单级倒立摆系统分析与设计

倒立摆系统以其自身的不稳定性为系统的平衡提出了难题,也因此成为自动控制实验中验证控制算法优劣的极好实验装置.作者对倒立摆系统的非线性模型进行了线性化处理,通过利用全状态反馈和线性二次型最优控制两种方法对系统进行控制以满足设计指标,最后设计仿真实验软件平台以方便对比参数设置和系统性能之间的关系.     

捷联式惯性导航系统初始对准扰动补偿控制算法

提出了一种捷联惯性导航系统初始对准扰动补偿二级控制器的设计方法。选取载体的飞行姿态、速度与位置增量建立了扰动补偿控制的状态空间数学模型,基于Backstepping控制方法,通过引入虚拟反馈控制变量设计了非线性控制器,保证大初始扰动条件下系统状态稳定收敛到系统的平衡点集。在平衡点集,设计了H2最优状态反馈控制律,以保证系统状态在平衡点集的渐进收敛。仿真和系统试验结果表明,这种二级补偿控制方法能有效抑制初始对准扰动误差,导航解算精度能够满足工程实际需要。     

考虑流固耦合的渡槽结构半主动控制研究

基于渡槽结构流固耦合动力分析模型,采用结构振动控制原理中的限界Hrovat最优控制算法,进行了南水北调工程某大型渡槽结构变阻尼半主动控制研究;通过建立大型渡槽的动力分析模型及运动方程,对比计算了大型渡槽在无控、半主动控制和主动控制3种工况下的地震响应差异,计算结果表明:主动变阻尼控制装置能有效降低考虑流固耦合的渡槽结构纵向地震响应;限界Hrovat最优控制算法能有效跟踪和实现主动最优控制力.     

挠性转子磁力轴承系统LQ最优控制研究

在高温气冷堆氦气透平发电系统（HTR—IOGT）的相似性模拟实验装置AMB—PⅡ上,开展针对磁力轴承支承下挠性转子系统的优化控制研究。采用离散质量的集总参数法建立了相应转子动力学模型,通过适当模态截断简化获得了转子系统的状态方程。研究了LQ最优控制方法,分析了权重参数的选择对控制器的影响。仿真实验表明,输出反馈LQ结合相位补偿的控制器,具有物理意义清晰、系统结构简单和参数易于调节等优点。在AMB—PⅡ实验台架上不仅实现了转子的稳定悬浮,而且能够有效地抑制转子的高阶挠性模态振动,使转子顺利通过了二阶挠性临界转速,最高达到450Hz。该方法的研究为今后高温气冷堆氦气透平工程的磁力轴承实际应用提供了良好的设计参考。     

基于LQR的直线一阶单倒立摆最优控制器的设计

对已有的LQR最优控制中系统的动态响应与加权矩阵Q和R之间遵循的基本规律进行分析,并根据这一基本规律对给定的直线一阶单倒立摆采用线性二次型最优控制的方法设计控制器。仿真结果表明,基于LQR的最优控制系统对直线一阶单倒立摆具有很好的控制效果。     

考虑J2项摄动的小推力燃料最优转移轨道设计

为优化得到考虑地球扁率J2项摄动影响的小推力燃料最优转移轨道,提出了一种3次同伦方法.构造较简单的采用"线性引力",且不考虑J2项摄动的大推力能量最优转移轨道作为同伦初始问题.引入3个同伦参数,分别对动力学模型、推力大小和性能指标进行同伦,根据极小值原理推导得到同伦过程中的最优控制律,并通过跟踪同伦参数的连续变化求解一系列的同伦迭代子问题,分别得到J2摄动模型下的大推力能量最优转移轨道和小推力能量最优转移轨道,并最终优化得到小推力燃料最优转移轨道.以航天器与位于太阳同步轨道的碎片的交会任务为算例进行数值仿真,验证所提出的3次同伦方法在求解J2项摄动影响下的小推力燃料最优转移轨道优化问题中的有效性.结果表明,利用打靶法容易对同伦初始问题进行求解,在同伦过程中能连续稳定地跟踪同伦参数,进而得到所需的燃料最优小推力转移轨道,利用该方法能有效地解决J2项摄动导致的非线性强、推力小、转移圈数多等原因所导致的一般数值优化算法不易收敛的难题.     

基于ITAE最优控制律的CFB锅炉优化控制

在循环流化床(CFB)锅炉燃烧自动控制系统中,床温与主蒸汽压力耦合比较严重,常规控制算法的控制效果不是很理想。通过分析CFB锅炉的燃烧机理和动态特性,设计了部分前馈解耦控制器,实现了床温和主蒸汽压力的解耦。解耦后得到两个一阶惯性大迟延系统模型,针对CFB锅炉燃烧系统纯迟延较大对控制带来的挑战,应用ITAE最优控制率,对工业现场最常见的PI控制回路进行二次优化控制,并给出了控制器参数的求取方法。仿真结果说明该方法优化的结果各个性能指标较好。此优化方法算法简便,控制效果理想,且适合工程应用。     

混合动力汽车实时优化控制策略仿真分析

针对无级变速混合动力汽车中发动机工作点与道路工况解耦的运行特点,提出一种基于二次型最优控制理论的实时优化控制策略,该策略在保证动力系统输出量跟踪给定值的同时,通过平滑发动机功率运行曲线,从而间接降低车辆燃油消耗。基于ADVISOR软件的二次开发,建立实时优化控制系统的仿真模型,并在8种不同工况下进行仿真对比,结果表明:本文控制策略不仅使车辆具有良好的动力性能,而且在道路工况未知条件下,能显著降低油耗和排放水平,节油效果与基于庞特里亚金最小值原理(Pontryagin′s minimum principle,PMP)的全局最优控制策略相近,仅相差1.05%~4.82%。     

增程式电动汽车复合式蓄能系统能量管理策略研究

就增程式电动汽车而言,其蓄能系统配置及能量管理策略对其自身等效燃油经济性、电池组寿命和动力性能有重要作用。本研究描述了本项目开发的搭载超级电容的增程式电动汽车复合式蓄能系统配置,开发了基于模糊逻辑的能量管理策略,并基于Matlab/Simulink仿真分析了二者协同作用下车辆表现的提升与电池组循环寿命的保护。其中,能量管理策略特别关注了加速踏板加速度信息,以更好的理解驾驶员的驾驶意图,进一步优化各蓄能部件及发电部件间的功率分配,起到预判和应对突发功率需求、保护电池组寿命的作用。仿真结果显示,车辆功率响应速度和动力性能得到提高、电池组寿命得到保护。     

电流变客车减振器的力学分析与最优控制

在减振器中采用电流变液,通过控制电场实时响应路面激励,提高客车对振动响应的智能性。基于车辆1/4动力学模型的分析表明,在0～25 Hz路面激励下,车身加速度、相对动载、悬架动挠度的共振响应峰值分别减小52.9%、52.6%、60.0%。线性二次型最优控制理论的仿真结果表明,主动悬架系统的车身振动加速度减小0.37 m/s2,悬架动挠度值减小4.3 mm,轮胎变形量基本不变(仅约0.1 mm),实现了良好的减振性能,从而提高了行驶平顺性、被动悬架系统稳定性。不同路面状况下所需的场强幅值为3.5 kV/mm、能耗约为225 W,为配套电源的设计提供了依据。