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基于积分强化学习的多移动机器人协调跟踪控制器设计

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基于积分强化学习的多移动机器人协调跟踪控制器设计

作者：林卓龙重庆大学

学位级别：硕士

多移动机器人在国防、航空航天、运输等领域应用广泛。其中,多移动机器人一致性控制是一个核心问题,即要求设计一致性控制算法使系统的状态或输出达成一致。多机器人系统具有不确定且受到外部不确定干扰,因此研究不确定非线性多机器人... 详细信息

多移动机器人在国防、航空航天、运输等领域应用广泛。其中,多移动机器人一致性控制是一个核心问题,即要求设计一致性控制算法使系统的状态或输出达成一致。多机器人系统具有不确定且受到外部不确定干扰,因此研究不确定非线性多机器人系统的分布式一致性跟踪控制具有实际意义。为增强多机器人系统适应环境的能力,本文采用一种积分强化学习的方法,研究跟随者存在通信时滞、外部扰动以及输入约束下的最优输出协调跟踪控制问题,设计一类基于积分强化学习的一致性跟踪控制算法。最后进行一致性跟踪控制实验,验证算法的有效性。主要研究工作如下:首先,研究一类存在通信时滞、外部扰动以及输入约束下的非线性多移动机器人系统协调跟踪控制问题。设计一种含有内部奖励函数的双积分强化学习算法,得到HJB方程的最优控制解。在考虑时间延迟的基础上,基于增广邻域误差系统,利用策略迭代技术获得最优控制律。接着,针对非线性多机器人系统中存在的扰动项,设计一种非线性扰动观测器,对系统的收敛性能进行分析。最后,引入饱和输入约束,设计积分强化学习控制策略,分析多移动机器人系统收敛性能。其次,进一步研究模型未知的非线性多移动机器人系统协调跟踪控制问题。首先,为实现对跟随者状态的跟踪,针对每个机器人设计一种基于神经网络的跟随者状态观测器。接着,给出一种基于actor-critic神经网络的在线策略积分强化学习算法,采用基于数据的方法来近似得到HJB方程的最优控制解。提出的非线性多移动机器人自适应跟踪控制算法利用两个actor-critic神经网络,通过同时调整权重并施加持续激励的方式来保证critic神经网络收敛到实际的最优值。通过在actor神经网络调节律中引入扰动补偿控制项,保证闭环系统的动态稳定性。最后,搭建含有一个领导者和两个跟随者的多履带式移动机器人实验平台,并进行相应的单机器人移动测试实验与多机器人协调跟踪控制实验以验证算法的可行性。

关键词：多移动机器人系统强化学习协调跟踪控制扰动补偿

基于自抗扰滑模的PMSM无位置传感器控制研究

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基于自抗扰滑模的PMSM无位置传感器控制研究

作者：张祺琛江西理工大学

学位级别：硕士

随着稀土永磁材料、微处理器技术和自动控制理论的不断发展,永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)在各领域得到了广泛应用。然而PMSM控制系统常工作在复杂的环境下,传统的PI控制极易受到扰动干扰,严重影响系统的控制... 详细信息

随着稀土永磁材料、微处理器技术和自动控制理论的不断发展,永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)在各领域得到了广泛应用。然而PMSM控制系统常工作在复杂的环境下,传统的PI控制极易受到扰动干扰,严重影响系统的控制精度。同时,采用机械式传感器获取转子位置信息,不仅会增加制造成本,还在一定程度上限制了系统的使用场合。因此,本文基于滑模控制理论对PMSM控制器及位置观测器展开研究,同时给予扰动补偿,以实现PMSM在复杂工况下的控制要求。具体研究内容和取得的主要成果如下:(1)分析研究现状与数学建模。详细阐述了现有的PMSM控制策略、转速环控制技术及无位置传感器控制技术,并将矢量控制作为本文研究的控制策略;在此基础上,建立了不同坐标系下的PMSM数学模型,同时着重介绍了矢量控制原理和SVPWM的实现过程。(2)提出新型滑模趋近律及切换函数。分析了滑模控制中抖振产生的原因及影响,为抑制抖振现象,对传统的滑模结构进行了改进;提出了一种新型趋近律,使滑模系统在远离滑模面时有较快的趋近速率,同时又能保证系统到达滑模面的平稳性,通过仿真验证了所提趋近律的有效性;为了避免因切换函数在零点不连续造成的抖振现象,提出了一种新型的连续切换函数。(3)建立PMSM双滑模无位置传感器控制系统。在提出的新型趋近律及切换函数基础上,引入积分滑模面,分别推导了滑模控制器和滑模观测器数学模型;为了消除反电动势估计值中的高频噪声和纹波分量,在滑模观测器中引入反电动势观测器对反电动势估计值进行滤波处理;针对利用反正切函数法提取转子位置信息时会放大抖振误差的情况,设计了归一化锁相环提取转子位置信息,能有效提高转子位置的估算精度。通过仿真验证了所提控制方法的有效性。(4)将自抗扰控制引入滑模控制系统实现扰动补偿。根据自抗扰控制能够观测系统内外扰动的特性,提出了一种基于自抗扰的滑模控制方法;利用扩张状态观测器对滑模控制系统中的扰动量进行观测,并将观测值补偿到系统,以消除扰动误差造成的影响。仿真结果表明,基于自抗扰的滑模控制能有效提高系统的控制精度。(5)控制算法实验验证。以TMS320F28335为主控芯片搭建了PMSM实验平台,并设计了所提算法对应的控制程序进行实验。通过对实验结果的分析,验证了所提算法的可行性。

