控制工程领域校内实践基地建设的探索与实践

结合全日制控制工程硕士研究生培养目标,针对专业学位硕士研究生实践能力培养存在的问题,从学生校外顶岗实习、参与导师科研项目和在校内实训基地接受实训等方面入手,提出解决方案.结合社会对毕业生能力的需求导向,建立具有实用价值的实训基地用于专业学位硕士实践能力的培养.

考虑状态受限和一致性的微电网二次控制

为解决交流微电网下垂控制产生的偏差问题,本文采用二次控制对分布式电源输出电压和频率进行调节.将微电网看成分布式多智能体系统,智能体间通过稀疏网络进行通信,运用多智能体一致性协议,本文提出一种基于障碍Lyapunov函数和自适应模糊系统的二次电压和频率控制器.采用障碍Lyapunov函数设计控制器,不但能保持系统的稳定性,还可使输出的电压和频率限制在预设的范围内.采用自适应模糊系统可对系统中的一些参变量的变化进行估计,提高了控制器的鲁棒性.本文给出了严格的稳定性证明.通过对负载变化,以及拓扑结构改变等的仿真测试,验证了所提方案的有效性.

考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制

以空间机械臂在轨服务的高精度要求为背景,研究不同重力环境下考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制。以二连杆空间机械臂为研究对象,建立基于轻杆模型的含间隙等效模型,使用Kane方程、力矩平衡原理建立摩擦模型,并运用拉格朗日方程建立机械臂动力学方程,设计无模型控制器。在此基础上分析不同重力环境下摩擦与间隙对机械臂关节驱动力、机械臂末端轨迹跟踪精度的影响,并与比例微分(PD)算法控制的机械臂末端轨迹跟踪效果相比较,验证在不改变控制器参数与结构的条件下,在不同重力环境下无模型控制算法的优越性。

波浪能转换装置控制技术的发展

从波浪能转换装置的类型及代表性装置阐述国外波浪能装置的发展现状,并对国内波浪能装置的发展进行说明;以当前最普遍使用的点吸收器为例,将功率最大化作为控制目标,从最优和次优的角度介绍经典控制技术及近年来提出的新型控制技术;根据波浪能转换装置研究现状,对未来波浪能转换装置控制技术的主要研究方向进行预测与分析,研究成果可为波浪能转换装置控制技术的进一步研究提供参考。

网络攻击下考虑状态受限的微电网安全运行与控制

攻击、干扰、不确定性通常存在于微电网中危害系统的安全运行.为了解决此问题,设计了一种带攻击补偿的电压控制器,以减小或抵消攻击对系统稳定性的影响.设计攻击观测器对微电网中受到的攻击进行观测;利用多智能体一致性协议,考虑全状态约束问题,采用正切型障碍Lyapunov函数约束所设计的状态量,使系统状态约束在预设范围内,并实现无功功率分配.采用自适应模糊系统对系统中一些参变量的变化进行估计,提高控制器的自适应能力.仿真验证了控制器的有效性.

基于动态基准的低复杂度特种车辆行驶调平控制方法

针对特种车辆行驶调平问题,提出基于动态基准的低复杂度控制方法。整车被分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的悬架节点。建立悬架节点动力学模型,将基于整车行驶动力学模型的位姿混合控制问题,转换为基于全驱型悬架节点动力学模型的单纯位移控制问题。提出并构建动态基准和基准误差,解决现有方法对车身铅垂高依赖和限制的技术瓶颈,同时提高车辆的通过性能。建立基于基准误差的扩张状态观测器,实现动态解耦,并提出一种低复杂度行驶调平控制方法。借助汽车系统仿真软件Carsim验证该方法的有效性。结果表明:与经典基于常值基准的整车型控制方法对比,在所提出方法作用下,车辆的行驶调平精度提高了一个数量级;特别是在路面激励幅度超过作动器行程的工况下,车辆的舒适性和安全性尤为改善。

考虑重力影响的柔性空间机械臂输出约束自适应PID容错控制

针对存在执行器故障的柔性空间机械臂轨迹跟踪问题,本文提出了一种基于奇异摄动的输出约束自适应比例积分微分(PID)容错控制策略。利用奇异摄动的方法和原理,将柔性空间机械臂控制系统解耦为快、慢子系统。慢子系统控制策略将执行器故障处理为符号固定但大小不固定的未知控制方向问题,并采用努斯鲍姆函数处理此问题,同时利用障碍李雅普诺夫函数(BLF)约束输出;快子系统中加入阻尼项抑制震荡。利用李雅普诺夫(Lyapunov)函数和相关定理证明了控制策略的稳定性。仿真结果表明,当系统受到执行器故障和变化的重力加速度影响时,控制策略可以使柔性空间机械臂精确地跟踪目标轨迹。

