分数阶系统的分数阶PID控制器设计

对于一些复杂的实际系统,用分数阶微积分方程建模要比整数阶模型更简洁准确.分数阶微积分也为描述动态过程提供了一个很好的工具.对于分数阶模型需要提出相应的分数阶控制器来提高控制效果.本文针对分数阶受控对象,提出了一种分数阶PID控制器的设计方法.并用具体实例演示了对于分数阶系统模型,采用分数阶控制器比采用古典的PID控制器取得更好的效果.     

分数阶控制系统

随着基于分数阶次的数学理论日益完善,分数阶控制系统也越来越广泛地被研究和讨论。为了完善分数阶控制系统的理论体系,给出了分数阶系统的总体综述。介绍了分数微积分的定义,给出了分数阶线性定常系统的传递函数和状态空间描述,简要介绍了分数阶控制系统的复频域分析和分数阶控制器及控制器的设计方法,并分析了几种设计方法的优缺点。分数系统的研究必然能找到合适的切入点广泛地进入现代控制领域,为真正实现工业控制自动化提供强有力的理论依据。     

分数阶微积分在数字水印中的应用研究

提出并实现了基于分数阶微积分运算的数字水印系统模型。将分数阶微积分运算阶次v作为水印嵌入与提取的密钥,嵌入的水印能够获得好的不可感知性。在信息提取端,如果不知道确切的分数阶微积分运算阶次,将无法完成水印信息的提取,从而保证了发送者与合法接收者之间通信的有效保密性。利用Matlab进行计算机仿真实验证实了基于分数阶微积分运算的数字水印系统的有效性与可行性。     

具有一般化结构的分数阶超前校正器

根据分数阶系统扩展频域分析法对分数阶相位超前校正器进行建模,这一结构能使该校正器与传统整数阶校正器一样为原系统提供一个零点和一个极点,具有任意阶次超前校正器的统一化形式.给出扩展频域超前校正器的解析法设计步骤,并和一般频率域下不同结构的分数阶超前校正器的适用性作了分析比较和性能仿真.     

分数阶控制系统的仿真方法

该文对分数阶控制系统提出了一种数值仿真方法。该方法根据Riemann—Liouville定义的分数阶积分和微分,利用δ函数的过滤性质,得到分数阶积分和分数阶微分的近似计算,推导出了相应的分数阶微分方程的数值求解方法,从而得到了分数阶控制系统的一种仿真算法。利用“短记忆法则”对此仿真方法进行改进,可以减少计算量、提高运行速度。文中给出了一些仿真例子,仿真研究结果表明该方法是有效的,它可适用与不同的分数阶系统。对于分数阶控制系统的仿真研究具有一定的实际意义。     

变阶分数阶微分方程的数值解法综述

近年来,分数阶微积分作为一种工具已经被广泛应用于工程中的各个领域.较常阶分数阶微积分算子而言,变阶分数阶微积分算子能够更加准确地描述复杂系统的物理特性,变阶分数阶微积分建模作为一个强大的数学工具,为工程建模提供了便利.在前人优秀研究成果的基础上,结合近几年的国内外相关学者的研究成果对变分数阶微积分方程的研究作全面的综述.以变阶分数阶微分方程、变阶时间分数阶对流-扩散方程、变阶分数阶反应-扩散方程、变阶分数阶积分-微分方程和时滞变阶分数阶微分方程为主要研究对象,从变分数阶微积分算子的相关定义、模型、数值解及在工程中的相关应用等几个方面进行介绍.研究发现,近年来的算法多集中在多项式算法的基础上,通过构建不同的运算矩阵来实现变阶微分方程到代数方程组的转换.该综述可为相关领域的研究学者提供参考.     

分数阶控制研究综述

作为控制科学与工程中一个新的研究领域,分数阶控制的研究愈来愈被关注.简要介绍了分数阶控制的数学背景和基本知识,对分数阶控制理论及应用(分数阶系统模型、系统分析、分数阶控制器、非线性分数阶系统、系统辨识)的研究作了总结、评述和展望.     

一种基于分数阶微积分的分数阶伪随机数字水印新算法

本文研究和实现了一种基于分数阶微积分的分数阶伪随机数字水印算法.首先,提出并论述用正弦型信号的分数阶微分的采样差构造分数阶微分伪随机数字序列,该分数阶微分伪随机数字序列对分数阶微分阶次和正弦型信号相位的初始值敏感,当分数阶微分阶次和正弦型信号的初始相位未知时,无法恢复出该伪随机数字序列.其次,在此基础上,提出并论述一种基于分数阶微分的分数阶伪随机数字水印算法,其算法的保密性取决于分数阶微分阶次和正弦型信号的初始相位的不可知性.最后,仿真实验表明本分数阶微积分水印算法的不可感知性和顽健性好.     

分数阶控制器的数字实现及其特性

针对分数阶控制器数值计算和应用难的问题,研究了分数阶控制器的数字实现方法和控制特性．取Grunwald-Letnikov定义有限项,并直接离散化,得到有限记忆数字实现法;利用Tustin算子生成函数把分数阶微分由复频域变换到Z域,然后用连分式展开式CFE(continued fraction expansion)近似展开,可得到Tustin CFE数字实现法．两种方法的频域对比分析表明Tustin CFE法优于有限记忆法．采用设计的分数阶控制器的数字实现方法,对分数阶控制器和传统PID控制器的控制性能进行了对比实验分析．研究结果表明:分数阶控制器对非线性具有较强的控制能力．     

分数阶混沌系统的电路仿真与实现

为了研究分数阶混沌系统的特性及其应用,根据分数阶微积分算子的定义,研究了分数阶混沌系统的电路仿真与设计方法.方法通过设计分数阶积分算子的等效电路模块,构建分数阶混沌系统的电路系统,实现了分数阶混沌系统的仿真与特性分析.电路仿真可直观地观察系统变量的演化规律,并利用仿真输出结果分析分数阶混沌系统的动力学特性.在EWB仿真平台上对分数阶非耗散Lorenz混沌系统的仿真及其电路实现研究表明了分数阶混沌系统电路仿真方法的有效性和电路实现的可行性.     

