城市污水处理过程动态多目标智能优化控制研究

城市污水处理过程(Municipal wastewater treatment process, MWWTP)是一个典型的复杂流程工业过程, 其优化运行涉及到多个动态性能指标. 为了实现城市污水处理运行过程的优化控制, 本文提出了一种城市污水处理过程动态多目标智能优化控制方法(Dynamic multiobjective intelligent optimal control, DMIOC). 首先, 建立了一种基于自适应核函数的动态性能指标模型, 实现了城市污水处理关键性能指标的准确描述; 其次, 设计了一种基于自适应飞行参数调整机制的动态多目标粒子群优化算法(Dynamic multiobjective particle swarm optimization, DMOPSO), 可有效平衡粒子的多样性和收敛性, 完成了溶解氧和硝态氮优化设定值的实时获取; 最后, 利用多回路PID控制方法对溶解氧和硝态氮优化设定值进行控制, 实现了城市污水处理过程安全稳定运行. 将提出的DMIOC应用于城市污水处理基准仿真平台, 实验结果显示: DMIOC 能够提高溶解氧和硝态氮的控制效果, 实现城市污水处理过程出水水质达标, 并降低运行成本.     

不确定时变时滞系统的自适应全局鲁棒滑模控制

针对一类存在时变状态时滞的不确定性系统, 基于全程滑模的思想, 引入一种带状态时滞项的积分型滑模面, 以消除趋近模态, 实现全程滑模控制; 基于一种新颖的自由权矩阵时滞转换模型, 采用线性矩阵不等式(LMI) 的方法给出并证明了滑动模态稳定的充分条件, 降低了保守性; 结合自适应控制思想设计出自适应滑模控制器, 克服了不确定性以及时变的时滞影响.

     

一类非线性大滞后系统自适应积分滑模控制

针对一类非线性大滞后系统, 基于伪偏导数概念的动态线性化非线性系统模型, 利用离散时间预测器技术, 实现了系统原始表达式中滞后环节的隐性表达, 并结合离散积分滑模控制(discrete integral sliding mode control, DISMC)方法, 提出了一种新的无模型自适应离散积分滑模控制(model-free adaptive discrete integral sliding mode control, MFA-DISMC)方案. 该方法的主要特点是控制器设计仅取决于被控对象的输入和输出测量数据. 通过理论分析证明了算法的稳定性, 仿真研究表明, 相比于无模型自适应控制(model-free adaptive control, MFAC)、Smith预估控制、改进的MFAC控制以及比例–积分–微分(proportional-integral-derivative, PID) 控制方法, 本文方法具有更快的响应速度和更强的鲁棒性. 最后, 通过双容水箱液位控制系统的实验研究, 验证了所提出方法的有效性.     

适用于仿生眼的与模型无关的滑模阻抗控制

本文针对仿生眼系统,提出一种PD型的滑模控制方法(proportion differential control with sliding mode cont-rol, PD–SMC).该方法与模型无关,并将传统阻抗控制(PD控制)与滑模控制(sliding mode control, SMC)结合在一起,具有类似PD控制方法结构简单、易于实现的优点,并且针对系统参数的不确定性以及当系统存在外部扰动时,具有滑模控制方法(SMC)本身固有的强鲁棒性.文中设计的PD–SMC控制器中, PD控制环节使仿生眼系统实现稳定的运动控制, SMC控制环节用于补偿不确定的系统参数以及系统受到的外部扰动.利用Lyapunov方法以及拉塞尔不变性原理证明了闭环系统的稳定性与收敛性.仿真结果表明所提控制方法具有很好的跟踪控制性能.     

