高性能速度估计的运动控制系统鲁棒性研究

本文采用基于扰动观测器的加速度控制以实现运动控制系统较高的鲁棒性要求,扰动观测器用于对外部负载转矩的扰动进行估计并补偿。为实现精确的扰动估计,要求扰动观测器较高的截止频率和准确的加速度信息。而精确的速度估测对截止频率的提高和加速度估计的准确性至关重要。本文提出一种新的速度估测算法,为科学地说明此算法的动态性能,将动态误差作为新的性能衡量指标。仿真和实验结果表明,该算法能够在保证速度精度不变的前提下,提高动态响应性能,同时能够有效提高运动控制系统的鲁棒性。     

扰动观测器和等价性

为了克服控制系统中摩擦等随机扰动的影响，研究了扰动信号模型，给出其随机游走的状态空间模型，设计了有限拍扰动观测器和状态反馈加积分控制两种扰动补偿方案对扰动进行了补偿。通过对这两种方案的对比，证明了二者的等价性。仿真结果表明了这两种方案均能够实现一拍补偿。如果使二者的特征方程也相等，则这两个等价系统的扰动响应也完全相同，但从实际控制系统考虑，由于控制输入信号受限，用扰动观测器进行扰动补偿的效果更佳。以球一杆控制系统为例，给出了以上两种方案的设计过程，并进行了实验验证。     

500kV四回路输电塔气弹模型风洞试验研究

针对标高82.7 m的500 kV四回路常规直线塔风荷载设计是关键的问题,提出采用离散刚度法制作输电塔气动弹性模型,为此,对不同风速下的风洞试验及其直线塔风致响应特性进行了试验和研究。研究结果表明:输电塔的加速度响应和动位移响应随风速、高度增大呈单调增大趋势;横风向加速度响应和顺风向加速度响应比较接近,可见输电塔在风荷载作用下,横向风振效应不能忽略,这对复核设计风荷载取值非常重要。     

基于混合储能的光储直流微网改进型滑模自抗扰控制

针对光储直流微网混合储能系统在光伏输出波动、负荷波动等大扰动下导致的母线电压稳定性差和系统响应速度慢等问题，提出一种兼顾母线电压稳定和响应速度的改进型滑模自抗扰控制策略。首先，针对一级观测器扰动估计能力有限问题，引入第二级观测器进行观测补偿，并将级联观测器对总扰动的估计值反馈到控制器进行消除。其次，针对原有的非线性控制器响应速度慢、鲁棒性差等问题，设计非奇异快速终端滑模控制进行优化，利用混合储能单元特性，分别补偿高低频分量，来提高系统的响应速度；并根据巴尔巴辛定理以及李雅普诺夫准则证明了所设计控制器的稳定性。最后，基于Matlab仿真平台与其他控制策略进行仿真对比，仿真结果验证了所提策略的有效性。     

电动汽车调速系统加速度变结构鲁棒控制

针对电动汽车调速系统负载转矩的未知时变特性,设计了一种扰动观测器对负载转矩扰动进行观测及补偿。在此基础上,设计了滑模变结构控制器对预定的速度及加速度曲线进行跟踪控制,并利用其对扰动不敏感特性来抑制各种干扰的影响,以提高系统的鲁棒性和控制性能。仿真试验表明,所设计的控制器具有较高的速度、加速度跟踪精度和较好的动态性能,且对负载变化、参数摄动等内外扰动的鲁棒性较好,满足电动汽车调速系统的控制要求。     

构网型变流器并网系统在强弱电网下的分岔分析

构网型变流器并网系统在强弱电网下均存在稳定性问题，但这2类稳定性问题之间的联系并不清晰。为此，基于分岔理论揭示了这2类稳定性问题之间的非线性动力学关系和过渡过程的物理图像。首先根据所建模型，对这2类稳定性问题的动力学响应进行分岔分析，得出系统在弱电网下会发生鞍结点分岔，在强电网下会依次发生霍普夫分岔、倍周期分岔并通向混沌。其次基于时间尺度理论进行模型降阶，然后通过小扰动和大扰动分析确定端电压控制是导致强弱电网下系统动力学行为差异的关键因素。之后运用复转矩法进一步揭示了端电压控制会导致系统在强弱电网下分别因阻尼转矩不足和同步转矩不足而失稳。最后通过多机仿真证实了多机系统也存在类似的强电网失稳问题。     

伺服系统瞬时转速观测与扰动补偿

研究了一种基于扰动观测器的瞬时转速观测方法。该方案较准确地估计电动机瞬时转速，有效地解决了伺服系统低速运行时检测时间滞后较大的问题，明显地改善了转速控制响应特性，并且通过采用补偿控制，提高了转速的抗扰动性能，仿真结果表明了该方案的可实现性和有效性。     

