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一种小天体探测器绕飞轨道主动抗扰控制方法

宇航学报 2022年第7期43卷 938-945页

作者：姚文龙杨珂邵巍刘毅青岛科技大学自动化与电子工程学院青岛266061 北京理工大学宇航学院北京100081

针对小天体绕飞探测过程中,探测器受到的非球形引力摄动及太阳光压等多源扰动问题,结合绕飞探测的周期性特点,提出一种小天体探测器绕飞轨道主动抗扰控制方法。首先,通过迭代学习控制对小天体探测器受多源扰动影响产生的误差进行抑制,... 详细信息

针对小天体绕飞探测过程中,探测器受到的非球形引力摄动及太阳光压等多源扰动问题,结合绕飞探测的周期性特点,提出一种小天体探测器绕飞轨道主动抗扰控制方法。首先,通过迭代学习控制对小天体探测器受多源扰动影响产生的误差进行抑制,然后设计扰动观测器估计系统总扰动,构造自适应律实时估计扰动上界,进而设计控制律对总扰动进行主动补偿。最后以243Ida作为目标天体进行绕飞探测仿真分析,结果表明该控制方法能更加有效地提高小天体探测器的轨道跟踪控制精度。

关键词：小天体探测绕飞段轨道跟踪主动抗扰迭代学习控制

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积分滑模-主动抗扰的复合轨压控制研究

内燃机与动力装置 2023年第1期40卷 59-64页

作者：熊嘉伟贾瑞宋国梁单晓涵付文杰潍柴动力股份有限公司山东潍坊261061

为解决高压共轨系统采用比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制时出现的轨压控制不精确问题,分别采用模糊PID控制、积分滑模控制(integral sliding mode control,ISMC)、ISMC与主动抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)复合控制策略,仿真分析高压共轨系统阶跃及自由加速工况下的轨压偏差。结果表明:对比PID控制,ISMC-ADRC复合控制策略、ISMC策略的超调量均减少77%,稳定时间均减少62%;对比ISMC,采用ISMC-ADRC复合控制策略系统抖振现象减弱,稳定时轨压偏差绝对值静态误差减少80%,且抗干扰能力明显提高。

关键词：高压共轨滑模控制主动抗扰 PID

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机载光电载荷视轴指向控制技术综述

光学精密工程 2018年第7期26卷 1642-1652页

作者：车鑫贾平田大鹏中国科学院航空光学成像与测量重点实验室吉林长春130033 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

针对远距离、长焦距、高分辨机载光电成像载荷对提升视轴指向控制精度的迫切需求,从电流、速度、位置三环控制的基本原理入手,对电机的力矩控制、干扰的抑制、对延迟的鲁棒性等问题进行了分析。首先,分析了新型无刷电机电流驱动和控制... 详细信息

针对远距离、长焦距、高分辨机载光电成像载荷对提升视轴指向控制精度的迫切需求,从电流、速度、位置三环控制的基本原理入手,对电机的力矩控制、干扰的抑制、对延迟的鲁棒性等问题进行了分析。首先,分析了新型无刷电机电流驱动和控制方法及相应的优缺点。论述了主动抗扰内回路以及速度反馈外回路控制问题,从算法的角度提高对视轴运动速度的控制性能;另一方面,考虑机械结构刚度对控制增益的制约,从两级控制结构的角度对相应的控制方法进行分析。对目标跟踪控制这一典型位置环控制问题进行了分析,从时滞反馈控制的角度论述了相应的理论研究进展。最后,综合当前技术发展趋势给出机载光电载荷视轴指向控制技术的思考和建议。

关键词：机载光电载荷视轴指向控制主动抗扰两级控制目标跟踪

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基于负载转矩主动观测的柴油机瞬态转速控制研究

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基于负载转矩主动观测的柴油机瞬态转速控制研究

作者：邵灿天津大学

学位级别：硕士

转速控制的平稳性是影响发电用柴油机的关键性能,在实际应用中由于存在突变负载,加上柴油机自身转矩产生的过程复杂,导致转速在瞬态响应过程可能出现大幅的波动。传统上基于PID原理的柴油机转速控制方法,易受到老化变异现象的影响,控制... 详细信息