数据和知识驱动的城市污水处理过程多目标优化控制

城市污水处理过程优化控制是降低能耗的有效手段, 然而, 如何提高出水水质的同时降低能耗依然是当前城市污水处理过程面临的挑战. 围绕上述挑战, 文中提出了一种数据和知识驱动的多目标优化控制(Data-knowledge driven multiobjective optimal control, DK-MOC)方法. 首先, 建立了出水水质、能耗以及系统运行状态的表达关系, 获得了运行过程优化目标模型. 其次, 提出了一种基于知识迁徙学习的动态多目标粒子群优化算法, 实现了控制变量优化设定值的自适应求解. 最后, 将提出的DK-MOC应用于城市污水处理过程基准仿真模型1 (Benchmark simulation model No. 1, BSM1). 结果表明该方法能够实时获取控制变量的优化设定值, 提高了出水水质, 并且有效降低了运行能耗.     

不确定非线性时滞系统的自适应滑模控制

针对一类不确定非线性时滞系统的鲁棒滑模控制器设计问题,提出了一种自适应滑模控制方法,该方法能够有效地削弱系统的输入抖动.基于自适应滑模控制技术和Lyapunov稳定方法,克服了系统不确定性和时滞特性影响,不但保证系统状态可以在有限的时间内到达滑模面,而且还保证了系统的渐近稳定特性.最后给出的仿真结果验证了该控制方案的有效性.     

非线性时滞系统的抖振削弱自适应滑模控制

针对一类非线性时滞系统的鲁棒自适应滑模控制器设计问题,提出了一种基于偏微分变换的自适应滑模控制方法,该方法能够有效地削弱系统的输入抖动．基于自适应滑模控制技术和Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定方法,克服了时滞影响,不但保证系统状态可以在有限的时间内到达滑模面,而且保证了系统的渐近稳定特性．最后给出的仿真结果验证了该控制方案的有效性．

     

非线性时滞系统的抖振削弱自适应滑模控制

针对一类非线性时滞系统的鲁棒自适应滑模控制器设计问题,提出了一种基于偏微分变换的自适应滑模控制方法,该方法能够有效地削弱系统的输入抖动．基于自适应滑模控制技术和Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定方法,克服了时滞影响,不但保证系统状态可以在有限的时间内到达滑模面,而且保证了系统的渐近稳定特性．最后给出的仿真结果验证了该控制方案的有效性．     

一类不确定中立时变时滞系统的自适应全局滑模控制

针对一类含有时变状态时滞和中立时滞的不确定性系统,提出一种新型滑模变结构控制方法.首先,基于全程滑模的思想,设计带有中立时滞项的积分型滑模面以消除趋近模态;然后,充分利用时滞下界的信息选取Lyapunov函数,采用线性矩阵不等式(linear matrix inequality-LMI)方法给出并证明滑动模态稳定的充分条件,降低时滞保守性;再次,与自适应结合设计滑模控制器,采用饱和函数代替符号函数,削弱系统抖振;最后,针对数值算例进行仿真研究,结果表明所提出的控制方法有效可行.     

复合干扰下载人潜水器的全阶滑模控制

针对蛟龙号载人潜水器(JIAOLONG)在运行过程中受到深海洋流、模型不确定性和未建模动态等因素影响,本文设计了一种基于干扰观测器的新型全阶滑模控制(disturbance-observer based full-order sliding mode control,DOB–FOSMC)方法.首先,建立载人潜水器系统的动力学模型;然后,设计扩展非线性干扰观测器估计系统的复合扰动;其次,设计能够描述潜水器完整动态特性的全阶滑模面,从而得到滑模控制律,并给出闭环控制系统的稳定性分析;最后,通过数值仿真验证控制方法的有效性和优越性.基于干扰观测器的全阶滑模控制方法的优越性主要体现在:能够描绘载人潜水器的全阶动态特性,并且有效抑制抖振现象.     

污水处理过程递推双线性子空间建模及无模型自适应控制

污水处理过程中, 生化反应硝态氮浓度和溶解氧浓度是决定出水水质好坏的两个最关键变量, 难以采用常规基于模型的方法进行有效控制. 本文基于数据驱动建模与控制技术, 提出一种污水处理过程递推双线性子空间辨识(Recursive bilinear subspace identification, RBLSI)建模和无模型自适应控制方法. 首先, 针对污水处理过程的非线性时变动态特性, 采用最小二乘递推双线性子空间辨识方法建立污水处理生化反应过程具有参数自适应能力的递推双线性模型; 其次, 基于建立的数据驱动模型, 采用基于多参数灵敏度分析(Multi-parameter sensitivity analysis, MPSA)和遗传粒子群优化(Genetic algorithm-particle swarm optimization, GA-PSO)算法的无模型自适应控制(Model-free adaptive control, MFAC)方法对硝态氮和溶解氧浓度进行直接数据驱动控制; 最后, 数据实验及其比较分析表明了所提方法的有效性和优越性.     

