Fractional Order Proportional Integral Derivative Controller Design and Simulation for Bioengineering Systems

This paper deals with the study of fractional order system tuning method based on Factional Order Proportional Integral Derivative( FOPID) controller in allusion to the nonlinear characteristics and fractional order mathematical model of bioengineering systems. The main contents include the design of FOPID controller and the simulation for bioengineering systems. The simulation results show that the tuning method of fractional order system based on the FOPID controller outperforms the fractional order system based on Fractional Order Proportional Integral( FOPI) controller. As it can enhance control character and improve the robustness of the system.

Controllability of Fractional Order Stochastic Differential Inclusions with Fractional Brownian Motion in Finite Dimensional Space

In this paper,sufficient conditions are formulated for controllability of fractional order stochastic differential inclusions with fractional Brownian motion(f Bm) via fixed point theorems,namely the Bohnenblust-Karlin fixed point theorem for the convex case and the Covitz-Nadler fixed point theorem for the nonconvex case.The controllability Grammian matrix is defined by using Mittag-Leffler matrix function.Finally,a numerical example is presented to illustrate the efficiency of the obtained theoretical results.

面向防振锤更换的无人机-机器人协同控制

防振锤更换现场变动因素较多、存在多种信号干扰,抓取力与防振锤重力间的平衡难度大,稳定性较差,由此,提出一种无人机-机器人协同控制算法。明确防振锤内部结构,考虑线路重量和抗振力需求,计算抓取力和防振锤重力,分析不平衡因素,根据构建的无人机-刚柔耦合系统动力学模型,计算不同时间点的最佳的旋转中心值,用于约束机器人运行的最大偏离范围。根据无人机的非线性动态反演关系,以内环控制求得机器人运动轨线与目标轨迹之间的贴合能力,以外环控制获得无人机出现转弯、上升、下降以及停滞状态下的一阶和二阶导数输出数值,采用二阶求导的控制阈值,完成无人机-机器人协同控制。实验结果表明,关节柔性变化轨迹控制稳定性强,无人机姿态角和位置偏差较小,实用价值高。

Eigenstructure Assignment in a Class of Second-order Descriptor Linear Systems: A Complete Parametric Approach

In this paper eigenstructure assignment via proportional-plus-derivative feedback is investigated for a class of second-order descriptor linear systems. Under certain conditions, simple, general and complete parametric solutions of both finite closed-loop eigenvector matrices and feedback gain matrices are derived. The parametric approach utilizes directly original system data, involves manipulations only on n-dimensional matrices, and reveals all the design degrees of freedom which can be further utilized to achieve certain additional system specifications. A numerical example shows the effect of the proposed approach.

Eigenstructure assignment in a class of second-order dynamic systems

Eigenstructure assignment using the proportional-plus-derivative feedback controller in a class of secondorder dynamic system is investigated. Simple, general, complete parametric expressions for both the closed-loop eigenvector matrix and the feedback gains are established based on two simple Smith form reductions. The approach utilizes directly the original system data and involves manipulations only on n-dimensional matrices. Furthermore, it reveals all the degrees of freedom which can be further utilized to achieve additional system specifications. An example shows the effect of the proposed approach.

基于矩阵解耦的精馏塔VOFFLC温控系统

针对复杂的精馏塔MIMO温控系统的多变量、非线性、强耦合的特点和自适应需求,设计了基于矩阵解耦精馏塔的VOFFLC系统。首先,对温控系统的多变量控制模型进行改进,利用矩阵解耦理论实现对角解耦,以此改变控制通道的特性;然后,设计基于矩阵解耦的精馏塔VOFFLC温控系统,实现精馏塔的塔顶和塔底的自适应温控;最后,采用仿真实验,对所设计的多种温控系统进行性能比较。实验结果表明,VOFFLC系统可以实现控制参数的自适应,具有更强的论域容错性和鲁棒性。

Research on Stick-Slip Vibration Suppression Method of Drill String Based on Machine Learning Optimization