转速控制的平稳性是影响发电用柴油机的关键性能,在实际应用中由于存在突变负载,加上柴油机自身转矩产生的过程复杂,导致转速在瞬态响应过程可能出现大幅的波动。传统上基于PID原理的柴油机转速控制方法,易受到老化变异现象的影响,控制性能持续恶化。为彻底改善发电用柴油机转速控制难题,本研究提出以一种基于负载转矩主动观测和关键模型参数在线学习相结合的柴油机转速主动抗扰控制算法,力图解决控制参数标定量大、负载突变过程转速波动大和控制效果随设备老化变异而恶化的难题。作者以一台中重型涡轮增压柴油机为研究对象,建立了柴油机仿真平台。通过测试数据对仿真模型进行了标定,以达到满足研究需求的精度。为验证算法在嵌入式控制器中的有效性,构建硬件在环测试平台。针对在负载变化过程中转速波动大的问题,设计了基于负载转矩在线观测的柴油机转速主动抗扰控制算法。通过机理建模和数据驱动建模相结合的方式,构建柴油机转速动态模型。基于转速动态模型,采用等效等变化率负载转矩模型对负载转矩变化率状态进行观测。同时去除转速可测量状态的观测,设计得到降阶负载转矩观测算法。算法在Simulink环境实现并下载于自主研发的嵌入式控制器上,硬件在环测试验证结果表明:在突变负荷的作用下,优化得到的降阶负载转矩观测算法转速波动幅度和转速恢复时间分别有38.9%和35.3%的改善。台架试验结果表明:在突变负荷的作用下,优化得到的降阶负载转矩观测算法在转速控制效果上改善幅度超过45%,效果显著。为弥补转速动态预测模型离线辨识过程的局限性,及发动机状态会随使用时间变化的特性,提出了基于递推最小二乘方法的模型参数自学习算法,对摩擦转矩模型参数和指示热效率在线调整。硬件在环测试验证表明:摩擦转矩模型学习可以在断油停机过程6s内完成参数的在线学习。在指示热效率学习的过程中,可以在稳态工况下1.5s内学习得到实际指示热效率,学习误差在3%以内。模型参数自学习算法开启后转速控制效果有24.3%的提升。有望实现柴油机转速控制效果在全生命周期的控制效果自趋优。

关键词：发电用柴油机转速控制负载观测主动抗扰参数自学习

无人驾驶公交车进出站纵向运动规划和跟踪控制算法研究

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无人驾驶公交车进出站纵向运动规划和跟踪控制算法研究

作者：徐顺鑫天津大学

学位级别：硕士

对无人驾驶城市公交车进出站过程进行精确地纵向控制可以提高整条公交路线的运输效率。无人驾驶公交车稳步出站和精准停站的关键在于车辆行驶速度的规划和控制。在城市结构化道路中,如何为公交车规划出安全、舒适、停靠位置精准的速度... 详细信息

对无人驾驶城市公交车进出站过程进行精确地纵向控制可以提高整条公交路线的运输效率。无人驾驶公交车稳步出站和精准停站的关键在于车辆行驶速度的规划和控制。在城市结构化道路中,如何为公交车规划出安全、舒适、停靠位置精准的速度并进行控制是值得关注的问题。因此,本文提出了一种面向公交车进出站场景的纵向运动规划和控制算法。主要研究内容如下:1)提出一种基于梯形速度约束的城市结构化道路速度规划算法。首先,基于S-T坐标系构建速度规划QP问题的目标函数,以初始约束条件进行初步优化求解。其次,针对约束条件中没有考虑包括执行器特性和车身尺寸在内的安全距离以及与障碍物碰撞前减速时间较晚等问题,采用基于安全距离的动态障碍物梯形速度规划算法进行速度求解。最后以求解的速度作为QP速度规划算法的非线性约束,得到满足进站位置准确性、安全性和舒适性的期望速度。仿真结果表明,该算法可以有效躲避结构化道路中动静态障碍物,规划的停车位置误差为0.13m。2)提出一种质量-坡度参数联合学习算法。首先,利用纯电动公交车驱动扭矩信息能够准确获取的特点,采用高频分析法进行整车质量参数学习,从而对质量和坡度进行解耦。其次,采用基于状态观测的动力学坡度参数学习与基于加速度信息的运动学坡度参数学习相融合的方法实现对道路坡度参数的学习。最后,通过MATLAB/Simulink与Truck Sim联合仿真,测试结果表明:质量学习的平均绝对值误差为168.524kg,平均绝对百分比误差为2.56%,坡度学习的平均绝对值误差为0.173°,平均绝对百分比误差为2.08%,满足驱动/制动切换策略和模型前馈控制的精度要求。3)提出一种基于参数自学习的主动抗扰纵向控制算法。首先,建立了面向控制的纯电动公交车纵向动力学模型,基于该逆模型和质量-坡度参数学习结果进行前馈控制器设计,提高纵向控制的响应性。其次,纵向系统高度非线性、动态响应迟滞以及老化变异带来的不确定性问题,通过设计ESO观测器进行扰动补偿,进行反馈控制器设计,提高控制系统的稳定性和自适应性。仿真结果表明,设计的控制算法使停车位置误差减小了85.2%。在各例公交车进出站场景中,设计的控制算法冲击度在区间[-0.59m/s ,0.57m/s]之内,满足了不同进出站场景的驾乘舒适性要求以及停站精准性要求。实车结果表明,本文控制算法对低速直线行驶、低速转盘行驶、起步出站和停车进站都具有良好的鲁棒性和自适应性。

