增量式函数观测器的概念及其状态反馈控制系统的应用

Luenberger提出的状态观测器理论可以解决在确定性条件下受控线性系统的状态重构问题，然而，物理世界中一切实际的系统都具有不同程度的非线性。该文采用Hammerstein模型描述一类非线性系统，明确提出增量式函数观测器的概念，从基本定义出发，通过数学分析，证明Luenberger函数观测器、全维状态观测器和增量式状态观测器均为增量式函数观测器的特例。由于增量式函数观测器的数学定义是建立在非线性受控系统的基础上，因此，观测器的应用便可扩展到非线性控制领域。理论分析表明，在选择同样的观测器参数的前提下，增量式观测器的鲁棒性要优于鲁棒Luenberger观测器。在3座火力发电厂的6台300MW以上容量单元机组工程应用的实践已证明，基于增量式观测器的状态反馈控制与PID控制相结合，能实现对大滞后复杂受控对象的高质量控制，具有很强的稳定鲁棒性，其控制算法简单实用，且便于推广。     

代数等价观测器的定义及其数学分析

在线性系统的代数等价理论的基础上,提出了用给定受控系统G(s)的线性变换G1(s)作为G(s)的观测器即代数等价观测器的概念,并在此概念的基础上对代数等价观测器成立的充要条件、代数等价观测器状态反馈控制系统设计的分离原理等有关定理及推论给予了证明。将这些定理及推论应用于电站锅炉主汽温的状态反馈控制中,揭示了代数等价观测器-状态反馈控制系统的工程物理意义。研究表明,当选择不同的代数等价系统时,状态反馈极点配置简易代数方法的近似计算结果将是不同的,当设计基于观测器的状态反馈控制系统时,不同的代数等价观测器对于闭环系统的影响也是不一样的。     

基于IFO-K△X的非线性状态反馈控制系统的几个设计概念

摘要：采用Hammerstein模型描述非线性系统时，可以应用增量式函数观测器IFO-K△x设计状态反馈控制系统，数学分析已证明，在不同的前提条件下，Luenberger函数观测器、全维状态观测器和增量式状态观测器均为增量式函数观测器的特例。该文从基于增量式函数观测器的状态反馈控制律作用下的非线性受控系统的闭环系统入手，导出几个重要概念，从而证明基于Hammerstein模型的非线性系统，应用增量式函数观测器设计状态反馈控制系统时，其控制器和观测器可以独立地设计，即分离原理适用于该文所述之非线性控制系统，为IFO-K△x在热控领域的工程应用奠定理论基础。     

基于IFO-KΔx的非线性状态反馈控制系统的几个设计概念

采用Hammerstein模型描述非线性系统时,可以应用增量式函数观测器IFO-K△x设计状态反馈控制系统,数学分析已证明,在不同的前提条件下,Luenberger函数观测器、全维状念观测器和增量式状态观测器均为增量式函数观测器的特例。该文从基于增量式函数观测器的状态反馈控制律作用下的非线性受控系统的闭环系统入手,导出几个重要概念,从而证明基于Hammerstein模型的非线性系统,应用增量式函数观测器设计状态反馈控制系统时,其控制器和观测 器可以独立地设计,即分离原理适用于该文所述之非线性控制系统,为IFO-K△x在热控领域的工程应用奠定理论基础。     

增量式变增益函数观测器在时变系统中的应用

在增量式函数观测器IFO-KDx的基础上，给出增量式变增益函数观测器IFO-K(T(t)) Dx和增量式变增益全维状态观测器IFO-T(t)Dx的数学定义，从而使得增量式观测器的应用领域进一步扩展到非线性慢时变受控系统中。文中分别给出了IFO-K(T(t))Dx和ISO-T(t)Dx成立的充分条件，进而得出对工程实践非常有意义的结论，即在定理所论条件下增量式观测器的设计可以避开求解Sylvester矩阵方程，从而为观测器的工程应用提供了更加完备的理论依据。工程实践证明了这一结论的正确性。     

基于状态观测器的状态反馈控制在300MW单元机组协调控制系统中的应用

在单元机组机理性数学模型的基础上，设计了一种增量式状态观测器，提出基于状态观测器的状态反馈与常规PID控制相结合的新型控制方法。采用状态反馈控制克服锅炉的时滞与惯性，提高机组负荷适应能力，应用PID控制保证控制系统的稳态指标。该算法还具有在分散控制系统中易于实现的优点。该控制方案在一台300MW单元机组中的实际应用效果表明：采用基于增量式状态观测器的状态反馈控制，可有效克服锅炉的时滞与惯性，同时还由于其减缓了模型失配的程度，因而可克服非线性、参数慢时变等不确定性因素的影响，特别是当机组负荷发生较大变化时，本方案更显示出其优良的控制性能。     

基于干扰观测器PID的直流电机速度控制

针对电机控制中外界的扰动因素,提出用干扰观测器来补偿扰动对伺服系统运行的影响。在对象的名义模型正确条件下,给出了干扰观测器和反馈控制器的设计方法。并从理论上保证了被控对象参数不确定时的鲁棒性,仿真实验表明了该控制方法的有效性。     

过热器蒸汽温度状态观测器的鲁棒性分析

工程中过热蒸汽温度作为被控对象通常是n阶大惯性环节，且状态不可测。以常规手段，通常很难达到理想的控制效果。该文以这个实际工程问题为研究背景，根据状态观测器和鲁棒观测器设计的理论，研究过热器蒸汽温度动态特性状态重构的实用技术，分析采用高阶惯性环节作为过热器的状态观测器的适用性。得出在保持系统稳定的前提下，惰性区时间常数的允许变化范围。通过分析得知状态观测器确定时，此范围只和状态反馈增益阵有关。仿真试验验证了理论分析结果的正确性。     

凸极永磁同步风力发电机无速度传感器控制

基于全阶滑模观测器的凸极永磁同步风力发电机无速度传感器控制可以通过提高滑模增益来提高系统的鲁棒性,但提高滑模增益会放大滑模噪声.为了解决这个矛盾,文中提出了有效反电动势的概念,并基于有效反电动势的概念设计了一种全阶状态滑模观测器,分析了该全阶状态滑模观测器的滑模抖振抑制特性和转子位置估计对转速估计误差的鲁棒性.与全阶滑模观测器相比,所建立的全阶状态滑模观测器在不放大滑模噪声的前提下,可进一步提高转子位置估计对转速估计误差的鲁棒性.实验结果表明,该方法可实现稳定的无速度传感器控制,具有良好的动稳态特性,转子位置估计对转速估计误差具有更强的鲁棒性.     