基于子空间法的电网暂态频率扰动惯量估计

针对暂态频率扰动下传统惯量估计方法受扰动发生时刻和惯性响应持续时间判断敏感而导致估计误差偏大的问题,文章提出基于子空间法的电网惯量估计思想。通过分析暂态频率扰动发生前、惯性响应及一次调频响应各阶段的电网频率响应模型的冲激响应特征,获得各阶段的电网惯量统一性表达,并将各阶段电网频率响应模型作为相同待估计系统,应用子空间法进行系统模型参数辨识,最终估计出电网惯量。通过算例分析验证了文章方法对电网惯量估计的有效性及精确性。     

频响分析在轴承支承系统故障诊断中的应用

火电厂汽轮发电机组轴系支承系统振动是机组启动和运行中必须监测的项目之一。该文通过轴承座受迫振动关系式分析了引起轴承座振幅过大的因素是外界扰动力及其本身的刚度。介绍了频响分析法即是采用敲击法对系统施加激励力，测取系统的加速度响应，通过求取系统的频响函数求结构的动柔度，动刚度的方法。该法具有省时，简便，激振频带宽的优点。该文还介绍了为保证分析结果的准确性所必须采用的分析方法，同时介绍了１５０电厂１号机     

采用鲁棒微分器的永磁直线同步电机二阶滑模控制

针对永磁直线同步电机伺服系统容易受到参数变化、端部效应和负载扰动等不确定性因素影响的问题，采用二阶滑模控制中的螺旋算法设计直线伺服系统的速度和电流控制器。在出现参数变化和阻力扰动时，为保证动子速度严格跟踪其参考信号，同时消除磁阻作用和推力波动的影响，分别独立选取速度和直轴电流的滑模量，并利用基于二阶滑模的鲁棒速度微分器来估计螺旋算法所需要的加速度信号。仿真结果表明该策略对负载和参数的变化具有很强的鲁棒性，同时有效地削弱了抖振现象。     

变压器直流偏磁下异常电流表征振动特性研究

针对变压器遭受到直流扰动时的铁心振动问题,建立单相双绕组变压器与三相三柱式Yd变压器的直流扰动振动模型。基于电磁耦合原理辨识绕组电流;构建振动谐响应模型研究振动特性,对不同直流扰动时的变压器电磁特性进行仿真计算;分析在直流影响下绕组异常电流和铁心振动加速度的变化特性,并总结其规律。搭建变压器交直流混杂动模实验平台,分别对绕组电流和铁心振动信号进行辨识和采集,并与仿真结果进行对比,证明了该文方法的正确性和有效性。     

雷达伺服系统的高跟踪精度改进型自抗扰控制器

针对机载雷达伺服系统跟踪机动目标时,载机平台扰动和目标加速度影响跟踪精度的问题,提出对机动目标具有更高跟踪精度的改进型自抗扰控制(I-ADRC)方法。考虑到载机平台扰动因素较多,包含载机机械振动/冲击、外部气流、环境温度及载机姿态变化等,采用系统模型补偿的方法,降低扩张观测器的观测负担,从而解决传统自抗扰控制器中扩张状态观测器(ESO)由于扰动量大引起的观测精度下降问题。此外,采用加速度前馈补偿的方式,消除机动目标加速度引起的系统建模误差。实验结果表明:与传统的PI控制相比,采用改进型自抗扰控制方法的雷达伺服系统跟踪精度高、抗干扰性能好,当目标存在加速度时,也能快速高精度跟踪目标位置。     

基于双Luenberger观测器的永磁同步电机预测控制研究

在工业环境中,永磁同步电机存在启动困难、抗干扰能力差、动态响应慢的缺陷。而传统单Luenberger观测器很难同时兼顾电流扰动或转速响应,针对这一问题,发挥Luenberger观测器对精度和稳定性的改善作用,提出双Luenberger观测器与预测控制结合的控制策略。首先基于单步模型预测控制和矢量控制策略构成了永磁同步电机控制系统,再根据负载扰动影响和数学模型,构造速度环上基于负载、转速的Luenberger观测器观测作为扰动估测和速度调节,然后进一步建立电流环上的观测器并引入预测控制系统进行电流预测的优化。最后在MATLAB仿真上搭建模型进行测试,结果表明使用该控制策略能够提高抗扰动能力,改善动态响应并得到更准确的扰动观测。     

