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基于Hamilton系统理论的直流配电系统镇定控制

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高电压技术 2023年第9期49卷 3999-4010页

作者：李云利彭克张新慧姜妍刘雨昕蔡元鑫山东理工大学电气与电子工程学院淄博255000

随着分布式发电及电动汽车的大规模接入,直流配电系统中的随机因素日益增加,直流源荷设备的随机性扰动以及交流线路参数、滤波电容参数的不确定性都会影响到系统的稳定性。建立了直流配电系统随机动态模型,提出了基于Hamilton系统理论... 详细信息

随着分布式发电及电动汽车的大规模接入,直流配电系统中的随机因素日益增加,直流源荷设备的随机性扰动以及交流线路参数、滤波电容参数的不确定性都会影响到系统的稳定性。建立了直流配电系统随机动态模型,提出了基于Hamilton系统理论的随机稳定控制方法,设计了预反馈控制律及镇定控制器,搭建了仿真及实验系统,并对比了加入镇定控制器前后的系统动态特性及稳定性,仿真和实验结果表明,所设计的镇定控制器能够抑制随机扰动产生的振荡现象,提高系统的动态特性及稳定性。

关键词：直流配电系统 Hamilton系统理论预反馈控制律镇定控制随机因素动态特性稳定性

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海上舷梯末端点位置终端滑模镇定控制

大连海事大学学报 2023年第3期49卷 97-105页

作者：林泽吴正平杜佳璐三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002 大连海事大学船舶电气工程学院辽宁大连116026

针对海上舷梯末端点位置镇定控制问题,通过运动学反解,计算出补偿海浪引起的船舶摇荡运动对舷梯末端点位置的扰动,保证舷梯末端点位置在惯性坐标系下保持不变的舷梯关节期望位置;综合考虑舷梯动力学模型参数不确定及海浪引起的船舶摇荡... 详细信息

针对海上舷梯末端点位置镇定控制问题,通过运动学反解,计算出补偿海浪引起的船舶摇荡运动对舷梯末端点位置的扰动,保证舷梯末端点位置在惯性坐标系下保持不变的舷梯关节期望位置;综合考虑舷梯动力学模型参数不确定及海浪引起的船舶摇荡运动对舷梯的扰动力,构造扩张状态观测器(ESO),估计由参数不确定及海浪引起的船舶摇荡运动对舷梯的扰动力组成的总扰动;进一步,设计基于ESO的终端滑模关节位置跟踪控制律,保证舷梯的关节位置跟踪其期望位置。理论分析证明了所构造的ESO的状态估计误差有界和所设计的基于ESO的终端滑模控制律使舷梯的关节位置跟踪误差在有限时间内收敛至零,从而保证舷梯末端点位置在惯性坐标系下保持不变。仿真结果验证了设计控制律的有效性。

关键词：海上舷梯末端点位置终端滑模控制镇定控制扩张状态观测器(ESO)

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三自由度并联船载稳定平台镇定控制研究

三自由度并联船载稳定平台镇定控制研究

作者：刘文吉大连海事大学

学位级别：硕士

船舶受风、浪等海洋环境的影响会产生横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和艏摇运动,不可避免地威胁到船用起重机等船载设备的运行安全,船舶动力定位系统可抑制船舶的横荡、纵荡和艏摇运动,并联船载稳定平台可隔离船舶的横摇、纵摇和升沉运... 详细信息

