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二自由度并联机械手动力学控制方法

机械科学与技术 2020年第1期39卷 1-9页

作者：闫寒王浩张舵闫学佳吴明坤梅江平天津大学机械工程学院天津300350

本文针对一种二自由度并联机械手高速运动状态下的动力学控制方法展开研究。通过对并联机械手简化刚体动力学模型的建模误差进行溯源分析,提出了一种基于双系数补偿分配策略的建模方法,对机械手的简化刚体动力学模型进行了优化,并基于... 详细信息

本文针对一种二自由度并联机械手高速运动状态下的动力学控制方法展开研究。通过对并联机械手简化刚体动力学模型的建模误差进行溯源分析,提出了一种基于双系数补偿分配策略的建模方法,对机械手的简化刚体动力学模型进行了优化,并基于该简化模型建立了机械手的动力学前馈控制方法。为进一步提高控制过程的鲁棒性,结合h_∞控制方法提出了一种h_∞+动力学前馈的控制方法。在建立机械手整机机电联合仿真系统的基础上,对所提出的两种控制方法进行了详细的仿真和对比。仿真结果表明,本文提出的控制方法可以减少力矩扰动对伺服电机输出带来的影响,大大减小了机械手末端的定位误差,提高了机械手的控制精度。

关键词：二自由度并联机械手简化刚体动力学模型前馈控制 h_∞控制器

具有随机通信时延的网络化控制系统控制问题研究

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具有随机通信时延的网络化控制系统控制问题研究

作者：曹江南南京邮电大学

学位级别：硕士

伴随着通信技术、计算机技术和控制技术的快速发展,网络化控制系统在各行各业得到广泛融合与应用。网络的引入在带来便利的同时,由于网络带宽等因素的限制,也会导致网络传输过程中出现数据丢失、通信延时等问题,因而使得控制性能减弱。... 详细信息

伴随着通信技术、计算机技术和控制技术的快速发展,网络化控制系统在各行各业得到广泛融合与应用。网络的引入在带来便利的同时,由于网络带宽等因素的限制,也会导致网络传输过程中出现数据丢失、通信延时等问题,因而使得控制性能减弱。另外,许多实际系统的状态变量不能直接测量,需要设计状态观测器对系统状态进行估计。鉴于此,本文针对一类具有随机通信时延的线性离散网络化控制系统,研究系统的状态观测器和控制器的设计问题。本文主要研究工作如下:(1)研究一类具有随机通信时延的线性离散网络化控制系统随机稳定控制器设计问题。假设系统中随机通信时延服从Markov链概率分布,设计系统的状态观测器和基于观测器的随机稳定控制器。应用Lyapunov稳定性理论,得到闭环系统随机稳定的充分必要条件,通过求解线性矩阵不等式,得到观测器和控制器的相关参数。(2)研究一类具有随机通信时延的线性离散网络化控制系统h?控制器设计问题。假设系统中随机通信时延服从Markov链概率分布,设计系统的状态观测器和基于观测器的h?控制器。应用Lyapunov稳定性理论,得到闭环系统随机稳定的充分必要条件和满足指定h?性能指标的充分条件,通过求解线性矩阵不等式,得到观测器和控制器的相关参数。(3)研究一类具有随机通信时延的线性离散网络化控制系统h?跟踪控制器设计问题。假设系统中随机通信时延服从Markov链概率分布,设计系统的状态观测器和基于观测器的h?跟踪控制器。应用Lyapounv稳定性理论,得到闭环系统随机稳定的充分必要条件和满足指定h?性能指标的充分条件,通过求解线性矩阵不等式,得到观测器和控制器的相关参数。

关键词：随机通信时延网络化控制系统 h_∞控制器线性矩阵不等式

EAST等离子体形状控制模型辨识与控制器设计

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EAST等离子体形状控制模型辨识与控制器设计

作者：朱聪浙江大学

学位级别：硕士

本文针对国内受控核聚变装置EAST (Experimental Advanced Superconductive Tokamak)成功地进行了系统辨识与先进控制的可行性研究,据作者所知这是第一次采用系统辨识的技术对EAST控制问题进行处理。本文的主要成果内容包含以下几个方面... 详细信息