电力系统动态频率响应时空分布特征量化描述

由于网络在地理上分布不均匀、机组及其控制器参数差异,以及不同区域负荷特性不同,大型互联电力系统的动态频率响应时空分布特征显著。讨论了动态频率响应时空分布特征及研究方法;为便于讨论,定义了观测空间、响应时间以及响应线性区间。提出基于观测空间的频率响应时空分布特征量化描述方法：通过计算扰动后各观测点处频率线性变化区间内的平均变化率、对扰动的响应延时、频率偏移最大量及延时、过渡过程中主导振荡模式的阻尼比来描述系统动态频率响应时空分布特征。基于上述方法,可得到频率响应时空分布特征矩阵,从而可较好地通过微观变量来量化描述系统的宏观动态行为。讨论时空特征矩阵的潜在应用领域,并给出以观测点的响应延时估计扰动位置的示例。以华北互联电网为例进行了仿真计算,验证了所提出方法的有效性。     

提高永磁电机性能的新途径——辅助磁极的研究

本文研究三种带有特殊辅助磁极的永磁电动机，以获得高的起动转矩，提供快速响应所需的高的转矩／惯量比以及在高加速度和过载条件下获得良好的换向。通过有限元素法来确定永磁电机的气隙磁通密度的分布。     

电动伺服机构扰动补偿与神经网络模糊控制

针对电动伺服机构的模糊控制与扰动补偿问题进行研究，首先依据动力学理论建立电动伺服机构系统模型并利用Simulink软件搭建仿真模型。然后充分分析了系统所受到的摩擦力矩、齿槽力矩、时滞等非线性扰动，设计前馈控制器进行补偿。其次为了进一步改善系统的控制性能，在位置环PID控制器基础上引入模糊控制来动态调整PID控制参数。最后利用BP神经网络实现对量化因子和比例因子的实时整定，改善由于模糊规则及模糊输出论域的不对称性导致在正负行程上效果不一致的问题。从动态响应能力、跟随性能、抗干扰能力、频域响应等方面分别对传统PID控制器、模糊PID控制器和模糊BP网络PID控制器的控制性能进行仿真对比分析，结果表明模糊BP神经网络PID控制器提高了系统响应速度，改善了系统控制品质，可以为航天电动伺服机构结构和控制器设计提供借鉴。     

基于相对增益矩阵的惯量响应空间耦合特征分析

随着风电、光伏等新能源占比的不断提高,电力系统的惯性逐步降低,受扰动后惯量响应引起的频率变化率增大,给频率安全稳定带来了威胁。受电网拓扑结构的影响,惯量响应的频率变化情况与功率扰动位置之间存在空间上的耦合特征。针对惯量响应在空间上的差异性,通过计算多机系统惯量响应模型的相对增益矩阵,量化了发电机惯量响应与有功功率扰动之间在空间上的耦合关系。仿真结果表明,相对增益能直观地表征不同位置和类型的功率扰动对发电机惯量响应的影响,对功率事故下低惯量系统的频率安全稳定分析与控制具有重要意义。     

基于相对增益矩阵的惯量响应空间耦合特征分析

随着风电、光伏等新能源占比的不断提高,电力系统的惯性逐步降低,受扰动后惯量响应引起的频率变化率增大,给频率安全稳定带来了威胁。受电网拓扑结构的影响,惯量响应的频率变化情况与功率扰动位置之间存在空间上的耦合特征。针对惯量响应在空间上的差异性,通过计算多机系统惯量响应模型的相对增益矩阵,量化了发电机惯量响应与有功功率扰动之间在空间上的耦合关系。仿真结果表明,相对增益能直观地表征不同位置和类型的功率扰动对发电机惯量响应的影响,对功率事故下低惯量系统的频率安全稳定分析与控制具有重要意义。     

伺服系统变增益速度控制策略研究

固有周期性负载扰动的存在,会影响伺服系统速度控制性能,针对这一问题设计研究了一种变增益速度控制策略,用以改善系统的抗扰动特性;同时针对物理限幅对PI控制器所产生的饱和问题,采用积分预测的算法进行抗饱和处理。实验结果表明,所设计研究的控制方法简单、易行,系统不仅具有较强的抗扰动特性,同时具有较好的动态响应性能。     

参考跟踪和扰动抑制解耦的双三相永磁同步电机容错控制策略

双三相永磁同步电机发生断相故障时，转速及电流中将会出现明显的周期性扰动。为了解决这一问题，该文提出了一种容错控制器，该控制器包含基于主控制器的参考值跟踪环路和基于重复控制器的周期性扰动抑制环路。所提出的容错控制器不仅可以实现对周期性扰动的闭环抑制，有效降低断相故障后系统中的转速脉动和谐波电流，还能够实现系统参考值追踪与周期性扰动抑制之间的解耦，避免重复控制器对暂态性能的影响。将所提出的控制器分别应用于驱动系统的转速环和电流环中，实验结果表明，与传统策略相比，该容错控制策略不仅能够有效抑制周期性扰动，还拥有更快更平稳的暂态跟踪响应。