During the drilling process,stick-slip vibration of the drill string is mainly caused by the nonlinear friction gen-erated by the contact between the drill bit and the rock.To eliminate the fatigue wear of downhole drilling tools caused by stick-slip vibrations,the Fractional-Order Proportional-Integral-Derivative(FOPID)controller is used to suppress stick-slip vibrations in the drill string.Although the FOPID controller can effectively suppress the drill string stick-slip vibration,its structure isflexible and parameter setting is complicated,so it needs to use the cor-responding machine learning algorithm for parameter optimization.Based on the principle of torsional vibration,a simplified model of multi-degree-of-freedom drill string is established and its block diagram is designed.The continuous nonlinear friction generated by cutting rock is described by the LuGre friction model.The adaptive learning strategy of genetic algorithm(GA),particle swarm optimization(PSO)and particle swarm optimization improved(IPSO)by arithmetic optimization(AOA)is used to optimize and adjust the controller parameters,and the drill string stick-slip vibration is suppressed to the greatest extent.The results show that:When slight drill string stick-slip vibration occurs,the FOPID controller optimized by machine learning algorithm has a good effect on suppressing drill string stick-slip vibration.However,the FOPID controller cannot get the drill string system which has fallen into serious stick-slip vibration(stuck pipe)out of trouble,and the machine learning algorithm is required to mark a large amount of data on adjacent Wells to train the model.Set a reasonable range of drilling parameters(weight on bit/drive torque)in advance to avoid severe stick-slip vibration(stuck pipe)in the drill string system.

基于分数阶微积分的模糊分数阶控制器研究

在分析分数阶微积分的基础上,提出了一种新型模糊分数阶比例积分微分控制器.分数阶微积分将传统控制器中的积分和微分的阶数扩展到任意实数,为控制器的设计提供了比传统整数阶更好的性能扩展.结合分数阶比例积分微分控制器和模糊控制逻辑,用分数阶比例积分微分单元代替传统的模糊比例积分微分控制器中的比例积分微分单元,构建了模糊分数阶比例积分微分控制器的结构,采用模糊逻辑推理和Tus-tin离散方法实现了模糊分数阶比例积分微分控制器的计算.最后,用数字仿真方法和不同条件下的对比分析验证了新型模糊分数阶比例积分微分控制器的优良控制特性.研究结果表明,设计的新型模糊分数阶比例积分微分控制器对非线性和参数不确定性具有较强的鲁棒性.

分数阶PID控制器参数的自适应设计

分数阶比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器是整数阶PID控制器在复数域的推广,通过引入两个可调参数λ和μ使得控制器参数整定范围变大,但使得参数设计变得更加复杂。针对分数阶PID控制器的特点,提出了一种参数自适应的改进型差分进化算法整定方法,在目标函数的选取上,针对传统时间与绝对误差乘积准则对超调量控制不足,引入误差与控制信号加权,分别对整数阶和分数阶被控模型进行理论分析和数值仿真,仿真结果证明了该控制器参数设计方法的有效性和准确性。

序列分数阶系统的渐近稳定性

根据Lyapunov稳定性理论,研究了由序列分数阶线性定常微分方程描述的控制系统的渐近稳定性,给出了分数阶系统稳定性定义,并利用两参数的Mittag-Leffler函数相关定理直接推导出稳定性结论.仿真实例和结果证实了相应的稳定性结论.

基于粒子群优化算法的分数阶PID控制器设计

分数阶PID控制器具有可变的微分和积分阶次,通过调整控制器参数可以获得更好的控制性能。本文基于粒子群优化算法设计分数阶PID控制器。首先介绍分数阶PID和粒子群优化算法,然后给出分数阶PID控制系统结构、分数阶微积分算子的近似算法和分数阶PID控制器设计的仿真流程,最后通过MATLAB/Simulink对算例进行控制器设计仿真。仿真结果表明,通过粒子群寻优能够获得满意的分数阶PID控制器参数,满足对控制性能的要求。

新型Buck逆变器3阶滑模控制策略

为提高滑模控制变换器的稳态精度,针对一种由两组独立对称的双向Buck变换器组合的新型DC/AC逆变器拓扑提出了3阶滑模控制策略。基于系统等效电路的动态模型,采用李导数给出了3阶连续滑模控制器详细分析和设计,并给出了滑模面系数的选取方法。该文还采用映射法把三维轨迹化为两维情况,简化分析过程,且运用相平面法形象描述滑模切换区和滑模运动。实验结果证明此3阶滑模控制策略较好地改善了系统的稳态性能,同时具有良好的动态性能。