本文针对国内受控核聚变装置EAST (Experimental Advanced Superconductive Tokamak)成功地进行了系统辨识与先进控制的可行性研究,据作者所知这是第一次采用系统辨识的技术对EAST控制问题进行处理。本文的主要成果内容包含以下几个方面：1.利用现场聚变实验数据建立了EAST等离子体形状控制模型。在等磁通控制原理的基础上,选取了经典单双零点位形下的EAST实验炮数据,采用系统辨识技术建立了一个以控制为导向的以极向场电流为输入,相关被控参数为输出的形状控制模型,并对辨识得到的模型利用相似实验炮数据进行了验证,为下一步的工作打下了基础。2.在实验装置限制的基础上设计了"plant-friendly"辨识激励信号。为了获得良好的面向控制的模型,本文基于相关的理论知识,并结合实际装置的具体限制设计了辨识激励信号。该激励信号理论上可以激励系统以得到一个合适的模型,并可以保证信号的变化范围和执行器的操作都在限制内,并进行了仿真验证。但可惜的是由于实验期间EAST装置出现故障而无法在现场进行辨识实验。3.设计了性能参数可调节的h∞控制器。为了提高装置的控制性能,本文在辨识模型的基础上设计了h∞控制器且该控制器的相关参数可以被现场操作人员,乃至非控制领域的人员调整。并与基于辨识模型得到的PID控制器进行了比较,结果表明了h∞控制器的优越性能。最后,在总结全文的基础上对研究的发展前景进行了讨论。

关键词：系统辨识等离子体形状控制实验激励信号设计 h_∞控制器 EAST

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基于DSP的直线电机驱动控制系统的研究

基于DSP的直线电机驱动控制系统的研究

作者：徐鸣飞东南大学

学位级别：硕士

相对于传统的旋转电机而言,采用直线电机进行驱动控制具有高精度、高能量转换效率、响应速度快的特点。为了进一步地提高永磁同步直线电机的速度响应和稳态精度,并且抑制推力波动对直线电机运行产生的影响,设计了一套直线电机的硬件平... 详细信息

相对于传统的旋转电机而言,采用直线电机进行驱动控制具有高精度、高能量转换效率、响应速度快的特点。为了进一步地提高永磁同步直线电机的速度响应和稳态精度,并且抑制推力波动对直线电机运行产生的影响,设计了一套直线电机的硬件平台和软件平台,并主要使用了矢量控制算法、SVPWM算法、h∞控制算法、零相位控制器对直线电机进行控制,在稳态性能和动态响应的指标上达到了很好的效果。首先介绍了直线电机的基本工作原理,在此基础上建立了PMLSM的数学模型。在引入矢量控制和SVPWM算法之后,给出了PMLSM的整体控制策略,为全文奠定基调。接着引入Ziger-Nichlol法整定PID控制器的参数,对h∞控制算法、零相位控制器进行了理论分析和MATLAB仿真,仿真结果表明：在h∞控制器和ZPETC的共同作用下,速度响应和推力波动率明显优于传统的PID控制。软硬件的设计是整个控制系统的重要部分,对硬件部分的DSP F2812开发板和电机驱动板进行了详尽的阐述。在软件部分,对主程序进行了分析介绍,再分别对脉冲位置控制程序、光电传感器检测反向程序、h∞控制算法、ZPETC算法、SVPWM算法模块、位置信号捕获环节、电流采样模块、PID控制器模块流程图进行了分析研究。最后,为了验证整套控制系统实际的运行效果,进行了PMLSM的常规运动实验、激光干涉仪测位置误差实验以及推力实验。结果表明：在ZPETC的作用下,PMLSM的位置精度优于PID控制器;在h∞控制器的作用下,PMLSM的速度响应和推力波动率优于单纯PID控制器,充分体现了控制系统设计的有效性,为后续的研究奠定了基础。

