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执行器被攻击下不确定信息物理融合系统的超螺旋控制

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西华大学学报（自然科学版） 2020年第4期39卷 1-8页

作者：陈勇李猛裴峥电子科技大学自动化工程学院四川成都611731 西华大学计算机与软件工程学院四川成都610039

文章研究了具有外界干扰和执行器被虚假数据注入攻击的不确定信息物理融合系统的安全控制问题。为防御攻击,提出一种基于超螺旋的安全控制策略。首先,设计了一种积分型滑模函数,分析了滑模动态的稳定性;其次,通过使用线性矩阵不等式技... 详细信息

文章研究了具有外界干扰和执行器被虚假数据注入攻击的不确定信息物理融合系统的安全控制问题。为防御攻击,提出一种基于超螺旋的安全控制策略。首先,设计了一种积分型滑模函数,分析了滑模动态的稳定性;其次,通过使用线性矩阵不等式技术求解出滑模参数,并基于求解出的参数设计出超螺旋控制器,同时证明了闭环系统可以在有限时间内收敛;最后,通过一个仿真实例验证了所提算法的有效性。

关键词：不确定信息物理融合系统执行器攻击超螺旋控制线性矩阵不等式

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永磁整流发电速度观测超螺旋最优L2增益控制

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中国测试 2024年

作者：尚馨菲谷志锋由学敏杜巍张建中杨雯雯王彪江西清华泰豪三波电机有限公司石家庄铁道大学电气与电子工程学院河北前进机械厂

为降低未建模动态及参数不确定性对表贴式永磁整流发电系统稳定性影响，解决传统滑模观测器存在的相位滞后和控制抖振的问题，采用k类函数超螺旋状态观测及凸优化线性矩阵不等式求解方法，提出一种速度观测超螺旋最优L2（super-twisting... 详细信息

为降低未建模动态及参数不确定性对表贴式永磁整流发电系统稳定性影响，解决传统滑模观测器存在的相位滞后和控制抖振的问题，采用k类函数超螺旋状态观测及凸优化线性矩阵不等式求解方法，提出一种速度观测超螺旋最优L2（super-twisting optimal L2-gain control， ST-OP-L2C）增益控制的新方法。为验证所提方法性能，并与传统滑模观测器比例积分控制进行对比，在负载功率变化工作状态下，开展了模型仿真验证及样机测试实验。仿真表明，相对于传统滑模观测器，含k类函数超螺旋状态观测器可以减小速度估计误差±2r/min上，ST-OP-L2C可以明显降低整流电压、电磁转矩响应超调。测试结果表明，样机能够保证整流电压纹波小于0.5%，负载突变时，能够在0.2s时间内实现整流电压稳定输出，且整流电压超调量较小，能够有效提高系统电源品质。

关键词：永磁整流发电 k类函数超螺旋观测超螺旋控制最优L2增益控制

基于自适应超螺旋算法的永磁同步电机调速控制

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基于自适应超螺旋算法的永磁同步电机调速控制

作者：臧小龙江苏大学

学位级别：硕士

随着近年来工业蓬勃发展,工业上对以永磁同步电机为核心的伺服系统在精度、实时性等多方面提出更加严苛的要求。因此,针对以永磁同步电机为核心的伺服系统研究是当下一大研究热点。然而,永磁同步电机系统是一个多变量、强耦合的非线性... 详细信息

