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基于概率鲁棒性的锅炉过热汽温串级pid控制器

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清华大学学报（自然科学版） 2009年第2期49卷 249-252页

作者：王传峰李东海姜学智王维杰清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

基于概率鲁棒性理论,针对过热汽温这类工况参数对模型参数有较大影响的对象,提出一种固定参数的串级鲁棒pid控制器设计方法。根据被控对象模型的参数摄动范围及概率密度分布,计算闭环系统满足性能设计要求的概率作为优化算法的目标函数... 详细信息

基于概率鲁棒性理论,针对过热汽温这类工况参数对模型参数有较大影响的对象,提出一种固定参数的串级鲁棒pid控制器设计方法。根据被控对象模型的参数摄动范围及概率密度分布,计算闭环系统满足性能设计要求的概率作为优化算法的目标函数,利用遗传算法对串级pid控制器参数进行优化,用Monte-Carlo实验对控制系统进行鲁棒性检验。仿真结果表明,基于概率鲁棒的串级pid控制器对于对象工况参数引起的模型参数不确定性具有较好的鲁棒性,系统可以兼顾多个工况点的性能,以最大概率满足设计要求,最大限度地挖掘了固定参数串级pid控制器对模型参数具有不确定性对象的控制能力。

关键词：过热汽温串级pid控制器概率鲁棒性 Monte-Carlo实验

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基于串级pid四旋翼飞行器控制系统研究

电子技术应用 2017年第5期43卷 134-137,142页

作者：薛佳乐程珩太原理工大学机械工程学院山西太原030024

四旋翼飞行器具有不稳定、非线性、强耦合、建模不确定性等特性,同时是一个四输入、六输出的欠驱动系统。针对这样的系统,学者们在飞行器控制算法方面做了许多研究,比如LQR、滑模控制、反演控制等。虽然这些控制算法在姿态控制等方面有... 详细信息

四旋翼飞行器具有不稳定、非线性、强耦合、建模不确定性等特性,同时是一个四输入、六输出的欠驱动系统。针对这样的系统,学者们在飞行器控制算法方面做了许多研究,比如LQR、滑模控制、反演控制等。虽然这些控制算法在姿态控制等方面有比较好的效果,但需要建立准确的数学模型,数据的实时处理对处理器性能要求高,实现起来有一定的困难。针对上述问题,以小型四旋翼飞行器为研究对象,根据牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的运动、动力学模型,设计了一种易于实现的串级pid控制器,分别对飞行器的位置与姿态进行控制,应用MATLAB/Simulink对所设计的控制器进行仿真。结果表明,串级pid控制器能够快速、稳定、准确地对四旋翼飞行器实现姿态和位置的控制,同时具有比较好的鲁棒性。

关键词：小型四旋翼飞行器串级pid控制器建模仿真

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一种轻型水下机器人控制系统的设计和实现

合肥工业大学学报（自然科学版） 2019年第7期42卷 935-939页

作者：常润发何晓雄合肥工业大学电子科学与应用物理学院

文章针对水下机器人运行环境的特殊性,设计并构建了一款轻型水下机器人;对其控制系统进行了总体设计,并搭建了以STM32微控制器为核心的软硬件平台;根据该机器人的结构特点和运动特性,分别设计了单级和串级比例-积分-微分(proportional-i... 详细信息

文章针对水下机器人运行环境的特殊性,设计并构建了一款轻型水下机器人;对其控制系统进行了总体设计,并搭建了以STM32微控制器为核心的软硬件平台;根据该机器人的结构特点和运动特性,分别设计了单级和串级比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,pid)控制器对机器人进行深度及姿态控制,将姿态控制器和深度控制器计算得到的控制量并联输出,作为脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)调节量对电机调速;最后通过水下试验验证了控制算法和控制系统的有效性和可靠性。

关键词：水下机器人控制系统 STM32微控制器串级pid控制器姿态控制器

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单目视觉和惯性导航的四旋翼飞行器设计

制造业自动化 2014年第12期36卷 41-44页

作者：冯玉昌白如冰东北电力大学吉林132012

针对姿态测量中存在的机械振动问题采用了滑动滤波的方法进行处理。对机体的三个轴分别建立了线性状态方程,从而使用卡尔曼滤波对陀螺仪与加速度计的数据进行融合,有效的消除了传感器的测量误差。在此基础上设计了串级pid进行姿态控制... 详细信息