关键词：永磁同步直线电机 DSP 矢量控制 h_∞控制器零相位控制器

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一类时滞系统稳定性分析和控制器的设计

一类时滞系统稳定性分析和控制器的设计

作者：秦北北杭州电子科技大学

学位级别：硕士

在控制领域中,大部分的控制系统都存在时间滞后现象,而这种现象是导致系统性能变差甚至不稳定的主要原因之一。因此,对时间滞后控制系统进行研究,具有重要的理论意义。随着工业控制的逐渐发展,控制系统变得越来越复杂,经典控制理论在一... 详细信息

在控制领域中,大部分的控制系统都存在时间滞后现象,而这种现象是导致系统性能变差甚至不稳定的主要原因之一。因此,对时间滞后控制系统进行研究,具有重要的理论意义。随着工业控制的逐渐发展,控制系统变得越来越复杂,经典控制理论在一些控制系统中的应用已经受到限制,尤其是在一些存在不确定因素干扰的情况下。现代控制理论则在这方面有着独特的优势。近年来,以现代控制理论为基础的时滞系统的研究,成为了控制领域的一个研究热点。如何减小系统的保守性是众多学者在时滞系统方面研究的焦点之一。最近几年,众多学者在时滞系统方面的研究已经取得了很多不错的成果,比如前几年有学者提出了将系统时滞分解为几部分来进行研究,取得了很好的效果。但有一大批被SCI, El检索的文献在用这种方法进行处理时,出现了共同的技术上的错误,所得到的结果当然也不正确。本文在研究了大量国内外重要文献的基础上,针对这些文献中所出现的共同问题,在处理技术上进行了改进,通过选取适当的Lyapunov-Krasovskii泛函,结合常用的不等式,对时滞系统的稳定性进行研究。本文主要有以下几部分组成：1.对时滞系统的研究背景和研究意义进行系统的阐述,随后对时滞系统在国内外的研究现状进行了回顾,介绍了时滞系统方面的一些基础知识以及常用的引理。2.针对一大批文献在推导过程中共同存在的技术问题进行改正,采用适当的界定技术获得了一个保守性更小的时滞系统时滞相关型稳定性判据,随后将这种结论推广到参数不确定时滞系统中。并利用示例验证了结果的有效性。3.对含有外界干扰的不确定性时滞系统进行研究,将改正后的方法在不确定性时滞系统中进行推广,得到了满足系统鲁棒h∞性能指标的稳定性判据,在此基础上进行了控制器的设计,并通过数值示例验证了所得结果的有效性。4.研究了改进的方法在含有外界干扰的网络控制系统中的应用问题。对网络控制系统进行稳定性分析和控制器的设计,给出相应的控制器参数,通过数例验证结果的有效性。

关键词：时变时滞系统参数不确定性稳定性 h_∞控制器 Lyapunov-Krasovskii泛函线性矩阵不等式(LMIs)

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新自动发电控制系统模型及其控制方法研究

新自动发电控制系统模型及其控制方法研究

作者：陈冠宇华北电力大学

学位级别：硕士

本文是关于AGC(Automatic Generation Control System)模型及其控制方法的理论研究。控制指令的网络时延和机组功率控制系统对AGC系统性能有重要影响,以往所建立的AGC模型忽略这两个重要环节,这种模型不能真实描述AGC系统的实际运行规... 详细信息

本文是关于AGC(Automatic Generation Control System)模型及其控制方法的理论研究。控制指令的网络时延和机组功率控制系统对AGC系统性能有重要影响,以往所建立的AGC模型忽略这两个重要环节,这种模型不能真实描述AGC系统的实际运行规律。为此,本文以火电机组构建的两区域自动发电控制系统为例,在对模型进行数学推导的基础上,提出并证明了AGC系统中的网络时延环节等效变换定理,最后建立了一个新的AGC系统模型。针对新模型中的AGC控制器,通过数学变换将该控制器的设计问题转化为输出反馈h∞控制器的设计问题,提出了一种适用于新模型的AGC控制器设计方法,同时提出了一个稳定性充分条件,并对该设计方法和充分条件进行了推导证明。仿真结果表明：在新模型下,根据本文所提的方法设计出的控制器能有效地克服网络时延的不确定性对系统的影响,同时能使系统稳定和具有较好的控制性能。控制器设计方法可推广到其它类似的控制系统设计中。