随着近年来工业蓬勃发展,工业上对以永磁同步电机为核心的伺服系统在精度、实时性等多方面提出更加严苛的要求。因此,针对以永磁同步电机为核心的伺服系统研究是当下一大研究热点。然而,永磁同步电机系统是一个多变量、强耦合的非线性复杂系统,倘若采用传统线性控制方法来处理永磁同步电机系统,往往无法达到预期控制效果。本文采用滑模变结构、自适应控制和非线性观测器技术,对永磁同步电机系统性能进行改善,具体内容包括:（1）在旋转坐标系下构建永磁同步电机数学模型,针对永磁同步电机系统在传统滑模控制下存在“抖振”现象,提出了一种将超螺旋算法应用于电机系统转速环的设计方法。虽然该算法在保留传统滑模强鲁棒性、对扰动不敏感等优点的同时,可以有效削弱“抖振”问题,但是在控制器参数选择时超螺旋算法依赖扰动边界信息,这会导致超螺旋增益选择不合理。针对这个问题,将自适应超螺旋算法应用于电机调速系统的转速环。该算法通过引入自适应律对超螺旋控制器的增益进行调节,使其保留超螺旋优点的同时,进一步提高系统的调速性能。在Matlab中搭建了永磁同步电机控制系统仿真平台,通过仿真验证,揭示自适应超螺旋控制器的可行性。（2）针对永磁同步电机系统受内、外扰动项影响问题,提出了一种非线性高增益扰动观测器,用于估计永磁同步电机系统所受的非线性扰动。为了提高系统抗扰性能,将扰动观测器与自适应超螺旋算法相结合构成复合控制器。该复合控制器由扰动观测器估计出系统扰动值,并通过前馈补偿应用于永磁同步电机转速环控制。仿真结果证实了复合控制器的有效性。（3）介绍了永磁同步电机实验平台及其软、硬件设计方案。针对硬件部分,主要介绍了以TMS320F28379D为主控芯片的控制板,以及包含了驱动、检测等诸多子模块的驱动板;软件设计主要介绍了调试部分、烧录部分和数据采集部分。基于实验软、硬平台,以MATLAB为开发环境,采用模块搭建、代码编程方式,依照矢量控制策略,搭建永磁同步电机控制系统实验框图。通过对文中算法进行实验验证,表明了复合控制方案具有优越性。

关键词：永磁同步电机超螺旋控制自适应控制观测器

基于双偶极向量场的无人船安全目标跟踪制导与控制

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基于双偶极向量场的无人船安全目标跟踪制导与控制

作者：初庆栋大连海事大学

学位级别：硕士

海洋具有丰富的生物资源和矿产资源,是各国开发研究的重点,是人类生存和可持续发展的战略空间和资源要地。伴随着新时期信息技术和智能控制理论的快速发展,世界各国开始推进无人航行器的研究,用于争夺海洋权益开发海洋资源。无人船是一... 详细信息

海洋具有丰富的生物资源和矿产资源,是各国开发研究的重点,是人类生存和可持续发展的战略空间和资源要地。伴随着新时期信息技术和智能控制理论的快速发展,世界各国开始推进无人航行器的研究,用于争夺海洋权益开发海洋资源。无人船是一种新型海洋探索工具,可以代替人力在恶劣的海洋环境下执行费力且危险的任务,在军事和民事领域有着广泛的应用前景。运动控制技术是衡量无人船智能化水平的重要标志。本文以欠驱动无人船为研究对象,研究了无人船目标跟踪运动控制问题。论文的主要研究内容如下:第一,为改进欠驱动无人船目标跟踪的暂态控制性能,提出了一种基于双偶极向量场的目标跟踪制导方法。基于双偶极向量场原理,设计了欠驱动无人船艏摇角速度制导律和前向速度制导律,稳定性分析证明了控制系统是有界稳定的,且位置收敛到目标点附近的邻域内。所提方法可以使无人船的跟踪轨迹更为光滑,暂态控制性能更好。仿真和实验验证了所提基于双偶极向量场的目标跟踪制导方法的有效性。第二,在上述制导方法的基础上,考虑了海洋环境中的多种障碍物,进一步研究了无人船目标跟踪过程中的安全避碰问题。首先,基于双偶极向量场原理,给出了吸引场、排斥场、直线场,根据向量场合成公式,得到混合向量场。基于混合向量场,设计了欠驱动无人船前向速度和角速度制导律。所提方法不仅可以使无人船跟踪目标点,而且在实现目标跟踪的同时,规避静态与动态障碍物。仿真和实验验证了所提基于双偶极向量场的安全目标跟踪制导方法的有效性。第三,在双偶极制导方法的基础上,研究了存在模型不确定性和未知海洋扰动的欠驱动无人船前向速度和艏摇角速度的控制问题。针对模型不确定性和未知海洋扰动设计了基于超螺旋观测器的超螺旋滑模控制方法,并采用输入状态稳定性定理和级联系统稳定性定理分析了运动学系统和动力学系统级联的稳定性。最后通过仿真和实验验证了前向速度和艏摇角速度控制器的有效性。

