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基于运算矩阵的分数阶系统辨识及控制器参数整定

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基于运算矩阵的分数阶系统辨识及控制器参数整定

作者：孟霄南京信息工程大学

学位级别：硕士

分数阶系统是整数阶系统的一般化,因为其阶数可以为任意实数,在描述动态系统上具有更大的灵活性。此外,分数阶控制器相比于整数阶控制器具有阶数可调的新优势。因此,分数阶系统分析及分数阶控制方法已成为研究热点。然而,分数阶微分是... 详细信息

分数阶系统是整数阶系统的一般化,因为其阶数可以为任意实数,在描述动态系统上具有更大的灵活性。此外,分数阶控制器相比于整数阶控制器具有阶数可调的新优势。因此,分数阶系统分析及分数阶控制方法已成为研究热点。然而,分数阶微分是非局部算子,相比于整数阶微分其计算要复杂得多。为此,本文运用分数阶积分运算矩阵开展了分数阶系统分析、分数阶系统辨识等相关问题的研究。主要工作如下:考虑到分数阶微分的非局部性特征,运用Haar小波来逼近系统的输入、输出信号,给出一种基于Haar小波积分运算矩阵的分数阶系统分析方法,推导了分析过程,并通过系统准确解和其它算法结果的对比验证了所提方法的正确性。分数阶系统辨识相比整数阶系统辨识要复杂,主要是系统阶数辨识的问题,若把分数阶阶数当成参数直接辨识会导致一个非线性优化问题,为此,本文通过给定阶数将其转化为最小二乘优化问题,然后采用在一定范围内寻找最优阶数的办法来避免非线性优化问题。除此之外,受小波多分辨分析的启发,通过舍弃输入输出的高频系数来降低运算矩阵维数,最终,给出了一种能够加快分数阶系统辨识的方法。通过对已知系统的辨识验证了方法的可行性和正确性,并将所提方法应用到多质量弹性扭转系统辨识上,通过整数阶模型辨识和分数阶模型辨识的比较,结果表明分数阶模型的均方误差更小。根据辨识的多质量弹性扭转系统模型,设计了PIλD)μ控制器对系统进行控制,仿真结果表明,分数阶IλDμ较整数阶PID控制器具有更好地控制效果,分数阶PIλD μ控制效果在实际平台上得到了验证。

关键词：分数阶系统系统辨识运算矩阵小波多分辨分析分数阶控制器

基于分数阶的输电线路巡检无人机飞行控制器设计

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基于分数阶的输电线路巡检无人机飞行控制器设计

作者：兰琦东北石油大学

学位级别：硕士

随着我国电网建设规模的不断扩大,输电线路巡检工作迎来了更大的挑战,面对人工巡检中效率低、风险高、经济性差等诸多问题,更加安全、高效、快捷的线路巡检无人机开始走进了我们的视野,并且正在逐渐取代传统的人工线路巡检。输电线路巡... 详细信息

随着我国电网建设规模的不断扩大,输电线路巡检工作迎来了更大的挑战,面对人工巡检中效率低、风险高、经济性差等诸多问题,更加安全、高效、快捷的线路巡检无人机开始走进了我们的视野,并且正在逐渐取代传统的人工线路巡检。输电线路巡检的主要目的是提高线路运行的安全性和稳定性,这就要求线路巡检工作必须在对线路本身的干扰尽可能小的情况下完成,输电线路巡检工作通常是在复杂多变野外环境中进行的,这就对无人机的飞行控制性能提出了更高的要求,为了解决这一问题,本文结合国内外研究现状,在前人成果的基础上展开了以下研究工作:首先,通过对线路巡检无人机的关键技术进行讨论,分析了无人机在线路巡检中自主避障功能和自动定距巡线功能对于无人机飞行控制性能的依赖性,进而对无人机的飞行控制进行深入研究,阐述了无人机飞行控制的原理,并建立了无人机姿态控制模型。然后,针对整数阶控制器下无人机响应速度慢、灵敏度低,无法满足无人机在电力线路巡检中输电线路追踪飞行稳定性的问题,提出了无人机控制器的改进思路:设计分数阶控制器以替代原本的整数阶控制器。然后,为巡线无人机的四种飞行姿态(俯仰、翻滚、高度、偏航)控制回路设计分数阶控制器,并在Matlab/Simulink中进行仿真验证,通过对分数阶控制器和整数阶控制器的阶跃响应特性,以及无人机对于特定航线的三维追踪误差进行对比分析,验证了分数阶控制器相对于传统整数阶控制器的优势:响应速度快、超调量小、稳定性好,说明了分数阶控制器的引入极大的提高了无人机系统的姿态控制性能,有助于无人机在线路巡检工作中更应对复杂的工作环境和实现更好的线路追踪。