含状态时滞不确定性系统的全滑模控制

针对一类存在状态时滞的不确定性系统,研究了全滑模控制器的设计问题.为了加强和改善系统的稳定性,提出了一种构造积分滑模面的新方法,在传统积分滑模面的基础上增加时滞补偿项,使得整个响应过程对于满足匹配条件的不确定性具有完全的鲁棒性,能够消除趋近阶段,实现全滑模控制.系统地给出了全滑模控制器的设计过程,采用线性矩阵不等式(LMI)方法,给出并证明了滑动模态渐近稳定的充分条件.设计的滑模控制律保证了滑模的存在并能有效地克服不确定性的影响,从而实现了全局鲁棒滑模控制.对所提出的控制算法进行了数值仿真,结果表明了该方法的有效性和可行性.     

基于自适应模糊滑模控制模锻压机卸荷的研究

针对大型模锻压机锻造过程保持低速稳定难的问题,提出一种基于自适应模糊滑模变结构控制的锻造调节方法。通过建立阀控液压缸的动态特性数学模型,转换得到控制系统的状态方程,与自适应模糊滑模控制规律结合,得到自适应模糊滑模控制函数,设计模锻压机卸荷控制器。通过软件仿真得知:基于自适应模糊滑模变结构控制方法可有效地控制锻压机低速稳定运行,能够实现精准、高速及平稳的自动调整。     

城市污水处理过程优化设定方法研究进展

城市污水处理过程优化运行的目标是保证出水水质达标, 降低运行成本. 为了实现该目标, 需要动态更新污水处理过程操作变量的最优设定值. 由于城市污水处理过程具有多变量、多冲突、多目标、多约束、动态、时变等特点, 如何设计精确的污水处理过程运行指标模型, 如何优化过程操作变量的最优设定值, 是实现城市污水处理过程优化运行亟待解决的难题. 本文梳理了城市污水处理过程优化设定方法的研究进展. 首先, 介绍了城市污水处理过程特性和过程优化设定问题; 其次, 分别概述了基于机理和基于数据驱动的城市污水处理过程运行指标建模方法; 然后, 分别讨论了城市污水处理过程单运行指标和多运行指标的操作变量设定值寻优算法; 最后, 展望了城市污水处理过程优化设定问题的未来研究方向.     

基于工业以太网多PLC的污水处理控制系统

介绍了西门子公司S7-300PLC在污水处理厂自动控制中的应用,设计基于工业以太网的多处理器分布系统,详细介绍了系统网络拓扑结构,系统的硬件组态,PLC程序设计以及监控系统的设计.针对污水处理中曝气过程溶解氧控制对象的非线性、时变性以及不确定性等特点,提出一种基于模糊自适应PID的控制方法,完成了溶解氧自适应模糊PID控制系统的设计.该系统实现了城市污水处理的全自动控制,实际运行稳定,效果良好.     

线控转向系统的自适应高阶滑模控制

车辆线控转向(steer-by-wire,SbW)系统存在摩擦力矩及回正力矩等不确定动态特性,难以实现精确建模与有效控制.为此,提出一种基于自适应模糊逻辑系统的自适应高阶滑模(adaptive higher-order sliding mode, AHOSM)方法,实现SbW系统的有效控制.首先,通过自适应模糊逻辑系统逼近SbW系统的未知动态,使控制器的设计不再需要摩擦力矩及回正力矩的动力学模型;其次,采用高阶滑模和自适应增益技术削弱传统滑模控制器存在的抖振现象;再次,通过构造Lyapunov函数设计增益自适应律补偿逼近误差和系统不确定项对控制精度的影响,该方案不需要系统不确定项的界已知,且能够避免增益过估计现象;最后,通过稳定性分析证明该控制器可以在有限时间内建立实际滑动模态,数字仿真和硬件在环实验进一步验证了该控制方法的有效性和优越性.     