关键词：无人驾驶公交车进出站速度规划参数自学习主动抗扰纵向控制

参数自学习下的多变量协同VGT-EGR柴油机空气系统控制研究

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参数自学习下的多变量协同VGT-EGR柴油机空气系统控制研究

作者：孙菀露天津大学

学位级别：硕士

采用可变截面涡轮增压-废气再循环(VGT-EGR)技术,实现对柴油机空气系统增压压力和EGR率的控制,对改善柴油机动力性、经济性及排放特性十分重要。然而柴油机空气系统是一个典型的多变量、强耦合的复杂非线性系统,其控制上面临着标定复杂... 详细信息

采用可变截面涡轮增压-废气再循环(VGT-EGR)技术,实现对柴油机空气系统增压压力和EGR率的控制,对改善柴油机动力性、经济性及排放特性十分重要。然而柴油机空气系统是一个典型的多变量、强耦合的复杂非线性系统,其控制上面临着标定复杂、调参难度大等工程难题。针对以上问题及现状,本文提出一种反步结构下的空气系统多变量协同解耦控制算法,同时配套算法的参数自学习功能,在实现空气系统解耦,取得理想控制效果的同时,大大降低控制器复杂程度和标定工作。首先,本文以一台六缸四冲程VGT-EGR柴油机为研究对象,基于GT-Power建立了控制系统仿真平台,通过发动机台架试验的测试数据对仿真平台的对象模型进行了标定,以达到满足要求的精度。为验证算法在嵌入式控制器中的有效性和工程实现性,构建硬件在环测试平台。其次,针对空气系统控制难题,设计空气系统解耦控制算法及相关对比算法。建立面向控制的空气系统简化模型,服务于控制算法设计,经验证,该模型精度可达85%以上。基于反步控制结构和多输入多输出控制模式下的主动抗扰控制实现空气系统解耦,设计多变量形式的扩张状态观测器和线性误差反馈控制律,完成对空气系统中涡前压力和EGR率的解耦控制;基于反步法实现对涡前压力这一空气系统耦合点的监管和对增压压力的控制,至此完成对空气系统增压压力和EGR率的协同控制;引入模型信息前馈和目标值变化率前馈,进一步修正控制律,提高控制精度并优化动态响应特征。根据面向控制模型,基于比例-积分-微分(PID)类、模型信息类和抗扰类三类典型空气系统控制范式,设计三种对比控制器,用于本研究的对比验证。再次,针对控制算法参数的整定问题,基于被控对象信息和递推最小二乘法,对算法参数进行自学习。针对学习的准确性问题,设计“持续激励条件判定-参数合理性-参数闭环控制有效性”三层管理架构,对参数自学习过程进行监督管理,以保证学习到的参数合理准确。对参数自学习模块的验证结果表明,管理架构的使用,可以使自学习算法快速收敛,并很大程度地提升了所学习参数的准确性和学习效果;结果同时验证了该模块在全工况范围的有效性和鲁棒性。最后,对本文控制算法进行模型在环(MIL)测试、联合仿真测试、硬件在环(HIL)测试与相应的对比验证。MIL测试结果表明,反步结构、多输入多输出控制模式以及模型信息前馈的使用,均可以有效协同执行器动作、提升动态响应速度、减少响应超调;目标值变化率前馈的使用,可以有效消除追踪相位差;本文提出的控制器比起传统算法下的对比控制器,在控制的调节时间和超调量上存在显著优势。联合仿真测试结果验证了本文控制算法全工况下的鲁棒性,以及对比传统算法的优越性,在FTP75驾驶循环测试中,本文控制算法在对增压压力和EGR率的控制上,绝对误差积分(IAE)值分别低至1.82%和2.99%,比起对比控制算法,IAE值分别降低54%和57%。在Aurix TC397上的处理器在环(PIL)测试结果验证了本文控制算法在嵌入式硬件系统中的计算有效性和实时性。HIL测试结果表明,在HIL中本研究所提出的算法可以在全工况下实现对空气系统快速、稳定、准确的控制,控制系统在d SPACE等软硬件设备上具有可实现性和有效性,验证了算法用于实际被控对象上的可行性、有效性及鲁棒性。综上,本文提出的空气系统解耦控制算法具有理想的性能和鲁棒性,解决了标定及调参难题,易于工程实现。

