风能转换系统的LPV主动容错控制

随着对风力机效率和可靠性要求的提高,现代风力机不再如传统风力机那样一味追求高的产能。本文针对桨距执行器故障的风能转换系统具有非线性性和参数严重不确定性,提出了基于LPV增益调度的风能转换系统的主动容错控制方法,降低故障对机组动态特性的影响。基于LPV凸分解方法,将风能转化系统非线性模型化为具有凸多面体结构LPV模型,利用LMI技术对凸多面体各个顶点分别设计满足性能要求的控制器,再利用各顶点设计的反馈控制器得到具有凸多面体结构LPV容错控制器。仿真结果表明,LPV增益调度技术可以成功地应用于风能转换系统的容错控制,在有故障的情况下,仍能保持系统的稳定和良好的动态性能。     

电磁轴承增益调度多目标控制器设计

为了减弱转子质量不平衡带来的干扰,提出一种多目标(H2/H∞控制和极点配置)性能要求的增益调度电磁轴承控制器.电磁轴承这类线性参数变化系统(LPV)可认为是参数多面体,在多面体各顶点处采用线性矩阵不等式组(LMIs)和凸优化技术,设计满足闭环极点配置和H2/H∞性能的控制器参数,然后将这些控制器参数综合为一个增益调度控制器.仿真结果表明,利用该方法设计的控制器可使电磁轴承随转速变化始终具有良好的控制性能.     

基于LM I方法的机器人L PV 鲁棒H ∞控制器设计

对平面两关节直接驱动机器人,提出一种同时将闭环极点配置到满足动态响应区域内的变增益LPV鲁棒H∞控制器设计新方法,利用LPV的凸分解方法,将机器人模型化为具有凸多面体结构的LPV模型,然后利用LMI技术对凸多面体各顶点分别设计满足H∞性能和闭环极点配置的反馈增益,再利用各顶点设计的反馈控制器综合得到具有凸多面体结构的LPV控制器,仿真结果验证了该控制器可使机器人随关节位置变化始终具有良好的控制性能。     

基于LMI方法的机器人LPV鲁棒H_∞控制器设计

对平面两关节直接驱动机器人 ,提出一种同时将闭环极点配置到满足动态响应区域内的变增益 L PV鲁棒 H∞ 控制器设计新方法。利用 L PV的凸分解方法 ,将机器人模型化为具有凸多面体结构的L PV模型 ,然后利用 L MI技术对凸多面体各顶点分别设计满足 H∞ 性能和闭环极点配置的反馈增益 ,再利用各顶点设计的反馈控制器综合得到具有凸多面体结构的 L PV控制器。仿真结果验证了该控制器可使机器人随关节位置变化始终具有良好的控制性能。     

电磁轴承增益调度多目标控制器设计

为了减弱转子质量不平衡带来的干扰,提出一种多目标(H₂/H_∞控制和极点配置)性能要求的增益调度电磁轴承控制器.电磁轴承这类线性参数变化系统(LPV)可认为是参数多面体,在多面体各顶点处采用线性矩阵不等式组(LMIs)和凸优化技术,设计满足闭环极点配置和H₂/H_∞性能的控制器参数,然后将这些控制器参数综合为一个增益调度控制器.仿真结果表明,利用该方法设计的控制器可使电磁轴承随转速变化始终具有良好的控制性能.

     

不确定性无尾飞行器LPV变增益控制器设计

无尾式飞行器由于其独特的优点成为今后飞行器发展的方向,其飞行包线范围大,参数变化剧烈,需要时其在整个工作区域内实行控制.采用基于线性变参数(LPV)系统的变增益控制方法,利用多胞形模型法对系统进行增益调度,提出一种简单实用的变参数顶点凸分解方法,该方法利用动态系统的间隔度量对顶点进行加权求和,在保证系统稳定的情况下,确保系统达到更佳的性能指标.充分考虑了无尾式飞行器的不确定性,利用线性矩阵不等式时某无尾式飞行器进行控制器设计,非线性仿真结果表明该方法能够在参数变化剧烈的情况下,使得系统在1.5 s内收敛,并且没有超调量,同时系统状态变量变化平缓,证明了该方法在大范围工作区域内的有效性.     