关键词：无人船双偶极向量场目标跟踪安全避碰超螺旋控制

基于实时仿真平台的高空台进气压力控制方法研究

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基于实时仿真平台的高空台进气压力控制方法研究

作者：李涛西南科技大学

学位级别：硕士

进气压力控制系统是高空台的核心控制系统,是保障高空模拟试验有效性和可靠性的关键。针对航空发动机进行过渡态实验时控制系统存在大流量变化干扰的问题,提出了基于高空台实时仿真平台的进气压力控制方法。该方法主要通过改进型的超螺... 详细信息

进气压力控制系统是高空台的核心控制系统,是保障高空模拟试验有效性和可靠性的关键。针对航空发动机进行过渡态实验时控制系统存在大流量变化干扰的问题,提出了基于高空台实时仿真平台的进气压力控制方法。该方法主要通过改进型的超螺旋控制算法,实现了进气压力在过渡态的快速跟踪和稳定控制,并在高空台实时仿真平台进行了仿真验证。本文主要从以下几个方面展开研究:(1)实时仿真平台的搭建。针对航空发动机过渡态实验对系统的高要求,通过分析dSPACE、RT-LAB等实时仿真系统,掌握了实时仿真平台的仿真流程,设计并搭建了基于Matlab/XPC的实时仿真平台。(2)高空台进气压力控制模型研究。分析了现有高空台进气压力控制系统模型,并对关键试验设备阀门、容腔以及液压系统等机理模型进行了理论推导,掌握了高空台进气压力控制流程,建立了高空台进气压力系统部件级模型,为进气压力控制方法研究奠定模型基础。(3)高空台进气压力控制方法研究。针对高空台过渡态系统响应速度慢和超调量大的问题,提出了一种改进型超螺旋控制方法。通过重新设计滑模控制的滑模面,该方法实现了控制系统的快速性和超调量的平衡。第一,将PD控制策略引入到超螺旋控制的滑模面设计当中,加快了系统的响应速度,同时抑制了超调量,提升了系统的动态品质。第二,针对滑模控制带来的抖振问题,用双曲反正切函数取代滑模控制中的符号函数,将滑模控制中的不连续项连续化,削弱了传统的滑模控制的抖振问题。(4)基于超螺旋控制的高空台进气压力控制实时仿真验证。在Matlab/XPC实时仿真环境下,对所提出的改进型超螺旋控制方法在发动机过渡态实验中进行验证。实验结果表明,改进后的超螺旋控制方法能够实现发动机过渡态的压力快速跟踪和稳定控制,能够抑制发动机进口流量快速变化的干扰。

关键词：高空台进气压力控制实时仿真平台滑模控制超螺旋控制

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智能船舶人机共融控制及硬件在环验证

智能船舶人机共融控制及硬件在环验证

作者：王冠杰大连海事大学

学位级别：硕士

人机共融是智能机器的重要特征,具有人机交互、人机交流、人机一体功能的人机共融机器具有极高的应用潜力。在智能驾驶领域,人机共融控制是一种将人类驾驶与自动驾驶协同进行控制的新型智能驾驶方法。智能船舶技术的发展,为人机共融技... 详细信息