船舶受风、浪等海洋环境的影响会产生横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和艏摇运动,不可避免地威胁到船用起重机等船载设备的运行安全,船舶动力定位系统可抑制船舶的横荡、纵荡和艏摇运动,并联船载稳定平台可隔离船舶的横摇、纵摇和升沉运动对船载设备的扰动,保证船载稳定平台上船载设备在惯性空间保持稳定,使其作业就像在陆地上一样,提高作业效率并增加可工作时间窗。然而,并联船载稳定平台是一个具有高度非线性、强耦合、变负载的多变量系统,存在动态不确定与未知外界扰动。因此,开展并联船载稳定平台镇定控制研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。首先,设计了具有升沉、横摇和纵摇三个自由度的并联船载稳定平台(以下简称船载平台),对所设计的船载平台进行运动学分析,并利用Matlab实现运动学反解计算,利用Adams进行运动学仿真,验证运动学反解的正确性,并为动力学建模奠定基础;进一步,考虑船载平台液压执行机构,根据运动学分析结果并采用虚功原理法,建立船载平台动力学模型,并利用Matlab和Adams验证所建立的动力学模型的正确性及所设计船载平台机构的合理性,为船载平台镇定控制策略的研究奠定基础。然后,采用任务空间控制方案,设计船载平台比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制律,实现船载平台镇定控制;将船载平台存在动态不确定与未知外界扰动视为总扰动,构造超螺旋扩张状态观测器(super-twisting extended state observer,STESO)为船载平台总扰动提供有限时间在线估计,基于此,设计船载平台超螺旋滑模(super-twisting sliding mode,STSM)镇定控制律,保证船载平台镇定控制误差渐近收敛于零。进一步,改进了传统的超螺旋算法,以减轻其固有的抖振,依据改进的超螺旋算法,构造新型自适应STESO,基于此,设计船载平台新型自适应STSM镇定控制律,使得船载平台支撑面被渐近调节于惯性空间中某一期望的位姿。利用Matlab/Simulink,分别在船载平台模型参数摄动及不同海况下进行仿真研究,仿真结果验证了所提出的船载平台镇定控制律的有效性以及对参数摄动和环境扰动的鲁棒性。进一步,针对船载平台液压执行机构中的各液压缸设计了分数阶PID力跟踪控制律,并采用无稳态振荡极值搜索算法对所设计的分数阶PID力跟踪控制律进行参数整定,利用AMESim与Matlab/Simulink进行联合仿真,并与PID力跟踪控制器进行仿真比较,仿真结果表明所设计的液压执行机构分数阶PID力跟踪控制律的有效性及较传统PID控制的优越性。最后,基于Adams、AMESim与Matlab/Simulink搭建船载平台镇定控制仿真系统,进行联合仿真,仿真结果表明在有义波高2.5m的海况下,进一步验证了所提出的船载平台镇定控制方案使船载平台可有效补偿船舶横摇、纵摇和升沉运动。

关键词：船载稳定平台动态不确定未知外界扰动镇定控制超螺旋算法

考虑输入受限及干扰影响的欠驱动TORA系统的镇定控制研究

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考虑输入受限及干扰影响的欠驱动TORA系统的镇定控制研究

作者：崔臣臣湖南科技大学

学位级别：硕士

具有旋转激励的平移振荡器(Translational Oscillator with Rotating Actuator,TORA)的控制输入个数少于自由度的个数,是一类典型的欠驱动系统。同时由于它具有强耦合,高度非线性的特点,常被作为一种欠驱动基准系统用于非线性控制器设... 详细信息