一种新型弱耦合并联髋关节康复机构设计及运动控制

针对髋关节功能障碍人群,提出了一种新型弱耦合并联髋关节康复机构,该机构与人体下肢组成封闭运动链,使其具有3个转动自由度,且其转动中心与人体髋关节中心重合,可满足髋关节康复运动需求。采用封闭矢量法建立了人-机逆运动学模型;采用数值法建立了人-机正运动学模型;基于模糊控制理论,设计了模糊自适应比例-微分(Proportional-Derivative,PD)控制器,利用跟踪误差及其导数构建控制律,采用模糊算法进行控制参数在线自适应调整。仿真和实验结果表明,设计的模糊自适应PD控制器响应速度快且跟踪效果良好。

基于自抗扰控制的机械臂末端力/位置控制

针对机械臂末端力/位置控制问题,提出一种基于自抗扰控制(ADRC)的间接力/位置混合阻抗控制方案,将间接力/位置混合控制与阻抗控制相结合,在机械臂未与环境接触时采用位置控制,在与环境接触后切换为间接力控制,并体现出阻抗特性。该方案将混合阻抗控制与ADRC相结合,根据机械臂与环境接触时的阻抗模型建立ADRC控制器,并将阻抗参数视为系统总扰动的一部分,利用扩张状态观测器进行估计补偿,实现在无需计算阻抗参数的情况下使间接力/位置混合阻抗控制器在面对扰动时有较好的稳定性和鲁棒性。完成二自由度机械臂模型的仿真,并与传统阻抗控制器进行了比较,结果验证了所提出的基于ADRC的间接力/位置混合阻抗控制方案的有效性。

基于参考模型的电液伺服位置跟踪控制

针对电液伺服系统中存在的参数不确定性与未知外部扰动等问题,提出一种基于参考模型的电液伺服位置跟踪控制方法。首先根据电液伺服系统的非线性方程建立了系统的状态空间模型,据此构建由理想参考模型和总扰动组成的控制系统结构;然后结合电液伺服系统状态空间模型分别设计理想参考模型和扰动观测器,实现参考模型输出可以精确跟踪给定输入信号和对系统总扰动的观测;最后设计控制律实现对总扰动的有效补偿和实际系统的输出对参考模型输出的精确跟踪。仿真与实验结果表明,基于参考模型的扰动观测器在电液伺服位置跟踪控制方面相比比例积分微分(PID)控制,可以有效地提高系统控制精度并减小系统动态控制误差,实现对给定输入信号准确的跟踪。

基于DSP的PFN触发时序控制系统设计及实验分析

为了缩小电磁发射系统电源的体积并更加准确地控制放电波形,设计并制作了一种基于数字信号处理器TMS320F2812的脉冲成型网络(PFN)触发时序控制系统。该系统的电路主要由时序控制、脉冲产生、高压触发和能量续流4部分组成,并采取了抗干扰措施。系统能输出多路控制脉冲信号,且各个脉冲信号间的时延可通过上位机进行设置。给出了该PFN在各个放电时序下的放电电流仿真及实验波形图,比较发现实验波形同仿真波形几乎相同,表明所提出的触发时序控制系统具有实用性及可靠性。

大缸径长行程液压缸试验台设计及工程实践

依据液压缸试验标准及现有液压缸试验台存在的不足,设计出能够对最大缸径为320 mm、最长行程为1 500mm、最大额定压力为16 MPa的液压缸进行型式试验的试验台。为了减小装机功率、满足被测试缸对加载力的需求以及提高测试效率,试验台液压系统采用了高低压泵组合、比例加载系统和同步定位系统;针对不同缸径、不同行程规格的被测试缸的试验要求,设计出一种新型的液压变行程可微调定位锁紧式液压缸试验台架,并结合ANSYS软件完成了强度校验。对安装调试中出现的故障问题进行处理,并对Ф200 mm的液压缸进行测试,结果表明:该试验台设计是合理的、达到了设计要求。

基于IHHO算法的光伏电池工程模型的参数辨识

针对HHO算法存在搜索过程调整不够灵活,不能针对性地进行阶段性搜索,有时会陷入局部最优使算法搜索精度相对较差等问题,提出了一种基于改进哈里斯鹰优化(IHHO)算法的参数辨识方法。对HHO算法进行了两项改进:引入柔性递减策略,在迭代初期扩大全局搜索范围,在迭代后期延长局部搜索时间,从而加强了初期的全局搜索能力和后期的局部搜索能力;引入黄金正弦法,不但增加了种群的多样性,减少算法陷入局部最优的可能性,并且缩小了搜索空间,提高了寻优效率。应用于光伏电池工程模型的参数辨识中,IHHO算法比其他算法得到的辨识结果更为精确,辨识结果与实测数据拟合度更高,IHHO算法能够在不同环境下对光伏电池的工程模型进行准确的参数辨识。

一种新的双目立体视觉伺服控制模型及实验研究

针对目前手眼视觉伺服系统模型中普遍存在深度信息估计的问题,提出了一种用于双目视觉伺服控制的模型,该模型避免了深度值的测量与估计,提高了系统的控制性能,从而解决了未知物点的深度信息估计的问题。本文应用此模型,单独考虑机器人的运动学特性,设计了机器人末端执行器进行定位控制的控制器,仿真结果验证了该模型与控制算法的有效性;进一步提出了模型使用的改进算法,使该模型更具有宽泛的实用性;并且,进行了基于MOTOMAN UP6型机器人的双目视觉伺服控制实验,实验结果验证了该模型在实际控制工程中的有效性、可行性。

