磁浮列车的非线性控制问题研究

建立了磁浮列车悬浮系统模型, 针对模型的非线性问题, 利用反馈线性化技术, 将系统的输入-状态线性化, 设计出一个P控制器和一个非线性补偿器, 得到了良好的仿真结果. 在此基础上, 进行了数字控制实验, 比较了仿真和实验结果. 实验表明反馈线性化技术可以解决磁浮列车非线性模型的控制问题.     

EMS型磁悬浮列车模块悬浮系统的模型参考自适应控制

模块是EMS型磁悬浮列车的基本功能单元,常用的悬浮控制方法是将其两端等效为两个完全独立的对象分别设计控制器。实际上模块两端的运动状态是互相耦合的,独立设计的控制器很难解决彼此之间的状态耦合。本文针对这种耦合情况,将模块视为一个刚体对象,采用反馈线性化方法实现模块运动的电气解耦,并针对模型的不确定性设计了模块悬浮系统的模型参考自适应控制器。仿真结果表明,该自适应控制器有效地解决耦合问题,提高悬浮系统的性能。     

基于遗传算法的磁浮列车悬浮控制参数优化

悬浮系统本质上是不稳定的,要通过设计控制器使得闭环系统稳定。对单铁悬浮控制模型,采用基于磁通反馈的间隙PID控制算法,通过合理选取控制参数可以达到良好的控制效果。为使悬浮控制器具有良好的跟踪特性同时保证磁浮列车的乘坐舒适性,需要限定悬浮系统闭环带宽。应用遗传算法进行控制参数优化设计,对基于ITAE的适应度函数进行改进,对不满足闭环系统带宽要求的个体进行惩罚,设计基于遗传算法的悬浮控制控制参数优化算法,并通过实例计算验证了算法的有效性。     

EMS型磁浮列车模块的基于逆系统的解耦控制

针对EMS型中低速磁浮列车的模块内部两个悬浮端点之间的耦合问题,本文采用基于逆系统的解耦方法,把悬浮模块系统解耦为两个独立的单输入单输出线性系统,并用线性系统理论的状态反馈方法为这两个线性系统配置极点,使它们按照预期的性能指标稳定.最后对整个控制系统进行了仿真研究和实验研究.仿真和实验结果表明,本文设计的解耦控制器能很好的抑制模块内部的耦合,能提高模块的悬浮控制性能.     

利用状态反馈增益变化设计广义系统H∞可靠控制器

通过对状态反馈两种增益变化形式的分析,研究广义系统H∞可靠控制器的设计问题.给出基于状态反馈增益变化的广义系统H∞可靠控制器的定义,得到了执行器故障模型.用线性矩阵不等式(LMI)方法,研究两种状态反馈增益变化的广义系统H∞控制器存在的充分条件和设计方法.进而,针对执行器的不同故障情形,用LMI方法给出广义系统存在基于状态反馈增益变化的H∞可靠控制器的充分条件.最后,给出了优化广义系统H∞可靠控制器的设计算法.     

基于状态反馈的一类非线性系统动态输出反馈镇定

针对一类具有线性不可测量状态的非线性系统,基于状态反馈稳定控制器,利用不变流形和滑模变结构控制技术设计了动态输出反馈镇定控制器.这类控制器的结构类似于系统的状态反馈稳定控制器,在较简单的假定条件下,能够保证被控系统的状态得到渐近镇定.仿真算例表明该动态输出反馈控制器具有较强的镇定能力.     