关键词：永磁同步电机滑模控制新型趋近律自抗扰控制扰动补偿

基于滑模观测器的PMSM改进无差拍电流预测控制

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机床与液压 2023年第16期51卷 19-24页

作者：徐浩力葛文庆李波宋爱娟谭草山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255000

针对永磁同步电机因参数扰动、采样延迟、模型失配导致电流控制误差问题,提出基于滑模干扰观测器的改进无差拍电流预测控制。通过将模型参数不匹配引起的扰动引入到电机的电压方程中,构建滑模扰动观测器观测系统扰动;针对滑模控制的抖... 详细信息

针对永磁同步电机因参数扰动、采样延迟、模型失配导致电流控制误差问题,提出基于滑模干扰观测器的改进无差拍电流预测控制。通过将模型参数不匹配引起的扰动引入到电机的电压方程中,构建滑模扰动观测器观测系统扰动;针对滑模控制的抖振问题设计了以sgn为基础的二阶趋近律消除固有抖振问题,并证明了控制器的稳定性;将滑模观测器中的预测电流代替采样电流解决控制延时的问题;将观测估计的系统扰动通过前馈补偿的方式与无差拍电流预测控制相结合,进而提高无差拍电流控制的参数鲁棒性。结果表明:在参数扰动和模型失配时,提出的控制方法可以有效补偿系统扰动,系统稳态误差减小,有效提高了系统鲁棒性。

关键词：永磁同步电机模型预测控制无差拍电流预测控制滑模观测器扰动补偿

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一种永磁同步电机模型预测速度控制

组合机床与自动化加工技术 2023年第4期 112-115页

作者：吴卫珍张扬马子龙江西工程学院实验实训中心新余338000 湖北工业大学机械工程学院武汉430068 湖北工业大学湖北省现代制造质量工程重点实验室武汉430068

为进一步提高永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)控制系统的稳定性与抗扰性等,设计了一种PMSM模型预测速度控制器。根据PMSM转矩与运动方程,搭建PMSM速度预测模型,并借助二次型性能指标构造评价函数,通过滚动优化... 详细信息

为进一步提高永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)控制系统的稳定性与抗扰性等,设计了一种PMSM模型预测速度控制器。根据PMSM转矩与运动方程,搭建PMSM速度预测模型,并借助二次型性能指标构造评价函数,通过滚动优化得出最终的控制律;同时,采用分数阶积分法进行负载扰动补偿,并利用旗鱼算法优化评价函数中的权值系数。通过MATLAB/Simulink仿真,得到的结果与PI速度控制相比,采用设计的模型预测速度控制器减小了PMSM转速、转矩超调,降低了在外界因素干扰下转速、转矩的波动量,缩小了转速、转矩稳态误差。据此推出,与传统PI控制相比,所设计的模型预测速度控制器可有效改善PMSM系统的稳态精度、抗扰能力与收敛能力。

关键词：永磁同步电机模型预测扰动补偿旗鱼算法

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基座移动状态下水下机械臂末端控制研究

基座移动状态下水下机械臂末端控制研究

作者：张琬琦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在海底采样、切割焊接和钻井等水下工程中,使用带有机械臂的遥控潜水器(ROV),特别是安装在ROV上的典型主从式遥控机械臂已被用作重要工具之一。为此人们进行了许多研究来提高机械臂水下操纵末端工具的精度和效率。但是,由于海水流动的... 详细信息

