Virtual Element Discretization of Optimal Control Problem Governed by Brinkman Equations

In this paper, we discuss virtual element method (VEM) approximation of optimal control problem governed by Brinkman equations with control constraints. Based on the polynomial projections and variational discretization of the control variable, we build up the virtual element discrete scheme of the optimal control problem and derive the discrete first order optimality system. A priori error estimates for the state, adjoint state and control variables in L2 and H1 norm are derived. The theoretical findings are illustrated by the numerical experiments.

A Priori Error Analysis for NCVEM Discretization of Elliptic Optimal Control Problem

In this paper, we propose the nonconforming virtual element method (NCVEM) discretization for the pointwise control constraint optimal control problem governed by elliptic equations. Based on the NCVEM approximation of state equation and the variational discretization of control variables, we construct a virtual element discrete scheme. For the state, adjoint state and control variable, we obtain the corresponding prior estimate in H1 and L2 norms. Finally, some numerical experiments are carried out to support the theoretical results.

一种无需指定船舶位置的新型船舶大规模自主编队方法

[目的]针对船舶大规模编队通信量大、编队速度慢、不便于扩充等问题,提出一种新型的虚拟壁面编队方法。[方法]使用局部通信,根据自然规律,设定虚拟作用力驱使船舶向目标位置集合,并通过虚拟壁面调整队形,从而实现船舶编队的目的。[结果]结果表明,所提方法能够按照“就近原则”快速地完成编队,通信量低且不随编队规模而增加。通过对船舶编队的静态、动态、旋转、缩放和避障的仿真验证了这种算法的有效性。[结论]所提虚拟壁面法具有通信量低、编队速度快、扩充简单等优势,在船舶大规模编队中具有明显优势。

一种虚拟同步发电机自适应阻尼补偿方法

针对系统电感对虚拟同步发电机控制系统存在等效负阻尼效应的问题,提出了一种自适应阻尼补偿方法。首先,基于虚拟同步发电机控制技术,通过dq变换和小信号分析建立系统的动态电磁方程和动态小信号模型。然后利用电磁转矩偏差分解出同步力矩系数和等效阻尼系数。最后根据等效负阻尼的产生机制,在有功-频率调节器中加入以系统频率、虚拟阻抗为自适应控制变量的阻尼补偿模块,实现对虚拟同步发电机阻尼的自适应补偿。通过MATLAB/Simulink仿真,并与基于传统的虚拟同步发电机控制方法及基于虚拟阻抗补偿方法等方法所获得的结果进行比较,表明文章所提出的自适应阻尼补偿方法具有更强的稳定性和更快的响应速度,验证了方法的有效性。

虚拟同步发电机参数设计及优化研究

虚拟同步发电机的参数众多,参数设计较为复杂,常规方法难以保证设计效果。针对该问题,采用控制变量的方法改变阻尼系数、转动惯量、下垂系数和积分系数值大小,在分析比较不同参数值下虚拟同步发电机的有功、无功动态响应效果的基础上,通过建立以系统动态响应稳定性能为目标的优化函数,提出了一种基于松鼠搜索算法的虚拟同步发电机参数优化设计方法。仿真结果表明,提出的参数优化设计方法能够更准确地选择出合理参数,有效提升了虚拟同步发电机的动态响应性能,具有较好实用性。

并网光伏发电机组中旋转机械驱动控制方法研究

并网光伏发电机组为了最大限度吸收太阳能,需要在面板底部安装旋转机械装置,以便可以随时调整方向,保证发电效率,该文研究了一种有效的并网光伏发电机组旋转机械驱动控制方法。计算并网光伏发电机组暂态响应和旋转机械动不平衡量,获取旋转机械的运行状态。将虚拟同步发电机控制策略、PI调节器和本体算法等自动化控制技术结合在一起,建立旋转机械驱动控制模型,控制并网光伏发电机组输出功率达到初始振荡幅值,实现对旋转机械的驱动控制。实验结果表明,该方法的振动幅度未超过0.6 cm,平均控制响应时间为1.28 s,失控率未超过7.5%,具有良好的驱动控制能力。

基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法研究

针对牵引电机存在的高转矩脉动问题,研究了基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法:设备层获取物理实体牵引电机运行数据后,经通信接口将数据传输至数据层存储;软件层调用数据层中的数据,采用Unity 3D软件完成牵引电机由物理实体到虚拟的数字孪生,构建牵引电机虚拟机三维模型,并通过显示层虚拟仿真平台展示虚拟模型及相关数据,操控者从虚拟仿真平台观察、分析虚拟模型及相关数据后,利用连续型定子磁链轨迹的控制方法,在牵引电机转速增加的情况下,通过连续转换定子磁链轨迹来降低牵引电机的转矩脉动,完成牵引电机的低转矩脉动虚拟控制。试验结果表明:构建的牵引电机虚拟机模型与物理机实体结构相同,仿真度较高,可利用以虚控实,降低牵引电机的转矩脉动,消除转矩失控的情况,保障牵引电机的安全运行。