基于分数阶滑模控制的无人机轨迹跟踪控制器设计

四旋翼无人机在农业、工业和国防等领域广泛应用,但其复杂的系统特性和对扰动的敏感性使得控制变得困难。首先,考虑分数阶方法具有良好的鲁棒性以及调节灵活性的优点,将整数阶积分滑模面和改进的分数阶指数趋近律相结合,设计出了一种新的分数阶积分滑模控制器。然后,将所设计的分数阶积分滑模控制器应用于四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题。仿真结果表明,所提控制器作用下的四旋翼无人机进行轨迹跟踪时响应速度快、无超调,且对外界干扰具有较强的鲁棒性。     

基于分数阶微积分的噪声检测和图像去噪

目的 提出一种利用分数阶微分梯度检测图像中的噪声点,并用于改进基于分数阶积分的图像去噪算法性能的算法。方法 该算法首先使用不同方向的分数阶微分梯度模板与含噪声图像进行卷积,计算出图像在不同方向上的分数阶微分梯度,依据预先设定的阈值获得不同方向的分数阶微分梯度检测图,将在所有选定方向上梯度都发生跳变的像素点判定为噪声点;然后只对被检测出的噪声点,在8个方向上进行分数阶积分运算完成去噪处理。结果 通过在人工图像中分别添加高斯噪声和椒盐噪声以及在自然图像中分别添加高斯噪声和椒盐噪声的去噪对比实验得出相同结论,即只对图像中检测出的噪声点使用分数阶积分运算进行去噪有更好的去噪性能,获得了更好的视觉效果和更高的峰值信噪比。结论 实验结果表明,基于分数阶微分梯度的噪声检测算法对解决图像去噪和保留图像纹理细节之间的矛盾有所帮助。随着对基于分数阶微分梯度噪声检测方法研究的深入,对图像中噪声检测的准确度会进一步提高,这将提供一种用于改进目前去噪算法性能的研究方向。     

基于R-L分数阶微分梯度算子的边沿检测

在处理数字图像中处理中,为了提取更加细微的边缘信息,克服经典梯度算法的不足,根据R-L分数阶微积分的定义和边缘检测的基本原理,推导出一维离散分数阶微分梯度算子,并且推广到二维,提出了一种基于R-L分数阶微分的新算子模板,并在实验中得以实现.实验结果表明,这种算子更能提取细节信息,使得边缘更加突出,与经典1阶和2阶的边缘检测算子相比,在处理以低频信号为主的图像时有一定的效果提升,而在处理以高频信号为主的图像时有较大的效果提升.     

分数阶微积分在数字水印中的应用研究

提出并实现了基于分数阶微积分运算的数字水印系统模型.将分数阶微积分运算阶次v作为水印嵌入与提取的密钥,嵌入的水印能够获得好的不可感知性.在信息提取端,如果不知道确切的分数阶微积分运算阶次,将无法完成水印信息的提取,从而保证了发送者与合法接收者之间通信的有效保密性.利用Matklb进行计算机仿真实验证实了基于分数阶微积分运算的数字水印系统的有效性与可行性.     

广义分数阶混沌系统的动力学行为

利用最近提出的广义分数阶微积分算子,研究了一类新的带Caputo型导数的广义分数阶混沌系统.讨论了混沌性质对导数阶数与系统参数的依赖性,利用有限差分法对广义分数阶混沌系统进行数值模拟,结果显示广义分数阶系统不仅蕴含经典混沌系统的结果,还展现出其他的动力学行为.由于广义分数阶混沌系统统一了多个不同的系统,未来该领域有望获得更进一步的研究.     

广义分数阶受迫Birkhoff方程

研究受迫Birkhoff系统的分数阶变分问题,建立具有这两种分数阶微分算子的广义分数阶受迫Birkhoff方程.〖JP〗然后,给出具有这两种分数阶微分算子的分数阶Hamilton方程和分数阶Lagrange方程.最后,讨论广义分数阶Lotka 生化振子模型和广义分数阶Hojman Urrutia模型.     

分数阶鲁棒自适应控制

研究了分数阶模型参考自适应控制系统.引入了分数阶微积分的概念,利用系统的输入输出,通过构造辅助信号设计了分数阶的自适应控制器和一类新的有界干扰系统的变结构分数阶鲁棒自适应控制器.基于分数阶微积分和Lyapunov稳定性理论,证明了所设计的闭环系统的稳定性.最后,仿真实验验证了此方法的有效性.     

运用MATLAB进行控制系统串联校正装置的设计

以串联超前网络校正装置为应用对象,借MATLAB软件设计了此校正装置,与通常的整定方法比较,其优点是非常直观,可以随意修改参数,节省了大量的计算和编程工作量.通过仿真实例验证了该方法的有效性.     

网络控制系统分数阶PI~λD~μ控制器研究

针对带延时的分数阶的网络控制系统,采用分数阶的P I D控制器对系统进行仿真,并与不存在网络时延的系统进行对比。仿真结果表明,网络时延使系统敏感性增加,但分数阶控制器本身的鲁棒性,仍可保证系统具有良好的控制效果。