计及随机传感器时滞的不确定半Markov跳变系统鲁棒滑模控制

在实际系统中,系统参数与结构随机变化、未知外界干扰、传感器时滞等现象时有发生并严重影响了系统的稳定运行.为了解决这一问题,本文提出计及随机传感器时滞的一类不确定半Markov跳变系统鲁棒滑模控制方法,其中系统的传感器时滞通过使用Bernoulli随机分布进行描述.考虑系统状态信息不可测量条件下,文章设计模态依赖Luenberger观测器去估计半Markov跳变系统的运行状态.然后,本文构造一个积分滑模面并借助随机Lyapunov理论,提出两种半Markov跳变系统的随机稳定性分析方法.进而,文章提出基于观测器的滑模控制方法使得系统状态能够在有限时间内到达滑模面上以及滑模动态在H_∞性能指标γ下是随机稳定的.最后,通过一种基于他励直流电动机模型的数值仿真例子验证所设计的滑模控制方法的有效性与正确性.     

载人潜水器的干扰特性分析与自适应滑模控制

针对在实际运行中会受到未知外部环境干扰和模型不确定性等因素影响的蛟龙号载人潜水器系统,本文设计了一种基于干扰特性指标的新型自适应滑模控制方法,实现对有益干扰的利用和有害干扰的补偿.首先,文章给出载人潜水器系统的运动学和动力学模型;然后,本文设计非线性干扰观测器估计系统所受的集总扰动,并提出一种扇形区域干扰特性指标,用于判断干扰对系统的影响;其次,文章设计一种基于干扰特性指标的自适应滑模控制方法,并且根据李雅普诺夫理论进行严格的稳定性分析;最后,通过数值仿真,验证所设计的滑模控制方法的优越性.其优越性主要体现在:不仅能够有效缓解抖振现象,并且避免控制增益高估的问题.     

基于鲁棒自适应的无人直升机悬停控制

小型无人直升机凭借良好的机动特性,在军事和民用方面有着广泛的用途。针对小型无人直升机悬停模型,考虑模型参数不确定对无人机控制的影响,提出一种鲁棒自适应控制律,实现无人机控制系统对不确定扰动的抑制。首先,基于无人直升机线性化悬停模型设计滑模面,并结合标称系统控制的反馈增益,获得滑模面的设计参数;在此基础上,利用传统滑模趋近律设计方法设计控制器;为改善系统控制性能,设计基于自适应增益的趋近律,实现系统鲁棒自适应控制。其次,利用Lyapunov稳定理论对所设计的鲁棒自适应控制策略的稳定性进行分析说明。最后,通过与基于指数趋近律以及变速趋近律的两种滑模控制方法仿真对比,验证了所设计的控制方法的有效性和优越性。     

基于滑模预测控制的海底采矿车轨迹跟踪算法

海底采矿车多工作于稀软底质,其面临的外部扰动较大,难以快速收敛跟踪误差,精准地跟踪预设轨迹。为此,本文提出了一种海底采矿车的滑模预测控制（sliding model predictive control,SMPC）轨迹跟踪算法。基于海底采矿车的运动学模型,首先设计滑模控制率实现轨迹跟踪误差快速收敛,其次利用少预测时域的线性时变模型预测控制算法（linear time varying model predictive control,LTV-MPC）优化该滑模控制率。而后,通过证明滑模控制率收敛和模型预测控制稳定,保证了闭环控制系统的稳定性。RecurDyn&Simulink联合仿真结果表明,与单一的滑模控制（sliding mode control,SMC）和线性时变模型预测控制算法相比,所提出的SMPC轨迹跟踪算法提高了轨迹跟踪精度,且算法具有较好的实时性。