具有旋转激励的平移振荡器(Translational Oscillator with Rotating Actuator,TORA)的控制输入个数少于自由度的个数,是一类典型的欠驱动系统。同时由于它具有强耦合,高度非线性的特点,常被作为一种欠驱动基准系统用于非线性控制器设计及非线性控制算法的性能检验。此外,在工程上,TORA系统常作为主动质量阻尼器(Active Mass Damper,AMD)用于大型实际工程系统的主动振动抑制。因此,对TORA系统进行控制问题研究具有重要的理论和实际意义。目前国内外对欠驱动TORA系统进行了比较广泛的研究,也取得了丰富的研究成果,但是在实际应用中,系统的输入由于物理特性的限制只能提供有限的控制力矩,而且出于成本及系统结构的考虑,系统的角速度信息往往难以测量。此外,系统还不可避免地会受到各种不确定外界干扰的影响,所以有必要研究欠驱动TORA系统在输入受限及外界干扰影响的输出反馈控制问题。本文以欠驱动水平TORA系统为研究对象,结合生物启发模型、新颖储能函数和线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)技术,研究欠驱动TORA系统在输入受限、角速度不可测及外界干扰影响下的镇定控制问题,旨在提出一种非线性有界输入的输出反馈镇定控制方法。具体工作如下:(1)针对输入受限的问题,提出一种基于生物启发模型的欠驱动TORA系统有界输入稳定控制方法,解决实际应用中执行器存在饱和约束的问题。首先,根据系统的无源特性构造一种新颖的Lyapunov函数;然后,考虑执行器的饱和约束条件,引入受生物启发建立的神经动力学模型,利用其有界和平滑输出特性设计一种有界输入的控制器;最后,根据Lyapunov稳定性理论和LaSalle不变集原理对系统的稳定性进行严格的数学分析与证明,并在MATLAB上进行仿真测试。测试结果表明,所提方法保证了系统所需的控制输入力矩不超过执行器可提供的最大输入力矩,而且在稳定时间、振荡幅值和鲁棒性等方面具有更好的性能。(2)针对小球角速度不可测的问题,提出一种基于新颖储能函数的欠驱动TORA系统输出反馈控制方法,解决角速度不可测的问题。首先,构造一种增加了辅助信号的新颖储能函数;然后,利用Lyapunov稳定性理论直接推导出以饱和函数实现的限幅控制律和动态产生虚拟角速度信号的辅助信号,实现系统的输出反馈控制;最后,根据Lyapunov稳定性理论和LaSalle不变集原理对系统的稳定性进行严格的数学分析与证明,并通过仿真测试进行验证。仿真测试表明,所提控制方法不需要角速度信息的反馈就可以实现系统的镇定控制,且输入力矩始终不超过设定的最大输入力矩。另外,所提控制方法具有稳定时间短,超调量低,鲁棒性强等优点。(3)针对外界干扰影响的欠驱动TORA系统,提出一种基于LESO的连续状态反馈控制方法。首先,通过坐标变换将整个系统变换为两个子系统组成的级联模型;然后,利用Backstepping控制的思想,对第一个内环子系统设计一种虚拟控制输入实现内环子系统的镇定控制,对第二个子系统构造LESO用于观测外界不确定干扰,并在此基础上设计一种连续状态反馈控制器;最后,采用Lyapunov稳定性理论和LaSalle不变集原理对TORA系统的闭环稳定性和LESO的收敛性进行严格的分析与证明。仿真测试表明所提方法可以对外界未知干扰进行有效的估计和补偿,不仅降低控制系统对系统模型的依赖性,使得控制器具有更好的鲁棒性,而且设计过程清晰,控制过程连续,使系统具有更平滑的控制性能。

关键词： TORA 欠驱动系统输入受限输出反馈镇定控制线性扩张状态观测器

状态受限和输入饱和的两类欠驱动系统的跟踪镇定控制研究

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状态受限和输入饱和的两类欠驱动系统的跟踪镇定控制研究

作者：田林燃曲阜师范大学

学位级别：硕士

欠驱动系统广泛存在于实际生活中.由于其控制输入维数要小于自由度数量,在控制过程中不光要兼顾无驱动部分的稳定性,还要通过状态之间的强耦合性来实现无驱动部分的控制,无疑大大增加了控制设计的挑战性.同时考虑到欠驱动系统在应用时,... 详细信息