关键词：输电线路巡检分数阶控制器四旋翼无人机姿态控制

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基于人工蜂群的电机分数阶速度控制器的设计

微特电机 2015年第12期43卷 59-63页

作者：黄梁松李玉霞张志献朱苏宁山东科技大学青岛266590

分数阶PIλ控制器相比于传统的PI控制器有着更好的控制性能,特别适合对动态性能要求较高的伺服系统,但分数阶控制器的参数整定困难,不易应用。在建立伺服电机分数阶PIλ速度控制系统模型和参数整定策略的基础上引入人工蜂群智能算法求... 详细信息

分数阶PIλ控制器相比于传统的PI控制器有着更好的控制性能,特别适合对动态性能要求较高的伺服系统,但分数阶控制器的参数整定困难,不易应用。在建立伺服电机分数阶PIλ速度控制系统模型和参数整定策略的基础上引入人工蜂群智能算法求解包含未知参数的非线性超越方程组,并根据标准的人工蜂群算法的不足,提出了一种优化搜索区域并增加最优位置引导的搜索算法,增强了蜂群的局部开发能力,提高了蜂群算法的收敛速度和精度。仿真和实际实验的结果验证了该方法的可行性。

关键词：伺服系统分数阶控制器人工蜂群算法参数整定

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基于分数阶微积分理论的控制器设计及应用

基于分数阶微积分理论的控制器设计及应用

作者：武东北京理工大学

学位级别：硕士

分数阶微积分理论是指将传统的微积分整数形式延展到了实数形式甚至复数形式的一个新的微积分理论。随着社会的进步，科技的发展，设计高性能的控制器是很符合当今社会发展需要的。在很多方面分数阶微积分理论相比整数阶微积分理论具有... 详细信息

分数阶微积分理论是指将传统的微积分整数形式延展到了实数形式甚至复数形式的一个新的微积分理论。随着社会的进步，科技的发展，设计高性能的控制器是很符合当今社会发展需要的。在很多方面分数阶微积分理论相比整数阶微积分理论具有一定的优越性，而分数阶控制器就是在控制领域中以分数阶微积分算子和微分方程为基础的一个新型的控制器,所以将分数阶微积分理论引入到控制领域是提高控制器性能的一个方向。本文首先介绍了分数阶微积分的定义以及相关知识,又介绍了现今常见的分数阶微积分算子的离散化方法。最后基于连分式展开近似法和Oustaloup近似法设计了一种新型分数阶微积分近似化方法，并且分析了其相应的Bode图，证明了新型方法的分数阶微积分算子的Bode曲线比其他近似方法的Bode曲线更加贴近理想曲线。其次，介绍了两种常见的整定传统PID控制器参数的智能算法，粒子群算法和细菌觅食算法，根据二者的算法原理对它们进行维数的扩展，使这两种智能算法可以用于整定分数阶PI λ D μ控制器，并且对两种算法进行了提高全局性的改进，仿真结果显示改进的算法具有更好的整定参数性能。又根据蚁群算法具有出色的寻找函数极值特点，并且设计控制器常用的时域性能指标ITAE也可以视为一个具有多极值的函数。本文据此设计了一种可以找出时域性能指标ITAE最优值的蚁群算法，仿真结果显示了该算法在整定分数阶PI λ D μ控制器参数的可行性和实用性。最后，利用模型预测控制器处理大延时被控对象的出色性能以及分数阶控制器处理惯性环节时的快速响应性能，设计了一种针对串级对象的模型预测控制器与分数阶控制器相结合的控制器。仿真结果显示出在针对串级系统时该控制器具有优越的控制性能。然后，利用智能算法设计了永磁同步电机矢量控制中速度环的分数阶PI λ控制器，仿真和实验结果显示相比于常规的PI控制器该控制器具有更好的速度跟踪性能。又针对PMSM给定转速改变以及具有负载扰动转矩的情况，设计了一种利用模糊控制原理在线调整分数阶PI λ控制器参数的控制策略，仿真结果显示该控制策略相比于PI以及PI λ控制器具有更优异的控制效果。