关键词：自动发电控制模型网络时延机组控制系统 h_∞控制器

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离散时滞系统稳定性分析与控制器设计

离散时滞系统稳定性分析与控制器设计

作者：曾钢杭州电子科技大学

学位级别：硕士

在现实生产生活中，时滞随处可见。由于时滞的出现，往往使控制系统的稳定性变差甚至不稳定继而影响控制系统的其他性能，也因此使得对控制系统的分析与综合变得更加困难，因而对时滞系统的研究不仅有着可贵的理论意义同时还具有显而易... 详细信息

在现实生产生活中，时滞随处可见。由于时滞的出现，往往使控制系统的稳定性变差甚至不稳定继而影响控制系统的其他性能，也因此使得对控制系统的分析与综合变得更加困难，因而对时滞系统的研究不仅有着可贵的理论意义同时还具有显而易见的现实意义。另一方面随着现代计算机技术日新月异的发展，离散系统的应用范围也日渐广泛，而离散系统中时滞更是常见的现象，因而研究离散时滞系统渐渐成为控制领域的一个热点。对离散时滞系统的研究通常包含稳定性分析和综合问题，在综合问题中最常见的是相关控制器设计。通过控制器设计，使得系统能克服一些不稳定性因素同时满足一定的工作需求。本文正是基于以上几点展开研究的。本文首先对离散时滞系统的研究历史和现状进行了概述，总结了常见的一些分析方法，并分别分析各个方法的优缺点。Lyapunov泛函方法已经发展成为一种很成熟的处理时滞系统的方法，近十多年广大学者们的研究方向主要集中在构造泛函以后如何处理求导得到的交叉项，以此来达到减小保守性的目的。本文在总结已有成果的基础上，在第三章中给出了一个改进的以线性矩阵不等式（LMI）形式表示的具有区间时变时滞线性离散系统的时滞相关稳定性准则。该方法通过构造恰当的Lyapunov-Krasovskii泛函，结合一个合适的不等式处理方法，有效地减小了所得结论的保守性。该方法没有利用任何模型变换，而是通过改进的积分不等式，对含有时滞信息的积分项进行适当处理。整个稳定准则分析过程中都没有添加任何自由权矩阵变量，因而得到的结果较以前的结论效果更好而且形式更为简单。第四章在第三章基础上分别研究了具有范数有界参数不确定性和凸多面体参数不确定性的离散时滞系统，分别就两类具有实际意义的系统得到了改进的稳定性准则，并用数值实例仿真结果来对比两种不同的不确定性模型之间的差异以及有效性。第五章基于第三章中得到的稳定性准则，设计了一个无记忆的反馈控制器，得到了控制器存在的充分条件。为了得到该控制器增益，本章分别采用常用的锥补线性算法（CCL）和一个基于线性矩阵不等式的迭代算法来求解，通过仿真来验证该控制器设计的有效性，同时对比两种不同算法的效果。文末对本文所做的研究工作进行了总结，提出了未来需要改进以及进一步展开研究的地方。

关键词：离散时滞系统稳定性 Lyapunov-Krasovskii泛函线性矩阵不等式 h_∞控制器迭代算法

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基于h_∞混合灵敏度的微电网频率控制研究

基于H_∞混合灵敏度的微电网频率控制研究

作者：陈金元华南理工大学

学位级别：硕士

可再生的新能源往往在偏远地区、高原、海岛等地区较丰富,搭建远距离输电线路以及修建变电站成本较大,维护费用高,传输过程中损耗大。微电网成为一个重要研究课题。风电、光电输出功率以及负荷的波动使微电网功率不平衡,微电网的频率也... 详细信息