人机共融是智能机器的重要特征,具有人机交互、人机交流、人机一体功能的人机共融机器具有极高的应用潜力。在智能驾驶领域,人机共融控制是一种将人类驾驶与自动驾驶协同进行控制的新型智能驾驶方法。智能船舶技术的发展,为人机共融技术在船舶领域的应用创造了先决条件。本文研究了人机共融技术在智能船舶共融制导与辅助驾驶方面的应用问题,旨在为智能船舶的人机协同操纵提供一种安全、可靠的控制策略,论文的主要工作如下:第一,针对复杂海域中障碍物运动轨迹难以预测的智能船舶路径跟踪避碰问题,提出了一种基于距离安全评估模型的人机共融视线制导控制方法。首先,在运动学层,提出了一种基于距离的人机共融权限分配方法,并结合视线制导算法,设计了人机共融制导律。接着,在动力学层设计中,采用输出反馈超螺旋滑模控制方法跟踪共融航向指令,并根据输入状态稳定与级联系统稳定性定理,证明了底层闭环系统的稳定性。最后,进行了硬件在环仿真,对所提出的基于距离安全评估模型的人机共融视线制导控制方法的有效性进行了验证。第二,针对由驾驶员进行船舶航速、航向操纵时存在失误操作风险的问题,提出一种基于距离安全评估模型的智能船舶人机共融辅助驾驶控制方法。首先,在由驾驶员主导船舶操纵的基础上,设计了基于向量场的静态障碍物航向辅助避障控制方法与基于控制障碍函数的航速辅助避障控制方法。然后,在采用上一章所设计的航向控制器的基础上,又设计了滑模速度控制器用于跟踪人机共融航速指令,并证明了闭环系统的稳定性。最后,进行了硬件在环仿真,对所提出的基于距离安全评估模型的人机共融辅助驾驶控制方法的有效性进行了验证。第三,针对由驾驶员进行船舶舵角操纵时存在失误操作风险的问题,提出一种基于船舶碰撞风险模型的人机共融辅助驾驶控制方法。首先,在由驾驶员负责船舶主要的操纵任务的基础上,通过构建多元碰撞船舶隶属函数模型,设计了基于船舶碰撞风险模型的人机共融权限分配方法。然后,结合向量场算法与PID控制方法设计了舵角辅助避障控制方法。最后,通过硬件在环仿真,对所提出的基于船舶碰撞风险模型的人机共融辅助驾驶控制方法的有效性进行了验证。

关键词：智能船舶人机共融视线制导防碰撞控制超螺旋控制

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高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究

高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究

作者：张戟沈阳工业大学

学位级别：硕士

自由曲面光学元件以其优良的光学性能被广泛应用于许多领域,而快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,FTS)金刚石切削技术被认为是非常有前途的加工技术之一。FTS在进行自由曲面加工时需要直线电机对高频周期性参考信号具有高精度跟踪能力,... 详细信息

自由曲面光学元件以其优良的光学性能被广泛应用于许多领域,而快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,FTS)金刚石切削技术被认为是非常有前途的加工技术之一。FTS在进行自由曲面加工时需要直线电机对高频周期性参考信号具有高精度跟踪能力,而一些因素如直线电机固有的扰动以及加工时的切削力都可能会影响FTS的加工精度。基于此,对高频周期性参考信号下系统的控制方法进行了研究。具体研究内容如下:首先,收集并查阅了大量国内外有关直线电机作为快速刀具伺服执行机构的相关文献。由此构建了作为FTS执行机构的无铁心永磁直线同步电机的数学模型,同时,对适应于FTS的控制算法进行了分析。其次,考虑到FTS在进行工件过程中存在强烈的切削力干扰,而具有强鲁棒性的滑模控制是一种较为适用的控制策略。但传统的滑模控制存在的抖振,将对系统的控制精度造成一定的影响,基于此提出了一种增量滑模控制。该控制方式将解算器步长及执行机构的最大加加速度加入控制率中,并且将上一时刻的控制作用叠加到当前控制量中以削弱滑模控制固有的抖振。同时,由于增量式的叠加作用,也使得系统的控制精度较传统滑模控制有了一定程度的提升。继而运用Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真分析,验证了所提出控制策略的有效性。最后,针对FTS在高频切削过程中除了存在切削力等非周期性干扰外还存在周期性干扰的情况,提出了一种超螺旋改进插入式重复控制。该方法基于积分滑模控制的等效控制和非线性控制这两部分的设计具有各自独立性以及插入式重复控制器可在不改变原有控制器的情况下直接插入到其中的设计理念而将超螺旋控制和重复控制相结合,利用超螺旋控制的鲁棒性以消除非周期性干扰及利用重复控制抑制周期性干扰。并且,所提方法对传统插入式重复控制算法做了改进,使得控制系统获得更高的控制精度。在理论分析的基础上,运用Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真分析。并将其与传统重复控制的仿真结果做比较,证明了所提方法可行性。