关键词：分数阶微积分分数阶控制器智能算法模型预测控制器永磁同步电机

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基于卡尔曼滤波器的分数阶PIλDμ控制器

基于卡尔曼滤波器的分数阶PIλDμ控制器

作者：蔡元宵西安电子科技大学

学位级别：硕士

在自动控制领域中，通常所设计的控制器是整数阶PID控制器，并且不考虑实际系统的过程噪声和测量噪声，但研究表明分数阶模型能更好的描述实际系统，并且卡尔曼滤波器具有广泛的应用。本论文针对这种情况，在前人工作的基础上将分数阶... 详细信息

在自动控制领域中，通常所设计的控制器是整数阶PID控制器，并且不考虑实际系统的过程噪声和测量噪声，但研究表明分数阶模型能更好的描述实际系统，并且卡尔曼滤波器具有广泛的应用。本论文针对这种情况，在前人工作的基础上将分数阶控制理论和卡尔曼滤波理论相结合，对基于卡尔曼滤波器的分数阶PI λ Dμ控制器进行了研究。针对控制系统提出了一种新的设计分数阶PI λ Dμ控制器的算法——基于泰勒级数展开的参数整定方法，并仿真说明了此算法的优越性;研究了分数阶PI λ Dμ控制器的各个参数变化以及被控对象参数变化时，闭环系统的性能变化，并讨论了分数阶PI λ Dμ的鲁棒性;考虑实际系统的过程噪声和测量噪声，建立给定的被控系统的连续状态空间模型，利用零阶保持器将其转换为离散系统状态空间模型，考虑“短时记忆法”导出的分数阶PI λ Dμ控制器的数字离散形式表示的控制量，结合离散卡尔曼滤波算法，数字实现了分数阶控制器;通过对分数阶PI λ Dμ控制器和整数阶PID控制器分别控制分数阶被控对象和整数阶被控对象的四种模型的数值仿真结果的对比，表明基于卡尔曼滤波器的分数阶控制器比整数阶PID控制器具有更好的控制性能，并可有效地滤除噪声。本文研究并设计的控制器对于整数阶模型的被控对象具有良好的控制作用和滤波作用，具有一定的理论意义和应用价值。

关键词：分数阶微积分分数阶控制器卡尔曼滤波器离散控制系统状态空间模型

分数阶控制系统稳定性分析与控制器设计:扩展频率域法

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自动化技术与应用 2006年第5期25卷 7-12页

作者：汪纪锋李元凯重庆邮电学院重庆400065

鉴于整数阶控制系统主要进行正频域分析,本文论述了分数阶控制系统的扩展频域方法。它通过对分数阶系统传递函数的基本分解获得系统频率特性曲线,此过程是唯一和可逆的。本文根据扩展频域分析法扩展了Nyquist稳定性判据,得到能够直观判... 详细信息