针对姿态测量中存在的机械振动问题采用了滑动滤波的方法进行处理。对机体的三个轴分别建立了线性状态方程,从而使用卡尔曼滤波对陀螺仪与加速度计的数据进行融合,有效的消除了传感器的测量误差。在此基础上设计了串级pid进行姿态控制。由于姿态与位置的强耦合关系,使得姿态稳定前提下,配合单目摄像头测量的位置信息,使用单级pid就可以获得很好的位置控制效果。实验结果表明姿态测量精度满足要求,并且取得了很好的控制效果,实现了飞行器稳定悬停飞行。

关键词：串级pid控制器卡尔曼滤波滑动滤波单目视觉

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扩散炉自动恒温控制系统

扩散炉自动恒温控制系统

作者：杜静太原理工大学

学位级别：硕士

扩散炉是电子元件生产的重要工艺设备，它适用于晶体管、晶闸管、固体集成电路等半导体器件制造过程。在扩散炉工艺参数中，温度具有决定性的影响，温度控制精度不仅直接影响着产品质量，也影响着扩散炉本身的效能。本文在分析... 详细信息

扩散炉是电子元件生产的重要工艺设备，它适用于晶体管、晶闸管、固体集成电路等半导体器件制造过程。在扩散炉工艺参数中，温度具有决定性的影响，温度控制精度不仅直接影响着产品质量，也影响着扩散炉本身的效能。本文在分析了扩散炉温度特性的基础上，设计和实现了一个基于晶闸管主电路、采用串级pid控制算法的扩散炉恒温控制系统。本系统以AT89S52单片机作为核心，温度传感器（热电偶）测量出扩散炉炉温，经过信号处理、A／D转换送入单片机中，通过串级pid控制器进行数据处理，最后通过过零触发双向晶闸管控制炉丝的加热功率，实现扩散炉的恒温控制。另外，本系统用MCGS组态软件设计了人机界面，实现了PC机对单片机的实时监控。最后，通过实验室模拟实验和MATLAB仿真，验证了本系统的控制效果。本论文在撰写过程中取得了比较全面的资料和数据，研究了扩散炉的温度特性，根据扩散炉的工艺要求设计了大林-串级pid控制器，为恒温控制系统向高精度控温方向发展进行了有益的探索。

关键词：扩散炉串级pid控制器双向晶闸管热电偶

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磁悬浮试验台设计及其平稳控制研究

磁悬浮试验台设计及其平稳控制研究

作者：万依丹西京学院

学位级别：硕士

磁悬浮技术主要是利用电磁力将磁浮体悬浮于空间中,该技术不仅机械接触面积小,而且具有低摩擦、噪声低等优点。然而,磁悬浮系统是一个典型的复杂非线性系统,存在模型内部参数不确定性、开环不稳定性、易受外界扰动影响等问题,所以,研究... 详细信息

磁悬浮技术主要是利用电磁力将磁浮体悬浮于空间中,该技术不仅机械接触面积小,而且具有低摩擦、噪声低等优点。然而,磁悬浮系统是一个典型的复杂非线性系统,存在模型内部参数不确定性、开环不稳定性、易受外界扰动影响等问题,所以,研究磁悬浮控制系统对磁悬浮技术的应用具有一定的意义。本文着重于研究磁悬浮多自由度控制系统,包括姿态控制系统以及位置控制系统。本文建立了磁悬浮三自由度姿态控制以及三自由度位置控制的六自由度姿态位置控制模型,使用串级pid方法实现了磁悬浮系统的平衡和稳定控制,通过Simulink工具箱仿真验证了磁悬浮系统的控制性能,并且通过搭建的磁悬浮试验台实现了磁悬浮试验平台的平衡稳定。本文主要完成了如下工作:(1)对磁悬浮试验台的姿态及位置控制系统开展了建模研究。理论分析了磁悬浮试验台的基本组成,以及各组成部分的工作原理,同时构建了磁悬浮试验台的物理模型;针对试验台在悬浮过程中X轴、Y轴、Z轴上的位置偏移量,以及产生的俯仰、摇摆和偏航三个姿态角,建立了六自由度的磁悬浮控制系统模型,并设计了互补滤波算法提高数据的准确性,获得了理想的测量数据。(2)对磁悬浮试验台设计了闭环控制器。对非线性的磁悬浮控制系统,设计了串级pid控制器,通过Simulink建立了六自由度多通道的磁悬浮试验台仿真模型,将磁悬浮试验台的位置状态和速度状态同时作为反馈量传输至磁悬浮试验台,同时实现了对磁悬浮姿态系统和位置系统的控制,验证了串级pid控制器的控制性能。(3)对磁悬浮试验平台进行了硬件验证。通过微控制器、霍尔元器件、L298N驱动模块、LM324运算放大器、姿态测量模块完成了磁悬浮试验平台样机的搭建和测试工作;使用keil5软件编写了相应的控制程序,通过软件程序模拟了控制过程,并将其测量到的传感器信号传输至微控制器进行控制,从而完成了实物验证。测试结果表明,硬件的实际位置控制效果和软件编写结果相一致,磁悬浮试验平台可以达到预期的效果。当手动破坏试验台位置时,微控制器也能快速做出调整,保证了其稳定运行,从而达到了控制磁悬浮试验台稳定的目的。