可再生的新能源往往在偏远地区、高原、海岛等地区较丰富,搭建远距离输电线路以及修建变电站成本较大,维护费用高,传输过程中损耗大。微电网成为一个重要研究课题。风电、光电输出功率以及负荷的波动使微电网功率不平衡,微电网的频率也不稳定。频率的稳定是微电网的重要性能指标,基于混合灵敏度的h∞鲁棒控制,本文对微电网频率控制进行了研究。本文阐述了鲁棒控制思想以及基于混合灵敏度的h∞鲁棒控制的基本原理;针对基于混合灵敏度的鲁棒h∞控制器设计过程中加权函数难以构建的现状,提出了构建加权函数的参数化方法,克服了加权函数设计过程中经验性强的缺点;针对所提出的构建加权函数的方法,进一步提出了结合粒子群优化算法和遗传算法对加权函数的参数进行优化,并对寻优过程步骤化,使得构建出的加权函数更加合理;针对所提出的构建加权函数的方法,设计了交互型GUI界面,通过输入被控对象及约束条件,就能完成对加权函数的参数优化,并将优化时间、优化结果、优化效果传输到GUI界面显示,使得加权函数的构建及参数优化更加直观便捷;建立了微电网的频率控制模型,在分析各分布式电源的可控性之后,提出了微电网的频率控制方案;针对提出的控制方案,基于混合灵敏度的h∞鲁棒控制理论以及粒子群寻优算法、所提出的加权函数构建方法,设计出了微电网频率h∞控制器。为了分析所提方法的有效性以及所设计的h∞控制器的控制效果,针对h∞控制下的微电网系统,从时域和频域方面进行了分析;同时,在Simulink软件上进行了仿真,仿真结果表明:h∞控制能很使微电网频率偏差控制在标准范围内,所提h∞控制器设计方法是有效的。并与常规PI控制进行了对比分析,对比结果表明:h∞控制在突加负载与突减负载时,控制效果更加优越,鲁棒性比常规PI控制好。

关键词：微电网频率控制 h_∞控制器构建加权函数仿真

CPR1000核电厂SG水位鲁棒h∞控制方法研究

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CPR1000核电厂SG水位鲁棒H∞控制方法研究

作者：雍二磊哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备,在能量转换的过程中,蒸汽发生器既是一回路设备,也是二回路设备,所以被称为一、二回路的枢纽。由于蒸汽发生器系统本身具有非线性、高复杂性、非最小相位,以及“膨胀”和“收缩”现象使得蒸... 详细信息

蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备,在能量转换的过程中,蒸汽发生器既是一回路设备,也是二回路设备,所以被称为一、二回路的枢纽。由于蒸汽发生器系统本身具有非线性、高复杂性、非最小相位,以及“膨胀”和“收缩”现象使得蒸汽发生器水位控制变得非常困难。目前CPR1000核电厂中蒸汽发生器水位的控制方法是传统的串级PID控制,这种控制方法难以满足核动力装置瞬态情况下的自动控制要求,因此本文考虑将鲁棒h∞控制方法应用到蒸汽发生器水位控制系统的设计中。本文将CPR1000核电厂的蒸汽发生器水位数学模型与线性参数变化(Linear Parameter Varying, LPV)理论相结合,研究了鲁棒h∞控制问题。首先,建立仿射LPV水位模型,对此蒸汽发生器水位模型的“虚假液位”现象进行分析。其次,设计了单PID控制器、双PID控制器,以及串级PID控制器,仿真验证了所设计的PID控制器对水位控制的有效性。然后基于LPV理论,利用鲁棒控制理论设计了分段状态反馈凰控制器和分段输出反馈h∞控制器,仿真结果验证了这两种控制器能够有效地控制蒸汽发生器水位,并且满足一定的性能指标。为了提高控制性能,设计了分段状态反馈h∞控制器与PID结合的复合控制器。最后,通过计算所设计的蒸汽发生器水位控制器的均方误差(Mean Square Error,简称MSE)性能指标值和最大超调量(Maximum Overshoot,简称MO)性能指标,对控制器的性能进行评价。

关键词： CPR1000 蒸汽发生器水位控制 LPV理论 h_∞控制器