分布式的温控负荷集群负荷跟随控制

温控负荷(thermostatically controlled loads,TCLs)集群作为一种灵活的可调度资源,已成为促进电网经济运行和帮助电网恢复稳定的有力手段之一。然而,由于温控负荷单体功率小、位置分散且参数各异,给调度带来了困难。为了灵活利用数量庞大的负荷侧资源进行负荷跟随控制,该文建立温控负荷的虚拟电池模型和负荷集群的聚合模型,并提出基于双层分布式通信网络的控制策略。上层利用分布式交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers,ADMM)来解决不同负荷聚合器的最佳跟随功率问题,以确保跟随效益最优;下层提出基于快速分布式平均一致性算法的深度神经网络(deep neural networks,DNN)的方法,使得聚合器内部的所有温控负荷以相等的虚拟电池荷电状态(state of charge,SoC)快速共享上层得到的跟随功率,并有效减少了通信数据量。不同时间尺度的算例验证提出的控制策略能够实现快速的负荷跟随,并保证用户侧的效益。

基于改进人工势场法的智能车辆避撞路径规划

针对传统人工势场法存在道路边界势场不完善和局部最优问题,文章提出一种改进人工势场法的智能车辆避撞路径规划。引入道路势场函数来描述道路边界,设立虚拟目标点来摆脱局部最优,建立道路环境模型;为了根据周边环境和车辆状态进行实时规划,设计分层避撞路径规划控制器,将道路环境模型引入上层路径规划器的目标函数中,利用模型预测控制(model predictive control,MPC)的优化算法规划出局部避撞路径,再将路径信息输入到下层跟踪控制器进行跟踪。MATLAB/Simulink与CarSim联合仿真实验结果表明,该避撞路径规划对于静态障碍物和动态障碍物都可以规划出平滑无碰撞的路径,保证车辆行驶的稳定性和安全性。

基于虚拟惯量计算的储能虚拟惯量补偿控制方法

为使储能装置能够根据与频率稳定相关联的惯量补偿目标执行补偿控制,提出了“基于虚拟惯量计算的储能虚拟惯量补偿控制方法”。首先依据参数的基本物理意义和储能控制模型,定义计算储能虚拟惯量(H_(BESS)),进而建立H_(BESS)与储能虚拟惯量控制相关参数的解析函数关系。然后提出由惯量补偿目标确定储能虚拟惯量控制参数,通过动态调节控制参数来跟踪惯量补偿目标的策略,即虚拟惯量补偿控制方法。最后通过独立微电网算例系统,验证了HBESS计算结果的精确性和控制策略的有效性。

基于粒子群算法的精轧AGC系统智能参数优化及实验设计

将经典粒子群(particleswarmoptimization,PSO)算法和4种不同改进形式的PSO算法应用于精轧自动厚度控制(automatic gauge control,简称AGC)系统PI控制参数的优化整定,设计了基于PSO-PI控制策略的精轧AGC智能优化控制系统。在控制参数的整定过程中,通过加权系数法将控制精度、动态响应特性等多项性能指标的优化问题转化为单目标优化问题,并通过仿真实验研究了各项控制指标权重系数对控制效果的影响。最后,基于PSO算法研究成果构建了精轧AGC智能优化控制虚拟仿真实验系统,为学生解决冶金自动化领域复杂工程问题能力培养提供了有力支撑。

模型补偿反步控制及其在四旋翼编队中的应用

针对多无人机受模型偏差和外部扰动导致的编队构型不稳定问题,提出一种模型补偿控制的思想,在此基础上设计基于补偿函数观测器(CFO)的模型补偿反步控制器并应用于编队协同控制,把编队协同控制问题转化为传统控制问题,实现多无人机在复杂外部扰动下的编队集合、飞行和队形切换。所提出的控制器不仅保留了基于Lyapunov准则的全局指数渐近稳定性,还采用CFO来准确估计模型偏差和干扰并补偿到控制器中,有效增强了编队系统整体的抗扰能力。最后通过仿真和实验验证了算法的有效性。