带干扰观测器的磁通反馈控制研究

磁通反馈悬浮控制方法具有控制范围大,超调小等优点。本文建立了基于磁通反馈的混合悬浮控制模型．设计了干扰观测器,分析了模型摄动对控制系统的影响,对磁通一间隙双环控制结构进行了改进。仿真实验表明．带干扰观测器的磁通反馈控制器是可行的,有利于提高悬浮控制系统的稳定性和抗干扰能力。     

基于观测器的一类连续非线性系统的采样控制

首先使用反演方法分别设计了系统的连续时间状态反馈控制器、连续时间观测器和基于连续时间观测器的连续时间控制器. 接下来, 利用零阶保持法对连续时间状态反馈控制器进行离散化, 获得了状态反馈采样控制器; 利用零阶保持法对基于连续时间观测器 的连续时间控制器离散化, 获得了基于连续时间观测器的采样控制器; 利用Euler法对连续时间观测器离散化, 同时利用零阶保持法对控制器离散化, 从而获得了采样观测器和基于采样观测器的采样控制器. 本文论证了上述状态反馈采样控制器和基于连续时间观测器的采样控制器可以保证闭环系统渐近稳定, 而基于采样观测器的采样控制器可以保证被控对象的状态是有界的, 其最终边界依赖于设计参数与采样周期. 最后, 通过选择适当的采样周期, 完成了闭环采样控制系统的设计. 一个船舶航向控制的例子表明应用本文 所提方法设计出的三种采样控制器具有良好的控制效果.     

基于神经预测的模糊主动隔振控制技术研究

将基于神经网络预测的模糊控制技术应用于静电悬浮加速度计地面实验装置主动隔振系统。神经网络预测模型可以根据当前时刻控制器与隔振平台的输出,能够对下一时刻隔振平台的运动状态提前作出预测,并将这一状态反馈输入到模糊控制器,能够使模糊控制器提前作出判断对隔振平台进行控制。研究结果表明该算法不仅可以限制控制信号的振荡,而且有利于抑制超调,对0.1Hz以上的低频激扰具有良好的隔振效果。     

磁悬浮系统的控制方法研究

对于电磁吸浮型磁浮列车,悬浮控制是其关键部分,由于该系统的非线性和不稳定性,需要通过主动控制使其稳定悬浮。建立了磁悬浮列车悬浮系统模型,针对模型的非线性问题,采用精确反馈线性化将悬浮系统的非线性模型线性化,然后用闭环增益成形算法设计出非线性鲁棒控制器。用MATLAB的Simulink对具有扰动的非线性模型进行仿真,仿真结果表明控制效果没有静差和超调,调节时间快。     

一类线性时变系统的输出反馈控制

基于线性时不变系统能控能观标准型变换及非线性系统高增益观测器方法,本文研究了一类线性时变系统 的输出反馈控制问题. 通过引入时变的状态变量坐标变换,分别设计了线性时变系统的状态反馈控制器、状态观测器以及基于 状态观测器的输出反馈控制器. 进一步地,本文分别证明了观测器动态误差是渐近收敛于零的,而状态反馈控制器以及输出反馈控制器可以 保证闭环系统的渐近稳定性.     

严格反馈非线性系统的自适应神经网络输出反馈控制

基于非线性反馈函数,文章设计神经网络状态观测器,解决一类非线性系统的输出反馈控制问题.非线性反馈神经网络观测器在系统存在不确定性函数的情况下实时估计系统状态.利用所获得的状态信号,设计了自适应神经网络动态面控制器,同时保证了闭环系统的稳定性和所有信号的有界性.通过调节设计参数的取值能够达到期望的闭环跟踪性能.数值仿真表明,所设计的状态观测器不需要对原系统做状态变换,能够克服输出反馈滑模控制器带来的抖震问题.     

On the state observation and output feedback problems for nonlinear uncertain dynamic systems

In this paper, we examine the problems of state observation and state trajectory control by output feedback for the class of non-linear systems in [3,11]. We begin by modifying a known discontinuous variable structure type observer into a continuous type observer that guarantees the observation error is Globally Exponentially Stable (GES). We then modify a known discontinuous variable structure type output feedback controller into continuous type output feedback controller that forces the state to the origin in the GES sense. Specific time-varying bounds on the observation error and the state trajectory are also developed; revealing how the corresponding observer or control parameters can be adjusted to improve the system performance.     