在海底采样、切割焊接和钻井等水下工程中,使用带有机械臂的遥控潜水器(ROV),特别是安装在ROV上的典型主从式遥控机械臂已被用作重要工具之一。为此人们进行了许多研究来提高机械臂水下操纵末端工具的精度和效率。但是,由于海水流动的不规则性,ROV以漂浮状态进行水下工程,因此还需要考虑ROV移动状态下的机械臂末端控制。为此本文针对ROV基座发生移动的问题,通过对水下机械臂系统进行运动学和动力学建模,将传统方法与新方法相结合从而提出一种新的基于阻抗控制的补偿算法用于稳定机械臂末端位置和接触力。该算法不是利用ROV运动进行干扰补偿,而是利用机械臂的关节运动以进一步提高机械臂的末端位置精度。大量仿真实验验证了该方法的可行性。首先,确定机械臂的构型并采用改进型D-H法建立该机械臂各个关节坐标系推导出正向运动学和逆向运动学,推导出ROV载体和机械臂末端坐标系之间的转换矩阵,并且搭建仿真模型以此来验证推导公式的正确性。根据推导出的雅可比矩阵获得ROV载体与机械臂末端之间的速度转换关系。其次,选择拉格朗日方程分析法建立此机械臂的动力学模型,其中水动力项部分基于Morison公式分析水动力的影响并计算出水动力项从而获得在水下作业时机械臂动力学综合方程。对比多个之前其他仿真软件的优缺点,利用近两年使用较为方便的Simscape二代工具箱进行机械臂的动力学部分仿真,同时在此基础上搭建了基于关节空间PID位置控制器,后面此控制器将作为本文提出算法的内环位置控制器。然后,推导出基于力矩与基于位置的阻抗控制两种经典控制方法的基础理论以及两者之间异同,指出当位置控制器呈现的准确度足够高时即可直接通过此位置控制器进行阻抗控制的位置内环控制。分析ROV基座移动的影响,在前面运动学和动力学建模基础上,设计了一种笛卡尔空间下基于位置的阻抗控制方法。最后,完成仿真和试验验证。本文利用仿真软件仿真在基座移动状态下末端定点控制、末端直线运动控制、末端圆周控制三种情况,其中定点控制对应机械臂末端做非接触性工作,直线和圆周运动控制对应于做接触性工作,仿真结果得到其位置和力对比期望值均在一定误差范围内可作为有效判据,表明本文提出的此阻抗控制算法可以很好的补偿扰动,并在ROS平台控制下完成试验验证部分,试验结果证明提出的算法在基座综合移动下具有良好的控制效果,可以满足作业要求。

关键词：水下机械臂扰动补偿阻抗控制 PID 运动学建模

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LCL型并网逆变器电流环自抗扰控制

LCL型并网逆变器电流环自抗扰控制

作者：尹杰天津理工大学

学位级别：硕士

并网系统是一个强不确定性和非线性的复杂系统,其控制方式直接影响并网系统能否安全、稳定、高质量地运行。本文选取LCL型并网逆变器作为控制对象,根据线性自抗扰控制理论（Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC）,设计... 详细信息

并网系统是一个强不确定性和非线性的复杂系统,其控制方式直接影响并网系统能否安全、稳定、高质量地运行。本文选取LCL型并网逆变器作为控制对象,根据线性自抗扰控制理论（Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC）,设计了基于LADRC的电流环控制策略,具体内容如下:（1）针对LCL型并网逆变器的谐振问题,设计了一种三阶自抗扰电流控制器,通过四阶线性扩张状态观测器（Linear Extended State Observer,LESO）对系统的不确定性及扰动进行观测补偿,将被控对象还原为标准积分串联型。使用频率响应法详细分析了系统的跟踪性和抗扰性,并通过李雅普诺夫稳定性判据证明了闭环系统是渐进稳定的,得出了线性自抗扰控制器的稳定域,对于参数设计提供了可靠的理论基础。仿真结果表明,所设计的电流控制策略提高了并网电流质量和系统的鲁棒性。（2）在基于大规模开发可再生能源的分布式发电背景中,并网系统易出现网侧电压波动、背景谐波过高、参数摄动等时变扰动问题,导致基于模型补偿的控制方法难以维持系统的稳定性。因此,针对LCL型并网逆变器设计了一种基于扰动补偿的内模控制策略。在传统内模控制策略的基础上融入自抗扰控制的思想,加入线性扩张状态观测器对扰动进行实时观测补偿,提高内模控制在模型失配及时变扰动情况时的动态性能和鲁棒性。通过理论分析,详细论证了所提出控制策略下并网系统的稳定性和抗扰性,并进行仿真对比,有效地验证了控制策略的可靠性。

关键词：自抗扰控制扩张状态观测器扰动补偿并网逆变器 LCL滤波器

基于动力锂电池参数永磁同步电机电流预测控制

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基于动力锂电池参数永磁同步电机电流预测控制

作者：厉风东北石油大学

学位级别：硕士

电动汽车中驱动电机由动力电池组提供能量,动力电池的输出特性直接影响电机的动力性能。电池输出功率是保障电机驱动有足够动力的重要参数。本文对电池功率特性与电机输出特性进行分析,考虑多工况下电池功率状态变化对电机控制性能的影... 详细信息