关键词： VGT-EGR柴油机空气系统多输入多输出控制反步控制主动抗扰参数自学习

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增压直喷式双VVT汽油机负荷控制研究

增压直喷式双VVT汽油机负荷控制研究

作者：邹栋华北水利水电大学

学位级别：硕士

随着环境污染、能源危机的加剧,世界各国都提出了越来越严苛的排放法规,节能减排已经深入人心。相对传统汽油机,小型强化汽油机能降低泵气损失,具有较好的动力性和经济性,已逐渐成为汽车市场主流。缸内直喷、涡轮增压和双VVT技术是小型... 详细信息

随着环境污染、能源危机的加剧,世界各国都提出了越来越严苛的排放法规,节能减排已经深入人心。相对传统汽油机,小型强化汽油机能降低泵气损失,具有较好的动力性和经济性,已逐渐成为汽车市场主流。缸内直喷、涡轮增压和双VVT技术是小型汽油机节能减排的核心。本文基于一款1.0T三缸直喷双VVT汽油机开发了Open-ECU控制器,基于扭矩架构设计了控制策略,采用了主动抗扰思想进行执行器控制,实现了发动机的稳定运转,并优化了控制效果。首先,搭建实验台架,开发硬件平台和基础软件平台,硬件平台以英飞凌的32位多核单片机TC27x为核心控制单元,包括电源管理、最小系统、信号采集、boost升压电路、点火驱动、低边驱动、喷油器驱动、CAN通信等模块。基础软件设计包含发动机位置、复杂信号驱动、A/D转换、I/O输入输出、通信、故障诊断和任务调度等模块,为发动机的稳定运转打下基础。其次,基于扭矩架构进行整体控制策略开发,其中包含扭矩管理、空气模型、增压压力控制、节气门控制、VVT控制、歧管压力控制、空燃比控制、轨压控制、点火角控制、爆震控制、发动机状态机、发动机保护及故障诊断等模块。策略以原始油门扭矩为基础,在慢速扭矩控制过程中通过控制目标进气量,从而控制节气门;在快速扭矩中控制目标点火效率,从而控制点火角来达到需求扭矩的快速响应。最终在扭矩架构管理模块输出空气系统执行器的目标值,实现对节气门、增压器以及VVT的扭矩分配。根据各个执行器的工作特点,建立相应的控制器模型,实现执行器的快速响应和稳定控制,优化了发动机的控制效果。再次,在执行器的控制过程中,设计PID控制器来进行各个执行器的控制,在调试过程中,发现采用单一PID参数常常不能满足复杂控制对象的需要,常常采用分段式PID,需要大量的参数标定,增加了调参的难度,且废气阀与VVT的控制均面临着不同程度的外部干扰,很难达到理想的控制效果。采用基于主动控制器ADRC(Active Disturbances Rejection Controller)的控制思想,通过带宽来表征ADRC需要整定的参数,利用带宽进行参数的调试,直接产生作用,经过建模和大量的实验分析,ADRC控制器可以实现较好的控制效果。实验表明,本研究提出的基于扭矩的增压直喷双VVT汽油机负荷控制策略能够实现负荷的快速稳定控制,与传统的控制策略相比,在跟踪精度、瞬态响应和参数调试方面具有一定优势。

关键词：缸内直喷多核单片机扭矩架构主动抗扰负荷控制