基于随机混合自动机的混合系统故障诊断方法

使用随机混合自动机对可能出现某种突变故障的混合系统建模,将其状态监测与故障诊断结合起来,并使用粒子滤波算法估计混合系统的运行模式和连续状态,实现了混合系统的状态监测与故障诊断.文中给出所使用的模型描述与分析方法,混合估计算法的设计方法.经仿真结果证明所提出的方法是适用于混合系统的状态监测与诊断.     

基于等价输入干扰补偿的直流电机定位控制

针对直流电机的高精度定位控制问题,引入等价输入干扰的设计思想设计控制器,该设计方法通过推测一个等价输入干扰,以消除各种扰动对系统输出产生的影响,实现对给定位置指令的高精度定位跟踪.在基于等价输入干扰补偿的控制系统中,采用分离定理将系统分成状态反馈子系统和由状态观测器与低通滤波器构成的子系统两部分进行单独设计,其中的状态观测器与低通滤波器子系统应用了完全调节方法进行设计,仿真和实验结果表明这种方法对于抑制干扰、实现高精度定位的有效性.     

基于极小化条件数的电液伺服控制系统观测器设计

设计良好的状态观测器是电液伺服控制系统故障诊断研究的关键。本文提出一种电液伺服控制系统观测器设计的新方法。针对所构建的位置伺服系统,建立系统的离散非线性模型,绘制系统的离散观测器结构,推导极小化条件数梯度下降法的算法流程并运用该算法优化计算观测器的增益矩阵和Lipschitz常数,为系统设计一个Lipschitz非线性离散观测器。将该观测器与现有的电液伺服控制系统观测器进行比较,发现本文所采用的方法具有计算简单、设计优良等特点。     

基于干扰观测器的弹丸协调臂Terminal滑模控制

为了解决某火炮弹丸协调臂电液伺服系统位置控制精度问题和鲁棒性问题,提出了一种基于扰动观测器的弹丸协调臂Terminal滑模控制策略。推导出弹丸协调臂电液伺服系统的动力学方程,将系统的参数不确定性以及外界扰动处理为干扰项。采用指数趋近的干扰观测器进行在线观测并在控制律中进行补偿,提高了系统的鲁棒性。同时为了克服传统滑模控制在线性滑模面条件下状态渐进收敛导致无法在有限时间内到达平衡状态的特点,设计了一种全局快速Terminal滑动模态,使系统在有限时间内到达滑模面,系统状态在有限时间内迅速收敛到平衡状态,最后利用Lyapunov证明全局稳定性。仿真结果证明,该控制策略能对电液伺服系统不确定性和干扰具有很好的鲁棒性,且能明显提高弹丸协调臂动态精度与稳态精度。     

多智能体系统在有限时间内的协同输出跟踪

研究了有限时间内多智能体系统的输出追踪问题。为了使智能体能够在有限时间内快速跟踪并收敛到外部系统,设计了一种基于有限时间状态观测器的新型分布式输出反馈控制策略。该分布式有限时间观测器不仅可以在智能体无法获得外部系统信号的情况下解决协同输出跟踪问题,而且可以使系统获得较快的收敛性和良好的鲁棒性。最后,基于Lyapunov函数证明了该系统在有限时间内的稳定性且提供了数值仿真实验,证明了该算法和协议的有效性。     

基于干扰观测器的液压位置伺服系统级联控制

级联控制策略被应用于液压伺服系统位置控制,以提高系统输出响应性能。为了抑制液压伺服系统中各种不确定的非线性因素和外部干扰,提出了基于干扰观测器的终端滑模控制与非线性补偿相结合的级联控制策略,利用Lyapunov稳定性理论证明了位置闭环系统在有限时间内收敛。与渐近收敛控制器不同,级联控制器保证了系统状态误差和观测器估计误差在有限的时间收敛到0。利用MATLAB/Simulink对设计的控制器进行了仿真验证,结果验证了提出的控制器的理论可行性。为了模拟外界未知干扰,在液压伺服系统基础上加入阻尼可调减震器,以此开展实验研究。结果表明：提出的控制器有效抑制未知干扰影响,且提高了液压伺服系统的跟踪精度。     

基于状态观测器的球形机器人状态反馈控制系统设计

基于能量耗散形式下的拉格朗日方程,建立了基于状态观测器的球形机器人的动力学方程,得出这是一个非线性的仿射系统。根据机器人的实际运动情况和理论仿真曲线对方程进行了线性化处理和仿射变换,在新建立的平衡点处应用线性理论进行控制系统的设计。考虑到某些状态变量的不可测量性,构建了状态观测器对系统的全维状态进行实时观测,在此基础上设计了系统的状态反馈控制器。仿真结果表明了所设计控制器的有效性。     