欠驱动系统广泛存在于实际生活中.由于其控制输入维数要小于自由度数量,在控制过程中不光要兼顾无驱动部分的稳定性,还要通过状态之间的强耦合性来实现无驱动部分的控制,无疑大大增加了控制设计的挑战性.同时考虑到欠驱动系统在应用时,不仅会有状态约束或者输入饱和这种限制条件,还会受到各种扰动的影响,而一般的非线性控制方法无法很好的处理这些问题.因此研究带有状态受限和输入饱和的欠驱动系统的控制方法具有非常重要的理论价值和应用意义.本文主要针对柔性关节机械臂系统和欠驱动水面船舶系统在干扰、状态受限以及输入饱和的条件下进行跟踪镇定控制设计,其中主要内容归结如下:·针对一类具有全状态约束和外界干扰的柔性关节机械臂系统,设计了一种非线性跟踪控制器.首先,引入非线性扰动观测器,保证扰动的渐近估计;然后,利用状态依赖函数转换,将原始的状态约束系统转换为新的无约束系统.随后,提出了一种基于非线性扰动观测器的跟踪控制器,使输出跟踪误差收敛到一个预定义的紧集,该紧集可以调整为任意小并严格证明了所有闭环系统信号的有界性.最后,仿真结果表明了该控制算法的有效性.·针对一类非对称欠驱动水面船舶系统,在输入饱和的情况下,设计了一种镇定控制器.在进行控制设计之前,将水面船舶系统通过状态和输入变换转化为具有最小相位的级联非线性系统,最后引入圆形轨迹将镇定问题转化为跟踪问题.在此基础上,将级联跟踪误差系统的等效子系统转化为非完整的新系统,并应用Nussbaum函数,设计了饱和跟踪控制律.稳定性分析表明,所设计的控制器可以通过选择一个足够小的圆半径使系统状态收敛到零,同时也能达到期望的输入饱和.仿真结果表明了该控制算法的有效性.·针对具有输出约束的全驱动水面船舶,分别提出了自适应跟踪控制器和基于扰动观测器的有限时间跟踪控制器.采用两种障碍李雅普诺夫函数来处理输出约束.应用正切型障碍李雅普诺夫函数和自适应控制技术设计了自适应跟踪控制器,应用对数型障碍李雅普诺夫函数和有限时间扰动观测器提出了有限时间轨迹跟踪控制器.在这两种控制器的作用下,都可以实现给定的输出约束,且闭环误差系统是半全局渐近稳定的.仿真结果验证了两种控制策略的有效性.

关键词：欠驱动系统非完整系统状态依赖函数变换输入饱和全状态约束跟踪控制镇定控制

广义时滞T-S模糊系统的容许性分析及镇定控制

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广义时滞T-S模糊系统的容许性分析及镇定控制

作者：王浩青岛大学

学位级别：硕士

广义系统也称为广义状态空间系统、微分代数系统和描述系统等,是一种由微分方程和代数方程综合描述的系统。相比一般系统,广义系统的适用范围更广。在实际应用中,大部分的控制系统都是非线性系统,而T-S模糊模型通过“IF-THEN”模糊规则... 详细信息

广义系统也称为广义状态空间系统、微分代数系统和描述系统等,是一种由微分方程和代数方程综合描述的系统。相比一般系统,广义系统的适用范围更广。在实际应用中,大部分的控制系统都是非线性系统,而T-S模糊模型通过“IF-THEN”模糊规则,使用一系列模糊隶属度函数来表示局部线性输入-输出关系,这在理论上可以近似为任何非线性动态系统,因此具有广泛的实际应用场景。此外,时滞作为信号传输的典型特征,在许多动态系统中都是不可避免的,时滞的存在可能导致系统性能下降甚至不稳定。因此广义时滞T-S模糊系统的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文针对广义时滞T-S模糊系统,研究了容许性分析以及镇定控制问题,主要研究内容如下:1.针对广义时滞T-S模糊系统,研究了容许性分析和镇定问题。首先针对容许性分析问题,提出一种非对称的L-K泛函方法,降低对泛函中矩阵变量的限制,并结合隶属度函数相关的方法进一步降低结果的保守性。获得以线性矩阵不等式的形式判断广义时滞T-S模糊系统容许性的充分条件。其次,设计了一个记忆状态反馈控制器实现闭环系统的镇定控制。最后,通过讨论数值仿真结果来验证所提方法的有效性和优越性。2.针对广义时滞T-S模糊系统,提出了一种新的观测器设计方法。构造了一种非对称的,与隶属度函数相关的L-K泛函,解除了以前泛函矩阵正定、对称的限制。以线性矩阵不等式的形式给出误差系统容许的充分条件。然后设计了一种基于观测器的记忆状态反馈控制器,使闭环系统容许,获得了采用非对称L-K泛函的基于观测器的反馈控制镇定控制器设计的可解性充分条件。最后,通过数值仿真来验证所提方法的有效性及优越性。

关键词：广义时滞T-S模糊系统容许性分析镇定控制观测器非对称L-K泛函方法隶属度函数相关方法

基于新型固定时间稳定方法的一类二阶非线性系统镇定控制

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控制理论与应用 2023年第11期40卷 1981-1989页