基于P ID控制方法的模糊变增益振动主动控制试验研究

结合模糊控制方法智能化的特点,设计出一种不依赖模型参数且可以自动调节控制器增益的控制算法。该方法以比例、积分和微分(Proportional integral and derivative,PID)控制为基础,根据系统输出及输出变化率自动调节控制器增益,使控制系统具有更强的适应能力。同时针对振动测试信号中含有噪声干扰和直流分量的情况,构造依赖模型部分参数的二阶窗函数,在保证不改变受控模态信号特征的同时有效衰减非受控模态信号干扰及直流分量。建立悬臂梁模型进行试验验证。结果表明,该方法能够使受控系统的振动幅值减小到开环时的5%以下,其效果明显优于普通PID控制。并且,通过引入二阶窗函数,系统在具有非受控模态信号干扰的情况下能够保持有效控制,使算法具有更好的稳定性和鲁棒性。

分数阶系统的混沌特性及其控制

本文首先了介绍了分数微分的基本定义及其逼近方法,并对一个新的分数阶系统的混沌特性进行了研究。仿真结果表明,该分数阶系统出现混沌的最低阶数是2.4阶。最后,基于逆优化控制技术设计的简单线性反馈控制器对该分数阶系统的混沌行为进行了有效的控制。

考虑风机虚拟惯性的预测优化PIDD^2自动发电控制方法

风电的大规模渗透,使分布式发电系统的自动发电控制(automatic generation control,AGC)必须应对自然环境不确定性所带来的影响,构建了风电机组参与频率调节的区域互联电网AGC模型;然后,对风机虚拟惯性的控制特性进行了分析,将其应用于短时负荷波动的快速响应;在此基础上,提出一种对带有二阶微分的比例积分微分控制器(proportional integral differential plus second order derivative,PIDD^2)进行预测优化的控制策略。通过建立含PIDD^2控制器的AGC模型,采用预测算法计算该系统的最优预测序列,并据此调整PIDD^2控制器的参考信号,从而获取最优的AGC效果。仿真结果表明:在大规模风电渗透的AGC系统中,所提方法能有效解决传统固定参数PID控制器对系统动态变化所表现的不适应性问题。

基于向量的鲁棒分数阶比例微分控制器参数求解算法

以分数阶比例微分(FOPD)控制器为例,详细地论述了基于向量的鲁棒FOPD控制器参数求解过程,证明了该方法求解的控制器参数具有唯一性,并编写了基于MATLAB环境下FOPD控制器参数求解算法程序,实现了面向不同相位裕度、不同穿越频率以及不同被控对象的鲁棒FOPD控制器系统校正。结果表明,本文算法不仅简化了控制器参数求解过程,减少了计算量,而且求得的控制器参数唯一且有效。

混合粒子群算法优化分数阶PID控制参数研究

分数阶比例—积分—微分(PID)控制器是一种把PID控制器的整数阶次推广到分数的比例、积分、微分控制器,它比传统的PID控制器更能精确地控制复杂的被控系统。而参数的取值对控制效果的好坏起着决定性作用,为此提出了一种混合粒子群算法BFA-TPO优化参数值。该算法将具有趋化、繁殖和驱散特点的细菌觅食算法和参数少,易于优化的粒子群算法相结合来计算出精确的分数阶PID控制器的参数值。通过对传统PID控制器和分数阶PID控制器参数优化的实验仿真,结果表明基于该算法的分数阶PID控制不仅无超调量、收敛速度快,而且鲁棒性强、收敛精度高,可用于控制不同的对象和过程。

基于两种分数阶比例微分控制器的PMSM速度控制研究

设计两种分数阶比例微分(FOPD和FO[PD])控制器并应用到交流永磁同步电动机(PMSM)速度控制。文章重点研究在PMSM速度伺服系统中应用两种分数阶比例微分控制器的跟随性能和能耗,并和常规的整数阶控制器经行比较。仿真和实验结果表明:设计的两种分数阶控制器的控制性能和节能效果都要优于常规的整数阶控制器,FO[PD]控制器的动态性能和跟随性能最好,而FOPD控制器的节能效果最好。

新型单Buck逆变器三阶积分滑模控制策略

为进一步提高逆变器滑模控制器的稳态精度,针对一种由一个双向Buck变换器和桥式换向电路组成的单Buck型逆变器进行了三阶积分滑模控制策略的研究。在其等效电路的状态空间平均法动态模型基础上,采用微分几何理论中李导数方法阐述了滑模控制器的设计,同时给出了滑模切换面系数的选取方法。分别采用传统比例微分控制策略和三阶积分滑模控制策略进行了对比实验。实验结果表明三阶积分滑模控制大幅度减小稳态终值误差,改善了系统的稳态性能,同时具有良好的动态性能,减弱控制系统的干扰和漂移。实验验证了所采用三阶积分滑模控制策略的正确性。