关键词：磁悬浮试验台多自由度串级pid控制器 Simulink仿真

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四旋翼飞行器姿态控制算法的研究

四旋翼飞行器姿态控制算法的研究

作者：方武义南昌大学

学位级别：硕士

随着低空领域的开放,多旋翼飞行器作为一种依靠调节直流电机转速直接控制飞行的非传统无人机,因其制作简单、控制灵活,并且能够适应各种复杂的地理环境和气象,在军事和民用领域得到了广泛的应用。其次,作为一个典型的欠驱动(输出多于输... 详细信息

随着低空领域的开放,多旋翼飞行器作为一种依靠调节直流电机转速直接控制飞行的非传统无人机,因其制作简单、控制灵活,并且能够适应各种复杂的地理环境和气象,在军事和民用领域得到了广泛的应用。其次,作为一个典型的欠驱动(输出多于输入)、强耦合的非线性系统,将其作为科学研究的对象也是极具意义。本文选取以四个旋翼作为输入的旋翼无人机为研究对象,在建立和分析了四旋翼飞行器的数学模型的基础上,针对飞行器的姿态稳定性控制问题,分别采用了线性和非线性的控制方法,设计了三种姿态控制算法,并通过仿真实验进行了验证。本文主要的研究工作如下:1、通过研究四旋翼飞行器的结构以及控制原理,本文采用理论推导建模方法(机理建模方法),根据牛顿第二定律和欧拉方程建立系统的数学模型,且针对飞行器的姿态控制稳定性问题,在相关的假设条件下对模型进行了一定的简化,为姿态控制算法的研究奠定了基础。2、根据四旋翼飞行器的数学模型,采用串级pid控制算法设计了飞行器系统的高度姿态控制器。运用Matlab/simulink搭建了仿真平台,仿真实验结果表明该控制器的有效性。3、针对系统的欠驱动特性和系统动态特性的影响,为了提高飞行器的控制效率和精度,本文采用基于反步法的滑模控制设计了四旋翼飞行器的姿态控制器,且经过仿真实验验证所设计控制器的有效性和可行性。仿真结果表明,滑模控制算法的控制效果优于串级pid控制,具有一定的鲁棒性。4、为了模拟实际的飞行环境,考虑外界诸多的干扰因素,提出了基于自适应反步法的滑模控制,仿真结果表明所设计的控制器具有良好的控制效果,且抗干扰能力强,具有较强的鲁棒性。

关键词：四旋翼飞行器数学模型串级pid控制器滑模控制自适应滑模控制

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四旋翼无人机飞行稳定控制系统研究

四旋翼无人机飞行稳定控制系统研究

作者：徐亚妮广西科技大学

学位级别：硕士

四旋翼无人机因其性能卓越,价格低廉,且能代替人完成许多危险的,不方便完成的任务,引起国内外许多专家学者的关注。但四旋翼无人机坠毁、炸机现象普遍发生,四旋翼无人机飞行控制系统的不稳定性依然有待深入研究。本文首先对其四旋翼无... 详细信息