关键词：快速刀具伺服系统无铁心永磁直线同步电机增量滑模控制超螺旋控制重复控制

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环形倒立摆模型分析及控制策略研究

环形倒立摆模型分析及控制策略研究

作者：邢宇东北电力大学

学位级别：硕士

倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、高阶次、不确定和快速运动的自然不稳定系统,其控制目标是实现倒立摆各摆杆之间的稳定平衡,并且在不确定扰动下倒立摆系统能够快速的恢复稳定平衡状态。它是研究和验证各种控制策略的一种非常典... 详细信息

倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、高阶次、不确定和快速运动的自然不稳定系统,其控制目标是实现倒立摆各摆杆之间的稳定平衡,并且在不确定扰动下倒立摆系统能够快速的恢复稳定平衡状态。它是研究和验证各种控制策略的一种非常典型的实验平台,因而对它的研究具有重要的工程背景和实际意义。因此,本文对环形一级、二级倒立摆控制系进行的设计,同时进行了环形一级、二级倒立摆的控制试验。主要完成以下工作:首先,分析环形一级、二级倒立摆系统模型,利用Lagrange方法建立系统的数学模型,并对系统的能控性、能观性和相对能控性进行分析,验证系统的自然不稳定性。其次,主要围绕环形一级、二级倒立摆系统,进行了LQR控制方法的研究。在MATLAB环境中进行仿真实验,完成了对模型的稳定控制,得到了良好的控制效果。此外,利用遗传算法对LQR中参数寻优,得到最优控制参数。在此基础上,搭建环形一级、二级倒立摆实时控制模块,在实物上进行验证,证明算法的正确性及可实现性。最后,本文使用超螺旋滑模控制方法对环形一级倒立摆进行仿真实验,选择滑模面并设计滑模面参数,同时对控制器进行改进,实现了模型的稳定控制。此外,利用遗传算法对参数进行寻优,得到最优仿真的参数,可以有效地减小滑模控制中产生的抖震及其他问题。在此基础上,搭建基于滑模控制算法的实时控制模块,实现在环形一级倒立摆实物的控制。

关键词：环形倒立摆 LQR控制滑模控制超螺旋控制抖振

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永磁直线同步电机插入式积分滑模控制

电机与控制应用 2020年第9期47卷 29-33页

作者：张戟纪铁生王乃福吴志友中车大连电力牵引研发中心有限公司辽宁大连116022

永磁直线同步电机(PMLSM)因具有高速、高动态响应等优点而备受关注。参数变化、端部效应和摩擦力等不确定因素将会降低直线电机控制系统应有的性能。为了提高系统的鲁棒性,提出了一种插入式积分滑模控制。该滑模控制将原有控制器的输出... 详细信息

永磁直线同步电机(PMLSM)因具有高速、高动态响应等优点而备受关注。参数变化、端部效应和摩擦力等不确定因素将会降低直线电机控制系统应有的性能。为了提高系统的鲁棒性,提出了一种插入式积分滑模控制。该滑模控制将原有控制器的输出量加入到所设计的滑模面中,使得控制系统在不改变原有控制器结构和性能的情况下,获得较强的鲁棒性。同时,以连续的超螺旋控制替换积分滑模控制中原有的不连续部分,削弱了滑模固有的抖振。MATLAB/Simulink仿真结果证实了所提方法的有效性。

关键词：永磁直线同步电机插入式积分滑模控制超螺旋控制滑模面抖振鲁棒性

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