采样系统慢时变扰动比例积分观测器鲁棒控制

针对控制系统存在扰动或噪声使传统观测器存在较大观测误差问题,依据鲁棒控制理论,采用线性矩阵不等式(LMI)方法,设计了鲁棒H2/H∞全维状态比例积分观测器。研究了系统存在慢时变扰动情况下,采样系统基于比例积分观测器的状态观测效果及鲁棒稳定性,得到了一类充分条件,给出了观测器比例增益、积分增益、控制器增益以及鲁棒H2性能指标的求解方法。仿真结果表明,所设计的观测器计算量小,鲁棒性强,提高了状态观测精确度。     

超临界机组协调控制系统设计新方法及其工程应用

超临界燃煤发电机组配置的直流锅炉,动态特性复杂。该文给出超临界机组协调受控对象的一种实用数学模型,采用观测器预估燃煤的热值,设计一种基于增量式函数观测的状态反馈+串级PID+智能控制(IC)+热值补偿(BTU)的综合型协调控制系统。采用数学方法描述了IC部分的具体内容,用状态空间法给出了整个控制系统的数学描述。通过数学分系统中串级PID调节器的作用。工程应用表明,在定压、滑压两种方式下变化负荷,其负荷速率可达12 MW/min,证明了该控制系统的稳定鲁棒性。     

一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略

设计了一种在同步旋转坐标系下的无速度传感器感应电机滑模速度和磁通控制方案,并设计了一种收敛速率可调的闭环滑模磁通观测器。Lyapunov稳定性理论推导和仿真结果均证明了该控制策略和磁通观测器对参数摄动和不确定因素有很强的鲁棒性。为了削弱变结构控制中的抖振现象,采用饱和函数来代替符号函数。在转速观测器中加入在线估计负载转矩环节,使得转速观测器对负载转矩变化具有良好的鲁棒性。在电机参数和负载发生剧烈变化的情况下,分别利用该控制策略和精确反馈线性化控制方法进行了对比仿真。仿真结果验证了该控制策略与观测器的有效性。     

基于自适应观测器的感应电动机矢量控制研究

对基于全阶自适应观测器的感应电动机无速度传感器矢量控制系统进行了研究.首先利用Popov超稳定理论分析出自适应观测器不稳定工作区域与其反馈增益矩阵有直接关系;在此基础上应用Kalman滤波理论优化设计反馈增益,并分析证明所设计的增益能够保证系统工作于稳定区.其次基于d-q系下电机动态模型,采用速度环变论域模糊控制和电流环前馈解耦控制,增强控制系统对外界干扰的适应能力.数字仿真试验验证了所设计的自适应观测器性能良好,鲁棒性强.     

优化反馈补偿闭环定子磁链观测器

针对纯积分定子磁链观测器存在的直流偏置与积分漂移问题,对反馈闭环磁链观测器进行了优化,设计了一种改进的反馈补偿闭环磁链观测器。该观测器先利用磁链与反电动势两矢量的正交关系,控制二者的夹角余弦值为零,再通过简单的乘法运算,实现对磁链的动态补偿,从而得到正确的积分结果。理论分析显示,积分结果中的直流分量能够得到完全消除,同时仿真结果证明了,改进观测器的良好性能以及理论分析的正确性。     

带电压反馈的ESO发电机励磁系统滑模变结构

针对发电机励磁系统的非线性及易受内、外扰动等特点,应用坐标变换、ESO及滑模变结构控制理论,设计了一种新颖的提高系统动、静态特性的ESO滑模励磁控制器,并在此基础上引入了电压反馈,使其更好地稳定了机端电压,即对系统的状态方程进行坐标变换,然后通过构造扩张状态观察器(ESO)对发电机励磁系统进行动态补偿,实现线性化;采用极点配置法设计滑模切换函数,从理论上保证发电机转子方程具有期望的极点;采用指数趋近率和准滑动模态方法求取滑模控制率.仿真结果表明,该控制器在动态、静态特性上明显地提高了系统的稳定性、快速性和准确性,而且鲁棒性较好.     

一种用于异步电机无速度传感器控制的自适应滑模观测器

针对异步电机无速度传感器中存在的对参数变化鲁棒性差的问题,研究了一种基于自适应滑模观测器的异步电机无速度传感器的矢量控制方案。自适应滑模观测器根据电机静止坐标系下的数学模型构造了转子磁链观测器,定子电流观测值与实际值的误差构成观测器的滑模面,在滑模运动下该观测器的观测值最终趋近于实际值,从而实现转子磁链的估计。电机转速由自适应方法估算得到,滑模观测器的稳定性可由李雅普诺夫稳定性证明。与其他方案相比,该方法的优点在于实现简单,对参数变化具有鲁棒性。仿真和实验对控制方案的正确性和可行性给出了验证,该观测器可以实现对转子磁链和转速的观测,且在负载扰动和给定转速变化的情况下该滑模观测器具有鲁棒性。