四旋翼无人机因其性能卓越,价格低廉,且能代替人完成许多危险的,不方便完成的任务,引起国内外许多专家学者的关注。但四旋翼无人机坠毁、炸机现象普遍发生,四旋翼无人机飞行控制系统的不稳定性依然有待深入研究。本文首先对其四旋翼无人机进行受力分析并建立数学模型,针对四旋翼无人机非线性、强耦合、不确定的特点,从串级pid控制器入手,检验了串级pid应用于四旋翼无人机上的控制性能,实验发现在姿态角和高度控制两个方面,串级pid都有很大的超调量且稳定时间较长,在四旋翼无人机飞行控制稳定方面效果不好。且在实际飞行过程中,四旋翼无人机参数和外部环境经常会发生变化,无人机受到的内部干扰和外部干扰太多,一旦受到干扰影响了无人机稳定的飞行状态,串级pid就需要重新整定参数来实时适应外界环境,所以控制效果较差。分析串级pid控制在四旋翼无人机稳定控制上的不足,选择了能较大程度上弥补pid控制器缺点的自抗扰控制器。自抗扰控制器中的扩张状态观测器用来估计系统内外的各种误差干扰,将不确定、非线性的干扰确定化、线性化。相当于pid中的积分作用,但比简单的积分更系统、准确;微分跟踪器是为了使控制器可在不产生超调的前提下,改变比例系数减少调节时间;非线性状态误差反馈用非线性的方法将扩张状态观测器与微分跟踪器用非线性的方法组合起来。两个控制器设计完成之后,将两个控制器在四旋翼无人机姿态和高度控制效果上进行对比,可以看出自抗扰控制器在四旋翼无人机稳定控制上效果较好。在完成四旋翼无人机控制算法的设计后,自主设计并搭建了四旋翼无人机飞行控制系统的硬件实物平台,选择得出的控制效果较好的自抗扰控制算法进行实际飞行实验,四旋翼无人机可以平稳飞行。仿真实验和实际实验的结果都验证了自抗扰控制系统的稳定性。

关键词：四旋翼无人机串级pid控制器自抗扰控制器稳定性

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实验室用智能油/水浴锅控制系统的研制

实验室用智能油/水浴锅控制系统的研制

作者：王寰宇吉林化工学院

学位级别：硕士

油/水浴锅作为典型的温度控制装置,具有控制精度高,输出产品质量稳定等特点,在蒸馏、干燥、浓缩、生物制品及化工生产等领域有着广泛的应用。随着科技发展,对油/水浴锅控制性能的要求不断提高,传统的pid控制策略已无法满足快响应、高精... 详细信息

油/水浴锅作为典型的温度控制装置,具有控制精度高,输出产品质量稳定等特点,在蒸馏、干燥、浓缩、生物制品及化工生产等领域有着广泛的应用。随着科技发展,对油/水浴锅控制性能的要求不断提高,传统的pid控制策略已无法满足快响应、高精度、强鲁棒的技术需求。同时,现有的油/水浴锅智能化、自动化水平低,主要依赖操作人员现场监控,一旦设备异常,很可能出现严重事故,并且带来巨大的经济损失。因此,本文从系统整体结构入手、开展了实验室用智能油/水浴锅温控系统建模、控制策略优化、硬件电路设计和云端软件开发等研究。具体研究内容如下:实验室用智能油/水浴温度控制系统总体方案设计。根据油/水浴锅智能化需求,提出了智能油/水浴锅总体设计方案。研究了基于WIFI模块的远程通讯原理。搭建了智能油/水浴锅总体结构框架。分析了STM32单片机的主控硬件、人机接口电路、智能控制策略和云端平台监控的可行性。采用MODBUS通讯协议,使上位机能对单片机设备进行远程控制和信息采集。智能油/水浴锅温控系统建模及控制系统设计。研究了油/水浴锅装置组成结构与工作原理。针对油/水浴锅系统的耦合性和大滞后性特点,提出了基于最小二乘法的油/水浴锅温控系统建模方法,根据系统的开环特性,建立了外锅与内锅的温控模型。提出了串级pid的控制策略,设计了油/水浴锅串级pid控制系统,采用粒子群算法优化了控制器参数,与单回路pid控制器进行了对比。结果表明:串级pid控制器的响应速度、控制精度、鲁棒性均优于单回路pid控制器,能够实现内锅温度的高效、精准、稳定控制。智能油/水浴锅主控器硬件电路设计。采用STM32单片机作为主控器。开展了数模转换电路、温度测量电路和恒流源电路研究。搭建了温度控制、电机驱动、电压转换电路。针对电源电路中信号输出和反馈问题,提出了整流滤波、箝位保护、输出反馈的电源优化方法。通过仿真分析了所设计电路的可行性。制备了智能油/水浴锅PCB电路板。智能油/水浴锅温控系统软件设计及实验验证。开展了数模转换模块、液晶屏显示模块、温度控制模块设计。搭建了云组态可视化监控界面。利用WIFI模块,实现了智能油/水浴锅数据与云端的互联。实验验证了智能油/水浴锅的工作性能。结果表明:所设计的串级pid控制器控制效果良好,能够精准控制智能油/水浴锅内锅温度,实验结果与数值仿真保持高度一致。并且,可以随时通过电脑或者手机查看油/水浴锅温度的变化,实现了油/水浴锅的智能化。

关键词：智能油/水浴锅最小二乘法串级pid控制器 STM32单片机云组态