作者：邹权佟明昊魏凯南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

本文研究了受未知外部扰动侵袭的一类二阶非线性系统的固定时间镇定控制问题.首先,提出了一种新的固定时间稳定方法,并给出了收敛时间及其上界估计值的计算公式.理论分析表明,收敛时间的上界与系统初始状态无关,可由系统参数完全确定.然... 详细信息

本文研究了受未知外部扰动侵袭的一类二阶非线性系统的固定时间镇定控制问题.首先,提出了一种新的固定时间稳定方法,并给出了收敛时间及其上界估计值的计算公式.理论分析表明,收敛时间的上界与系统初始状态无关,可由系统参数完全确定.然后,基于所提出的固定时间稳定方法设计了新型滑模趋近律和终端滑模面,使得系统状态能够在有界的有限时间内,从任意初始状态收敛至滑模面并沿着滑模面收敛至原点,同时引入了基于系统状态的自适应切换方法,有效避免了终端滑模面导致的奇异问题.最后,通过仿真验证了算法的有效性.

关键词：非线性系统未知外部扰动固定时间稳定镇定控制

负载不确定振动基机械臂的有限时间鲁棒镇定控制

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振动工程学报 2023年第1期36卷 128-137页

作者：梅瑞麟郭宇飞王志刚郝志强冶金装备及其控制教育部重点实验室(武汉科技大学) 湖北武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院湖北武汉430081 武汉科技大学机器人与智能系统研究院湖北武汉430081

针对存在外部振动激励与负载变化的机械臂在实现位置控制时耗时长、精度低等问题,提出了一种鲁棒有限时间控制方法。使用第二类Lagrange方法建立了含外部扰动的机械臂动力学方程,将基座所受振动激励处理为系统惯性不确定项,设计了基于隐... 详细信息

针对存在外部振动激励与负载变化的机械臂在实现位置控制时耗时长、精度低等问题,提出了一种鲁棒有限时间控制方法。使用第二类Lagrange方法建立了含外部扰动的机械臂动力学方程,将基座所受振动激励处理为系统惯性不确定项,设计了基于隐式Lyapunov函数的有限时间控制器;结合有限时间稳定性引理,采用Lyapunov理论证明了所提控制算法可以在有限时间内收敛稳定,给出了控制器计算流程;以基座存在振动的两连杆机械臂为对象,搭建试验装置并考虑外部振动与负载变化的情况进行多组对比试验。研究结果表明:所提出的方法能克服基座振动与负载变化的影响,使控制对象快速趋近目标位置,具有较好的抗干扰性与鲁棒性。

关键词：机械臂振动激励镇定控制负载变化隐式Lyapunov函数

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基于2D三焦点张量的移动机器人视觉伺服镇定控制

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自动化学报 2014年第12期40卷 2706-2715页

作者：李宝全方勇纯张雪波南开大学机器人与信息自动化研究所天津300071 南开大学天津市智能机器人技术重点实验室天津300071

针对单目视觉移动机器人系统,本文提出了一种基于二维三焦点张量(2D trifocal tensor,2DTT)的视觉伺服镇定控制方法.具体而言,首先描述了2D三焦点张量的导出过程,并给出了基于图像特征点的估计方法.在此基础上根据2D三焦点张量的元素,... 详细信息

针对单目视觉移动机器人系统,本文提出了一种基于二维三焦点张量(2D trifocal tensor,2DTT)的视觉伺服镇定控制方法.具体而言,首先描述了2D三焦点张量的导出过程,并给出了基于图像特征点的估计方法.在此基础上根据2D三焦点张量的元素,设计了一种反馈线性化控制器以实现机器人的位置镇定,以及一种比例控制器来实现姿态镇定,因而在场景信息与平移信息均未知情况下完成了移动机器人的视觉镇定控制.通过理论分析证明了本文设计的镇定控制算法具有指数收敛性能.相比现有方法,这种基于2D三焦点张量的方法在图像特征识别方面具有更强的鲁棒性,并且在平面场景与立体场景情况下均适用.最后利用仿真与实验结果验证了本文提出的视觉伺服方法的优良性能.

关键词：非完整移动机器人镇定控制视觉伺服 2D三焦点张量