电动汽车中驱动电机由动力电池组提供能量,动力电池的输出特性直接影响电机的动力性能。电池输出功率是保障电机驱动有足够动力的重要参数。本文对电池功率特性与电机输出特性进行分析,考虑多工况下电池功率状态变化对电机控制性能的影响。为提高永磁同步电机的动态性能,采用无差拍电流预测控制来代替传统的PI控制方式,建立基于动力电池参数的永磁同步电机电流预测控制策略。本文在电机控制策略制定过程中,主要完成以下工作:(1)针对电池功率状态变化对电机驱动性能的影响,建立基于电池功率的永磁同步电机电流预测控制模型。选用二阶RC模型对电池荷电状态和功率状态进行估算。建立永磁同步电机无差拍预测控制数学模型,使用预测电流值计算电机期望功率。通过电池与电机的功率传递建立两者间的关系,对电池与电机数学模型进行联合动态建模。(2)制定基于电池输出功率的永磁同步电机电流预测控制策略,根据动力电池功率状态调整永磁同步电机控制方式。该策略使用驱动模式模糊控制器将电动汽车的行驶模式分为匀速模式和加速模式,两种模式下电机期望功率分别受电机目标转速和电机加速时间影响。在电池功率状态无法满足电机当前控制需求时,根据汽车行驶模式采取不同的电机控制方式降低电机期望功率。电动汽车处于匀速模式时,降低目标车速,成功减小电机转速抖动;汽车处于加速模式时,对控制电流限幅,延长加速时间,确保电机正常运转。并且采用无差拍预测控制后系统的响应速度提高50%以上。(3)对永磁同步电机电流预测控制易受的参数扰动和负载扰动分别设计状态观测器进行扰动补偿。电机参数变化和负载变化使电机控制电流产生偏差和超调,降低电机期望功率计算结果的准确性。分别设计龙贝格状态观测器来观测电机参数变化以及负载变化对控制系统带来的扰动并对扰动进行前馈补偿。结果表明,电机参数变化产生的电流静差和负载变化产生的电流超调减小,在不同行驶模式下成功降低电机期望功率的误差,无差拍预测控制的鲁棒性得到增强。

关键词：永磁同步电机电池功率电流预测控制扰动补偿

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准格尔矿区露天矿开采扰动效应评价

煤炭科学技术 2018年第5期46卷 87-92,119页

作者：杨汉宏王金金翟正江王忠鑫王卫卫神华准格尔能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯013000 中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司辽宁沈阳110015

为了改善露天开采对矿山周边环境与生态造成的扰动破坏,基于绿色开采理念,从矿山开采技术考虑,提出了露天矿开采扰动指数的概念,建立了露天矿开采扰动效应评价理论,应用该理论对准格尔矿区黑岱沟、哈尔乌素露天矿2006—2015年开采扰动... 详细信息

为了改善露天开采对矿山周边环境与生态造成的扰动破坏,基于绿色开采理念,从矿山开采技术考虑,提出了露天矿开采扰动指数的概念,建立了露天矿开采扰动效应评价理论,应用该理论对准格尔矿区黑岱沟、哈尔乌素露天矿2006—2015年开采扰动效应演化过程进行了研究。研究结果表明:2个露天矿近10年的开采扰动指数(SMDI)均大于零且基本呈逐年递增的趋势,表明2个露天矿通过应用多项绿色开采技术,增强了开采扰动正效应,减弱了开采扰动负效应,2个露天矿正向着绿色、协调、可持续的方向发展;同时也表明绿色开采技术对露天矿山生产的扰动补偿效应是显著的,开采扰动效应评价理论可为大型露天煤矿绿色开采指明方向。

关键词：露天矿绿色开采扰动效应扰动指数扰动补偿

鲁棒近似时间最优控制及其在电机伺服系统的应用

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电工技术学报 2014年第7期29卷 163-172页

作者：胡金高程国扬福州大学电气工程与自动化学院福州350116

提出一种在双积分伺服系统中实现快速无静差定点跟踪的控制方案。控制律以近似时间最优控制律为主体,引入对未知扰动的补偿,通过一个扩展状态观测器对系统中不可量测的速度信号和未知扰动进行估计。从理论上分析了闭环系统的稳定性。把... 详细信息

提出一种在双积分伺服系统中实现快速无静差定点跟踪的控制方案。控制律以近似时间最优控制律为主体,引入对未知扰动的补偿,通过一个扩展状态观测器对系统中不可量测的速度信号和未知扰动进行估计。从理论上分析了闭环系统的稳定性。把这种控制方案用于一个永磁同步电机的位置-速度环的定点跟踪控制,并进行了Matlab数字仿真和基于TMS320F2812DSP的实验研究,结果表明所设计的控制系统可以对大范围的给定目标进行快速和准确的跟踪,且对扰动和系统参数差异具有较好的性能鲁棒性。

关键词：伺服系统状态观测器扰动补偿时间最优控制