柔性关节空间机械臂基于观测器的动态面控制

讨论了存在外部干扰、建模误差及载体姿态和位置均不受控的漂浮基柔性关节空间机械臂系统轨迹跟踪及振动主动抑制的问题。结合拉格朗日第二类方程、动量守恒和动量矩守恒定理对系统进行动力学分析。采用奇异摄动理论将系统分为独立时间尺度的快变子系统和慢变子系统。对于快变子系统,采用速度差值反馈来主动抑振。对于慢变子系统,设计了一种基于状态观测器的动态面控制方法,并用RBF神经网络实现执行器饱和的补偿。应用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性,分析了观测误差和系统跟踪误差的有界性和收敛性。仿真结果表明,所提出的方法能够有效克服执行器饱和特性,并具有良好的跟踪性能。     

基于有限时间收敛观测器的汽车质心侧偏角估计

汽车质心侧偏角观测器的设计往往需要较为复杂的模型并处理较多的模型参数,这影响了系统的实时性和易实施性。为此,以不确定2自由度汽车模型为基础设计了有限时间收敛的观测器,根据在此时间段内的收敛状态判断模型参数是否需要调整,同时还设计了相对简单的模型参数调整方案,以实现简单而有效的汽车质心侧偏角估计。通过CarSim高精度汽车动力学软件的实验表明该方案可行。     

复合滑模控制在精密PMLSM激光切割运动平台的应用

针对永磁直线同步电机激光切割运动平台的位置伺服控制低抖振、高精度、强鲁棒的要求,在传统双幂次滑模趋近律的基础上,提出一种变边界层的双幂次滑模趋近律带滑模扰动观测器的复合趋近律滑摸控制方法。变边界层方法是对控制系统的控制精度要求和降低抖振的权衡,而所提出的方法又继承了传统双幂次滑模趋近律方法的有限时间收敛特性。为了降低控制系统设计的保守性,设计了一种基于超螺旋算法的滑模扰动观测器对系统的未知扰动进行估计,并在此算法中添加一个幂指数,通过仿真实验证明了提高幂指数的数值可加快未知扰动的估计值的收敛速度。结合Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统的稳定性。最后,搭建了用于激光切割的永磁直线同步电机平移试验台对所提出的控制器进行测试。实验结果表明:本文所提出的控制器的位置跟踪误差不超过1μm,且误差波动较小,能够满足伺服控制系统的要求。     

New hybrid sensorless speed of a non-salient pole PMSG coupled to wind turbine using a modified switching algorithm

The paper focuses on the design of position and speed observers for the rotor of a non-salient pole permanent magnet synchronous generator (NSPPMSG) coupled to a wind turbine. With the random nature of wind speed this observer is required to provide a position and speed estimates over a wide speed range. The proposed hybrid structure combines two observers and a switching algorithm to select the appropriate observer based on a modified weighting coefficients method. The first observer is a higher-order sliding mode observer (HOSMO) based on modified super twisting algorithm (STA) with correction term and operates in the medium and nominal wind speed ranges. The second observer is used in the low speed range and is based on the rotor flux estimation and the control by injecting a direct reference current different to zero. The stability of each observer has been successfully assessed using an appropriate Lyapunov function. The simulation results obtained show the effectiveness and performance of the proposed observer and control scheme.     

基于阻抗辨识和混杂控制的机器人辅助抗阻训练方法

现有机器人辅助抗阻训练方法大多是运用易受噪声干扰的患肢主动作用力或表面肌电信号直接进行治疗控制器设计,且在设计过程中未能同时将机器人连续变量运动控制与医师离散事件决策控制这种混杂特性融于统一框架内,具有一定的局限。针对上述问题,提出一种基于阻抗辨识和混杂控制的机器人辅助抗阻训练方法,该方法首先根据患肢主动作用力和实际运动位置在线辨识患肢时变生物阻抗;其次,运用混杂控制理论建立机器人辅助抗阻过程系统模型,根据患肢生物阻抗变化分别定义连续系统区域切换离散事件及离散系统控制状态,并基于混杂自动机设计离散事件决策控制器;最后,选用美国Barrett公司WAMTM柔顺机械臂构建康复试验系统,对所设计控制器进行有效性验证。试验结果验证了阻抗辨识和混杂控制理论应用于机器人辅助抗阻训练过程的有效性和实用性。     

An adaptive algorithm applied to a design of robust observer

Primary goal of adaptive observers would be to estimate the true states of a plant. Identification of unknown parameters is of secondary interest and is achieved frequently with the persistent excitation condition of some regressors. Nevertheless, two problems are linked to each other in the classical approaches to adaptive observers; as a result, we get a good state estimate once after a good parameter estimate is obtained. This paper focuses on the state estimation without parameter identification so that the state is estimated regardless of persistent excitation. In this direction of research, Besancon (2000) recently summarized that most of adaptive observers in the literature share one common canonical form, in which unknown parameters do not affect the unmeasured states. We enlarge the class of linear systems from the canonical form of (Besancon. 2000) by proposing an adaptive observer (with additional dynamics) that allows unknown parameters to affect those unmeasured states. A recursive algorithm is presented to design the proposed dynamic observer systematically. An example confirms the design procedure with a simulation result.     

