了所设计的LMPC轨迹跟踪方法的有效性和鲁棒性。