压水堆功率跟踪自适应保性能控制器设计

针对压水堆动态模型的高度非线性和不确定性特点,本文提出一种自适应保性能跟踪控制器(adaptive guaranteed cost control,AGCC)设计方法.首先以堆芯的点堆方程为基础,引入功率跟踪误差的积分项,构造反应堆的增广状态空间模型,再结合线性参数变化(linear parameter varying,LPV)理论,建立了堆芯系统的多胞LPV模型.该控制器的控制输入由状态反馈控制和不确定性补偿组成,结合保性能控制理论和多胞模型理论,求解线性矩阵不等式得到变增益状态反馈矩阵,确保闭环系统全局渐近稳定;利用李亚普诺夫稳定理论得到不确定性参数的自适应律,实现对系统不确定性的动态补偿.仿真结果表明,该控制器不仅对系统不确定项具有自适应性,而且有较好的负荷跟踪性能.     

高超声速飞行器应用保护映射的大包线控制律

针对高超声速飞行器模型具有高度非线性和易变的动态特性,应用保护映射理论提出了一种高超声速飞行器大包线控制律设计方法.首先,结合间隙度量理论建立高超声速飞行器线性变参数(linear parameter-varying,LPV)模型,然后设计控制器结构并计算初始点的控制器参数,并根据保护映射理论分析初始控制器使闭环系统稳定的参数区间,通过迭代运算自适应地获得满足性能要求的控制器参数集合.仿真结果表明,建立的LPV模型具有良好的精确度;所设计的大包线控制律能够满足高超声速飞行器的性能要求,并且保证系统在飞行域内全局稳定.     

不确定性无尾飞行器LPV变增益控制器设计

无尾式飞行器由于其独特的优点成为今后飞行器发展的方向,其飞行包线范围大,参数变化剧烈,需要对其在整个工作区域内实行控制,采用基于线性变参数（LPV）系统的变增益控制方法,利用多胞形模型法对系统进行增益调度,提出一种简单实用的变参数顶点凸分解方法,该方法利用动态系统的间隔度量对顶点进行加权求和,在保证系统稳定的情况下,确保系统达到更佳的性能指标．充分考虑了无尾式飞行器的不确定性．利用线性矩阵不等式对某无尾式飞行器进行控帝1器设计,非线性仿真结果表明该方法能够在参数变化剧烈的情况下,使得系统在1．5s内收敛,并且没有超调量,同时系统状态变量变化平缓,证明了该方法在大范围工作区域内的有效性.     

基于多LPV 模型的调度离线鲁棒预测控制

针对一类具有大工作区域和快时变特性的约束非线性系统, 采用多个线性参数时变(LPV) 模型近似描述原非线性系统. 对于各LPV 模型, 设计基于参数独立Lyapunov 函数的局部离线预测控制器. 构造各局部控制器间的切换策略, 在保证切换稳定性的同时, 使相互重叠的稳定域覆盖期望的工作区域. 仿真结果表明, 相比于已有的调度预测控制方法, 所提出的方法不仅能够保证控制输入在给定的约束范围内, 而且在局部控制器切换次数少的情况下, 获得良好的控制性能.

     

Gain Scheduled LPV H∞ Control Based on LMI Approach for a Robotic Manipulator

A new approach to the design of a gain scheduled linear parameter‐varying (LPV) H_∞ controller, which places the closed‐loop poles in the region that satisfies the specified dynamic response, for an n‐joint rigid robotic manipulator, is presented. The nonlinear time‐varying robotic manipulator is modeled to be a LPV system with a convex polytopic structure with the use of the LPV convex decomposition technique in a filter introduced. State feedback controllers, which satisfy the H_∞ performance and the closed‐loop pole‐placement requirements, for each vertex of the convex polyhedron parameter space, are designed with the use of the linear matrix inequality (LMI) approach. Based on these designed feedback controllers for each vertex, a LPV controller with a smaller on‐line computation load and a convex polytopic structure is synthesized. Simulation and experiment results verify that the robotic manipulator with the LPV controller always has a good dynamic performance along with the variations of the joint positions. © 2002 Wiley Periodicals, Inc.     

A Novel Robust Attitude Control for Quadrotor Aircraft Subject to Actuator Faults and Wind Gusts

A novel robust fault tolerant controller is developed for the problem of attitude control of a quadrotor aircraft in the presence of actuator faults and wind gusts in this paper. Firstly, a dynamical system of the quadrotor taking into account aerodynamical effects induced by lateral wind and actuator faults is considered using the Newton-Euler approach. Then, based on active disturbance rejection control (ADRC), the fault tolerant controller is proposed to recover faulty system and reject perturbations. The developed controller takes wind gusts, actuator faults and measurement noises as total perturbations which are estimated by improved extended state observer (ESO) and compensated by nonlinear feedback control law. So, the developed robust fault tolerant controller can successfully accomplish the tracking of the desired output values. Finally, some simulation studies are given to illustrate the effectiveness of fault recovery of the proposed scheme and also its ability to attenuate external disturbances that are introduced from environmental causes such as wind gusts and measurement noises.      