Computer control of a double inverted pendulum

A double inverted pendulum is successfully stabilized at the upright position by using a computer control. The control system is designed based on the state space approach by using a computer aided design program named CADOS developed for this purpose. CADOS was used not only for the analysis and design, but also for the simulation to evaluate the designed system. The controller designed consists of the state variable feedback and the observer. The state variable feedback is determined based on either pol-locations or as the optimal control for the quadratic criterion function. As the observer, the minimal order state observer or a linear functional observer is employed, and it is theoretically proved that the linear functional observer for a multiple inverted pendulum can always be realized by the first order. The designed controller is implemented in the mini-computer used for CADOS and could work satisfactorily. The controller using a linear functional observer requires less computation time and controls the system in more stable way.     

基于动力学等价的一种通用控制器的设计

在动力学运动方程的基础上,构建了一种系统状态观测器,该观察器能够精确估计被控对象的位置、速度和加速度而无需知道其数学模型。在此基础上,设计了一种通用控制器,该控制器通过系统运动的位置、速度和加速度的负反馈作用,把原被控对象的输出轨迹引导控制到期望的系统输出轨迹,能提高系统的控制品质和鲁棒性能。分析了PID控制器、内模控制器、状态控制器、预测控制器和鲁棒控制器的算法特性,指出这些控制器与所设计的通用控制器在动力学意义上具有等价性。     

含不匹配扰动非严格反馈系统的输出反馈补偿控制

针对一类非严格反馈非线性系统,系统中包含不确定函数和未知外部扰动,提出一种带不匹配扰动补偿的输出反馈模糊控制器.采用模糊逻辑系统逼近未知的非线性函数,同时构造模糊状态观测器观测系统未知状态.考虑观测器和控制器会受到外部扰动和模糊逼近误差构成的不匹配总扰动信号影响,采用改进的扰动观测器对不匹配扰动进行估计和补偿,使扰动观测误差能够在有限时间内平缓地收敛到任意小的范围,消除不匹配扰动信号对模糊观测器设计的影响.同时在控制器设计中进行扰动的精确补偿,提高系统的抗扰动性.通过Lyapunov函数证明了闭环系统所有信号都是有界的.最后,通过数值仿真进一步验证了所提出方法的有效性.     

A note on the robustness of high-gain-observer-based controllers to unmodeled actuator and sensor dynamics

It is shown that a nonlinear output feedback stabilizing controller, which combines a globally bounded state feedback controller with a high-gain observer, is robust with respect to unmodeled fast actuator and sensor dynamics. The actuator and sensor dynamics need to be sufficiently fast relative to the dynamics of the nominal closed-loop system under state feedback, but they need not be faster than the observer dynamics.     

Observer‐based controller design of discrete‐time piecewise affine systems

This paper presents a novel observer‐based controller design method for discrete‐time piecewise affine (PWA) systems. The basic idea is as follows: at first, a piecewise linear (without affine terms) state feedback controller and a PWA observer are designed separately, and then it is proved that the output feedback controller constructed by the resulting observer and state feedback controller gains can guarantee the stability of the closed‐loop system. During the controller design, the piecewise‐quadratic Lyapunov function technique is used. Moreover, the region information is taken into account to treat the affine terms, so the controller gains can be obtained by solving a set of linear matrix inequalities, which are numerically feasible with commercially available software. Three simulation examples are given finally to verify the proposed theoretical results. Copyright © 2010 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

Speed tracking control for the gimbal system with harmonic drive

This paper presents a composite controller based on a disturbance observer for the gimbal system of double-gimbal magnetically suspended control moment gyro (DGMSCMG) with harmonic drives. The controller removes the influence by coupling moments and nonlinear transmission torques. The disturbances are estimated by the designed disturbance observer. By introducing a state feedback controller, the disturbances can be eliminated from the output channel of the system. The gain selection principle of the disturbance observer is also analyzed. Both the simulation and experimental results indicate that the proposed control method can reject mismatched disturbances and improve system performance.