风电机组的自同步电压源控制研究综述

电力系统正朝着高比例新能源和高比例电力电子装置的“双高”特征方向发展,电压源风电机组具备建立电压、自主快速支撑电网电压和频率的能力,有助于“双高”电力系统的安全稳定运行,为“双高”电力系统的构建提供了一种可能的电源侧解决方案。文章依照电压源控制方法发展的脉络,首先阐述了并网变换器的电压源控制方法,进而针对风电变流器的双变换器特征,总结了电压源控制在两种主流风电机组中的应用,包括稳态频率响应和电网故障下的限流控制及暂态电压支撑等,给出了风电机组自同步电压源技术的现状。最后,对电压源风电机组大规模应用面临的技术挑战进行了展望,指出了技术攻关的方向。

基于完整度评价指数的编队控制方法研究

机器人在采用虚拟结构法编队行进时,编队刚性队形的位置约束对算力要求比较高,进而对机器人搭载的运算设备要求较高。针对上述问题,提出一种基于完整度评价指数的编队控制方法,在编队队形形成之后,通过评估编队队形完整度评价指数,机器人可以自主选择编队队形采用速度或位置约束方式,以实现编队控制。仿真实验结果表明,与虚拟结构法相比,采用完整度评价指数的编队控制方法能保持编队队形稳定,并可减少运算次数,节省机器人算力。

欠驱动无人艇集群协同编队路径规划仿真

针对欠驱动无人艇集群协同编队路径规划问题,在零空间行为法的基础上引入虚拟结构法,解决了零空间行为法存在的编队稳定性不足的问题。通过将欠驱动无人艇集群编队任务分解成三个优先级不同的子任务,分别求解每个子任务的任务输出函数,最后将所有子任务的任务输出函数进行综合,得到综合的任务输出函数。在MATLAB环境与基于QT Creat环境的无人艇仿真控制平台进行了仿真验证,仿真结果证明,上述算法的有效性与可行性,欠驱动无人艇集群能够达到编队路径规划目的。

永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法研究

为提高永磁直驱风电全功率变流器并联控制精度,研究了永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法。首先分析永磁直驱风电全功率变流器并联拓扑结构,建立永磁直驱风电全功率变流器模型,再计算无功功率受有功功率波动造成电压幅值产生波动,结合虚拟阻抗控制方法,实现对永磁直驱风电全功率变流器的并联控制。实验结果表明,采用该方法控制永磁直驱风电全功率变流器并联运行的机侧环流与网侧环流波动较为稳定,且环流控制精度较高,最高可达到99%,验证了该方法的控制性能。

构网型变流器对交流系统低频振荡的影响分析与阻尼控制

构网型变流器的控制环会影响交流系统的低频振荡模态,并且不同构网型控制策略的影响机理差异明显。为了研究不同构网型控制策略对交流系统低频振荡的影响,文中针对模块化多电平变流器,建立了同步机并联构网型变流器供电系统的阻尼转矩分析模型。基于此模型,对比分析了采用虚拟同步机控制、下垂控制和幅相控制的变流器典型控制回路对系统阻尼转矩分量的影响,并利用频率响应法揭示了主导控制环引发振荡失稳的机理。最后,利用所提模型研究了构网型变流器的关键控制回路改造方案,以提升系统阻尼。基于PSCAD/EMTDC开展电磁暂态仿真,验证了所提模型在机理分析和阻尼控制设计方面的有效性。

基于虚拟发电厂的火电机组厂级负荷两级分配方法研究

在新能源与火电结合发电中,虚拟电厂可以对电网需求侧进行调节,以减缓新能源发电的波动,起到消纳的作用。在虚拟发电厂概念下以火电厂和风电场作为一个整体,研究机组的负荷优化分配方法,建立了既考虑快速性又兼顾经济性的多目标厂级负荷优化分配数学模型,通过调整各目标函数的权值以满足不同情况下的目标需求,利用捕食遗传算法对数学模型进行求解,该方法改善了遗传算法收敛速度较慢的缺点,最后通过仿真进行试验分析。试验仿真结果验证了模型的有效性,提高了系统对风电的消纳能力。

双向全桥隔离DC/DC变换器最小峰值电流及其虚拟功率控制方法

针对双向全桥隔离DC/DC变换器,以减少变换器硬件与控制系统的设计成本为目标,该文重点开展相移控制方法研究。首先,为减小变换器峰值电流与磁性元件设计成本,分析了一种通用的三重相移控制方法,在此基础上,给出了相应的最小峰值电流控制算法。然后,针对现有最小峰值电流控制运算量和复杂性大的缺点,提出了一种虚拟功率控制方法,该算法可以取消负载电流传感器,且对电感参数无依赖性;最后,基于RT-LAB与TMS320F28335的硬件在环实验平台对所提出的算法进行了半实物实验验证。实验结果表明,在宽范围输入电压的情况下,基于该虚拟功率控制的最小峰值电流控制算法能有效地减小变换器的电流应力。