鉴于整数阶控制系统主要进行正频域分析,本文论述了分数阶控制系统的扩展频域方法。它通过对分数阶系统传递函数的基本分解获得系统频率特性曲线,此过程是唯一和可逆的。本文根据扩展频域分析法扩展了Nyquist稳定性判据,得到能够直观判断任意阶控制系统稳定性的通用判据。另外,扩展频域分析法为分数阶控制器提供了便于设计的直观形式,文章提供了具有新结构的超前滞后补偿器和分数阶P(ID)μ控制器的设计步骤。最后举例用扩展频域法对分数阶系统进行稳定性分析和超前滞后补偿器的综合。

关键词：扩展频率分析分数阶控制系统稳定判据分数阶控制器

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一种复杂系统的分数阶内模PID控制器设计

江西理工大学学报 2020年第1期41卷 71-76页

作者：任金霞蒋梦倩黄艺培江西理工大学电气工程与自动化学院江西赣州341000

高阶次复杂控制系统在系统分析与设计的过程中难以达到理想的效果,控制过程影响系统的准确性和控制性能,针对此问题提出了一种基于混合粒子群算法降阶的分数阶内模PID控制的设计方法。利用混合粒子群优化算法将原模型降阶为含有延迟环... 详细信息

高阶次复杂控制系统在系统分析与设计的过程中难以达到理想的效果,控制过程影响系统的准确性和控制性能,针对此问题提出了一种基于混合粒子群算法降阶的分数阶内模PID控制的设计方法。利用混合粒子群优化算法将原模型降阶为含有延迟环节的新型分数阶模型,再依据分数阶内模控制器的结构设计进行控制器的参数整定。仿真结果表明,降阶后的简单模型可以精确地逼近复杂的高阶系统,在降阶基础上的分数阶内模控制器具有良好的控制性能以及鲁棒稳定性。

关键词：高阶系统模型降阶分数阶控制器内模控制参数整定

基于LabVIEW的分数阶PI~λD^u控制器实现及仿真研究

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河南城建学院学报 2018年第3期27卷 81-86页

作者：胡斌刘海涛孙健聂健壕广东海洋大学广东湛江524003

针对目前实际控制系统对速度与精度的要求越来越高,提出一种基于LabVIEW的分数阶PI~λD^u控制器实现方法。分数阶PI~λD^u控制器比传统的PID控制器多了两个自由度,积分和微分项的阶次,因而具有更大的调节范围。它不仅适用于整数阶系统,... 详细信息

针对目前实际控制系统对速度与精度的要求越来越高,提出一种基于LabVIEW的分数阶PI~λD^u控制器实现方法。分数阶PI~λD^u控制器比传统的PID控制器多了两个自由度,积分和微分项的阶次,因而具有更大的调节范围。它不仅适用于整数阶系统,也适用于分数阶系统,而且控制效果也优于传统的PID控制器。基于分数阶控制理论利用Oustaloup滤波器实现对分数阶微积分算子进行逼近,用Lab VIEW框图化实现分数阶PI~λD^u控制器。通过对控制系统的仿真表明分数阶PI~λD^u控制器在控制过程中的可操作性与优越性。

关键词： LabVIEW 分数阶控制器 Oustaloup滤波器

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分数阶神经网络控制器自顶向下优化方法

大连交通大学学报 2013年第1期34卷 95-97,102页

作者：李文亓芳聂冰大连交通大学软件学院辽宁大连116028 大连交通大学电气信息学院辽宁大连116028

研究了分数阶PIλ控制器中自顶向下优化BP神经网络的方法.介绍分数阶PIλ控制器的设计,提出自顶向下优化BP神经网络的算法,实现对控制器中相关参数的调节.实验结果表明,自顶向下的优化方法通过合并、删除某些隐节点达到了简化网络结构... 详细信息

研究了分数阶PIλ控制器中自顶向下优化BP神经网络的方法.介绍分数阶PIλ控制器的设计,提出自顶向下优化BP神经网络的算法,实现对控制器中相关参数的调节.实验结果表明,自顶向下的优化方法通过合并、删除某些隐节点达到了简化网络结构的目的.

关键词：自顶向下分数阶控制器 BP神经网络