Functional observer design using linear matrix inequalities

It is shown that the problem of observer design for estimating a set of linear combinations of state variables of a plant can be formulated in terms of linear matrix inequalities. An algorithm for constructing functional observers is proposed based on a nonsingular transformation of a plant model in the state space by matrix canonization with subsequent solution of the system of linear matrix inequalities.     

Buck 变换器导通模式转换滑模 PI 混合控制策略

为了满足Buck变换器由待机或轻载向较大负载状态快速转换的需求,基于对传统平均电流控制Buck变换器的动态性能分析,提出了一种改进的适用于断续导通模式/连续导通模式过程的滑模PI混合控制策略。该策略电压外环依据系统状态和导通模式分别采用PI控制器和滑模控制器,其中稳态工况应用PI控制器,负载增大动态工况根据导通模式转换为滑模控制器,并通过统一校正的平均电感电流实现导通模式的准确判断。该混合控制策略可以有效结合PI控制与滑模控制各自的稳态与动态性能优势。仿真和实验结果表明,相比于传统平均电流控制,本策略动态响应时间缩短约65%,电压跌落减小35%以上。     

串联式混合动力车恒流发电控制方法的研究

对一辆串联式混合动力中巴车的辅助动力单元充电策略进行了研究,在动力系统简化模型的基础上,分析了辅助动力控制单元电流控制的工作原理.为提高其混合动力模式时对蓄电池充电的效率,提出了辅助动力单元恒流发电控制方法.在ADVISOR2002原控制策略模块的基础上,建立该控制算法模型,并进行了整车仿真.仿真结果表明,当采用65A恒流发电时,充电时间及燃油消耗均比恒温器控制策略有明显的下降,能够满足实际需要,为下一步实车实验奠定了基础.     

带有迟滞非线性的气动运动模拟平台自抗扰轨迹跟踪控制

针对带有迟滞非线性的气动运动模拟平台的轨迹跟踪提出了带有切换扩张状态观测器的自抗扰控制方法。气动运动模拟平台的迟滞非线性特性主要指气动人工肌肉在正向充气反向放气时长度和拉力曲线的差异。针对此特性设计了切换扩张状态观测器来估计和补偿模型非线性,分别对于气动人工肌肉正反向充放气的不同模型采用不同的观测器增益,以提高状态估计效果,减小跟踪误差。进一步,设计了状态误差反馈控制器,得到了基于切换扩张状态观测器的二阶非线性动态系统全局有界稳定的充分条件。最后实验结果证实了所设计的切换扩张状态观测器的实际效果。     

Adaptive super-twisting observer for fault reconstruction in electro-hydraulic systems

An adaptive-gain super-twisting sliding mode observer is proposed for fault reconstruction in electro-hydraulic servo systems (EHSS) receiving bounded perturbations with unknown bounds. The objective is to address challenging problems in classic sliding mode observers: chattering effect, conservatism of observer gains, strong condition on the distribution of faults and uncertainties. In this paper, the proposed super-twisting sliding mode observer relaxes the condition on the distribution of uncertainties and faults, and the gain adaptation law leads to eliminate observer gain overestimation and attenuate chattering effects. After using the equivalent output-error-injection feature of sliding mode techniques, a fault reconstruction strategy is proposed. The experimental results are presented, confirming the effectiveness of the proposed adaptive super-twisting observer for precise fault reconstruction in electro-hydraulic servo systems.     

Analytical synthesis of invariant reduced-order state observers

An algorithm for the analytical synthesis of reduced-order observers for dynamic systems with an output matrix of arbitrary form is proposed, and invariance conditions for the constructed observer with respect to external disturbances are formulated. Solvability conditions for the synthesis problem are obtained in the form of a system of linear matrix equations. The proposed algorithm is based on a nondegenerate transformation of the state vector using the matrix canonization technique and methods for solving linear matrix equations of arbitrary dimension.     

Dominant root locus in state estimator design for material flow processes: A case study of hot strip rolling

The purpose of the paper is to achieve a constrained estimation of process state variables using the anisochronic state observer tuned by the dominant root locus technique. The anisochronic state observer is based on the state-space time delay model of the process. Moreover the process model is identified not only as delayed but also as non-linear. This model is developed to describe a material flow process. The root locus technique combined with the magnitude optimum method is utilized to investigate the estimation process. Resulting dominant roots location serves as a measure of estimation process performance. The higher the dominant (natural) frequency in the leftmost position of the complex plane the more enhanced performance with good robustness is achieved. Also the model based observer control methodology for material flow processes is provided by means of the separation principle. For demonstration purposes, the computer-based anisochronic state observer is applied to the strip temperatures estimation in the hot strip finishing mill composed of seven stands. This application was the original motivation to the presented research.