基于LPV观测器的永磁同步电机反推控制

针对永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)无速度传感器转速跟踪控制精度问题,提出了一种基于线性变参数(Lineeo Parameteo Varying,LPV)转速观测器的永磁同步电机反推控制方法。该方法首先根据PMSM的LPV模型,推导出电机的凸胞形顶点方程;然后利用Lyapunov稳定性理论,获得了基于线性矩阵不等式(Lineeo Matrix Inequality,LMI)的观测器设计方法,构造了PMSM的LPV观测器,实现对电机转速及定子交轴电流的重构;最后运用反推控制策略,设计电机闭环系统控制器,实现对电机转速的高精度跟踪控制。仿真结果表明,该方法相较与传统PI矢量控制,跟踪精度高、响应快、抗负载扰动强,对实现PMSM的无速度传感器高精度转速跟踪控制具有重要意义。     

A virtual actuator and sensor approach for fault tolerant control of LPV systems

In this paper, a fault tolerant control (FTC) strategy using virtual actuators and sensors for linear parameter varying (LPV) systems is proposed. The main idea of this FTC method, initially developed for LTI systems, is to reconfigure the control loop such that the nominal controller could still be used without need of retuning it. The plant with the faulty actuator/sensor is modified adding the virtual actuator/sensor block that masks the actuator/sensor fault. The suggested technique is an active FTC strategy that reconfigures the virtual actuator/sensor on-line taking into account faults and operating point changes. The stability of the reconfigured control loop is guaranteed if the faulty plant is stabilizable/detectable. The LPV virtual actuator/sensor is designed using polytopic LPV techniques and linear matrix inequalities (LMIs). A two-tank system simulator is used to assess the performance of the proposed method. In particular, it is shown that the application of the proposed technique results in an improvement, in terms of performance, with respect to the LTI counterpart.     

基于LMI的一体化鲁棒主动容错控制器设计

针对一类发生执行器故障的非线性系统,提出基于线性矩阵不等式(LMI)的一体化鲁棒主动容错控制器设计方法.首先,设计含自适应律的鲁棒滑模观测器,并将观测器设计方法转化为LMI约束下的凸优化问题,进而实现执行器故障的鲁棒重构;然后,提出基于状态及故障估计的一体化主动容错控制器,同时通过LMI给出控制器增益解算方法;最后,通过数值算例验证容错控制器设计方法的有效性.     

喷水推进式水面机器人H∞鲁棒航向跟踪控制

针对水面机器人(unmanned surface vehicle, USV)航向跟踪容易受到风、浪与水流干扰影响的问题,提出了一种基于线性变参(linear parameter varying, LPV)模型的H_∞鲁棒航向跟踪控制器.首先从水动力学机理出发,提出了基于速度变参的LPV模型.然后基于提出的速度变参LPV模型,利用线性矩阵不等式设计了USV的H_∞鲁棒航向控制器,用以抵抗风、浪与水流对机器人的影响.最后,在自主研发的3自由度欠驱动喷水推进式USV平台上进行了实验.实验结果表明,控制器可以实现鲁棒的航向跟踪控制.     

基于凸多面体构造的多项式LPV系统性能分析

针对现有多项式线性变参数(Linear Parameter Varying LPV)系统性能分析方法计算效率低、保守性较大的问题,为了提高性能,给出了一种改进的基于凸多面体构造的分析方法.利用系统参数轨迹的导数信息构造凸多面体簇分段包含参数轨迹,并结合参数化Lyapunov函数和线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities LMI)方法进行了系统全局性能分析,从而减少了由构造方法带来的分析保守性.仿真结果表明,构造方法能够有效提高系统性能计算的效率,并减少系统性能分析的保守性.     

具有尾缘襟翼风力机的恒功率反步法控制

尾缘襟翼风力机控制技术在大型风力机领域具有巨大的应用潜力.本文首先基于修正的叶素动量方法建立了具有可变尾缘襟翼的风力机气动模型.针对襟翼风力机的非线性模型,采用反步法设计了非线性控制器,保证系统的控制量和状态变量全局有界,并且风机的输出功率可以收敛到额定功率的一个小邻域内.此外,控制器设计过程中没有将实时风速信息纳入反馈系统,因而降低了工程实施的难度.最后针对12 m/s～15 m/s的阶跃风、基于四分量模型模拟的风载扰动、执行机构受到外部扰动以及总转动惯量具有10%不确定性的工况进行了仿真,仿真结果表明所设计的控制器能有效地稳定风力发电系统的输出功率,控制系统具有较强的鲁棒性.