自动化专业工程化模式实训基地建设与实践

展示了燕山大学自动化专业实训基地的发展现状,结合"校企合作"的培养模式,对ABB传动控制系统实训平台建设及实训内容进行了详细阐述,并指出了在实训基地建设中做出的重大改革和实践实施效果。最后,提出了以培养优秀工程技术人才为目标的实践教学改革方案,以实现人才培养质量与社会需求的最大化吻合。

波浪能转换装置主动控制研究现状与发展

波浪能是可再生的清洁能源,具有相当可观的发展潜力,但由于波浪的不规则运动等因素,波浪能发电系统的能量转换效率较低。本文关注于波浪能转换装置的主动控制,首先对波浪能发电原理进行了介绍,其次从波浪能转换装置控制模型的失配、未来波浪信息预测和能量输出系统的功率损耗三个方面,总结了近年来波浪能转换装置控制技术的现状与发展,最后指出了人工智能技术、多性能优化和阵列管理等方向是波浪能转换装置控制研究的发展趋势。

基于Hamilton多智能体系统的风力发电机组协同控制

针对风力发电复杂非线性系统,研究变风速条件下实现最大风能捕获。考虑风力发电系统的非线性因素,建立了每个风力发电机的Hamilton模型。基于多智能体一致性方法,采用互联有向图表征多风力机之间的通信联系;设计了预置控制器,将领导者风力发电机稳定到期望的平衡点以实现最大风能捕获;设计了一种领导—跟随一致性控制协议,以实现跟随者多风力发电机之间以及与领导者风力发电机的协同控制。仿真验证了所提控制策略的有效性和优越性。当某风力发电机发生通讯中断后,经过0.7 s的调整便跟踪上领导者风力发电机,波动最大值为1 rad·s^(-1),且所有风力发电机都实现了最大风能捕获。

考虑状态受限的微电网二次电压与频率固定时间控制

该文研究孤岛交流微电网二次电压和频率的固定时间精确控制问题,基于多智能体一致性方法,提出考虑状态受限的自适应模糊固定时间二次电压控制器和基于控制障碍函数的二次频率控制器。在多智能体一致性控制中,将每一个分布式电源视为一个非线性智能体,智能体之间通过稀疏网络进行通信。在电压控制器设计中,采用反馈线性化后未知变量的自适应模糊估计提高控制器的自适应能力,并引入新的滑模面使电压控制器在固定时间内收敛。考虑到系统状态受限问题,分别采用障碍Lyapunov函数和控制障碍函数设计电压与频率控制器,使系统状态在预设的约束范围内。频率控制器的设计还考虑了有功功率的精确分配问题,给出了严格的固定时间收敛及稳定性证明。在Matlab/Sim Power System环境下,对微电网负载变化及大干扰下的仿真验证了所提控制器的有效性。

分数阶PID控制在电动变载荷加载系统中的应用

针对电动变载荷加载系统中存在的强耦合、加载过程中的多余力干扰、电机内部的高度非线性化和时变性等问题,为提高电动变载荷加载系统的动态性能和控制效果,将分数阶PID控制器应用于电动变载荷加载系统中,该控制器较常规PID多了2个可调参数,能更灵活地控制受控对象,采用Oustaloup近似化方法对分数阶算子近似化处理,用改进惯性权重ω的粒子群优化算法对分数阶PID控制器参数进行整定优化。选取不同加载压力的输出波形对电动变载荷加载系统模拟仿真并在电动变载荷摩擦磨损试验平台上进行加载试验,通过实验数据求出加载过程中的摩擦力、摩擦系数和加载压力的跟踪曲线与误差曲线图,然后和常规PID对比。试验结果表明,分数阶PID控制器抗干扰性强、跟踪精确度高,有更好的控制效果。

基于龙伯格观测器的感应电机预设性能位置跟踪优化控制

考虑暂稳态约束、控制参数优化及参数摄动和负载扰动等对感应电机位置跟踪控制性能的影响,本文提出了一种基于龙伯格观测器的预设性能优化控制方法.首先,针对电机转子磁链在实际中不可测的问题,采用龙伯格观测器对其进行了快速准确的估计.其次,基于反步法完成感应电机位置预设性能控制器的设计,基于变增益指数趋近律完成感应电机磁链滑模控制器的设计,通过构造干扰观测器对电机系统中由参数摄动和负载扰动引起的不确定项进行观测,实现了对系统给定值准确的跟踪控制.再次,将遗传算法(GA)与改进的粒子群优化(IPSO)算法相结合,对所设计的控制器参数进行优化整定,进一步提高了系统的收敛速度和稳态精度.基于李雅普诺夫稳定性理论分析表:所设计的控制器能够保证位置跟踪误差一直处于预设边界内,且整个闭环系统是全局一致有界稳定的.最后,通过仿真和模拟实验对比分析验证了本文所提方法的有效性及在实际电机系统中应用的可行性.