ROBUST SMITH PREDICTIVE CONTROLLER FOR PROCESS WITH INVERSE RESPONSE

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＷｈｅｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎａｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｐｐｏｓｉｔｅｔｏｔｈｅｆｉｎａｌｏｕｔｃｏｍｅ，ｉｔｉｓｃａｌｌｅｄａｎｉｎｖｅｒｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｂｏｉｌ－ｅｒｓｃａｌｌｅｄｓｈｒｉｎｋａｎｄｓｗｅｌｌｉｓａｔｙｐｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ［１，２］．Ａｎｏｔｈｅｒｅｘａｍｐｌｅｉｓｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｃｏｌｕｍｎ［…     

Robust Stability and Performance Comparison of PID and PPI Control

Predictive PI (PPI) control form, capable of time delay compensation, has been put forward recently.This control algorithm is essentially a PI controller with enhanced derivative action, which is not only suitable for long time delay process, but also of simple structure and excellent robust stability. The performance of PPI controller was demonstrated and compared with that of traditional PID controller by different tuning methods.     

斯密斯预估器在非恒定流水力模型流量检测控制系统中的应用

针对非恒定流水力模型流量检测控制系统中被控对象的纯滞后性质,介绍了如何应用Smith预估控制算法,来有效克服纯滞后对控制系统稳定性的影响,提高系统控制的静态和动态品质.     

基于新型Smith预估器的网络控制系统

提出了一种针对网络时延和被控对象时延的新型Smith预估器,以便有效地抑制网络时延对网络控制系统性能的影响.该预估器不包含网络时延预估模型,无需对网络时延进行在线测量、估计或辨识,适用于网络时延为随机、时变和不确定的网络控制系统.仿真结果表明,在网络时延大于1个乃至数十个采样周期的情况下,基于该新型Smith预估器的网络控制系统具有较强的鲁棒性,且具有良好的动态性和抗干扰能力.     

A New Wireless Packet Scheduling Algorithm Based on EDF and Its Application in Multi-bottleneck Networks

Most of current wireless packet scheduling algorithms aim at resource allocation as fairly as possible or maximizing throughput. This paper proposed a new packet scheduling algorithm that aims at satisfying delay requirement and is the improvement of earliest due first (EDF) algorithm in wired networks. The main idea is to classify the packets based on their delay bound, scheduling the most "urgent" class of user and the users that have the best channel condition with higher priority. This algorithm can easily integrate with common buffer management algorithms, when buffer management algorithm cannot accept new arrival packets, try to modify scheduling policy. Packet scheduling algorithms in multiple bottleneck wireless networks were also discussed. A new variable multi-hop factor was defined to estimate the congestion situation (including channel condition) of future hops. Multi-hop factor can be integrated into packet scheduling algorithms as assistant and supplement to improve its performance in multi-bottleneck wireless networks.     

吊舱推进电机的无模型自适应滑模矢量控制

为解决半潜船吊舱推进电机控制系统中负载扰动造成的转速跟踪性能差的问题, 提出一种基于数据驱动的吊舱推进电机转速矢量控制方法; 对包含未知负载扰动的推进电机转速方程进行离散化处理, 给出关于输出转速与输入电流离散后的非线性转速系统; 由于非线性转速系统方程中变量较多且负载扰动模型未知, 设计了基于数据驱动的无模型自适应控制器, 并给出了伪偏导数估计算法; 采用滑模观测器观测螺旋桨负载扰动, 同时给出了滑模控制器; 结合无模型自适应控制和滑模控制给出了负载扰动下的无模型自适应滑模(MFASM)控制方案; 构建了吊舱推进电机无模型自适应滑模矢量控制调速系统, 并在MATLAB/Simulink环境下给出了仿真结果。研究结果表明: 在船舶正常作业恒定转速下, 在0.3~0.5 s时间区域内, 采用MFASM矢量控制方案和PI矢量控制方案的吊舱推进电机的转速误差分别为2、6 r·min-1; 在0.8~1.0 s时间区域内, 采用无模型自适应滑模矢量控制方案和PI矢量控制方案的吊舱推进电机的转速误差分别1、3 r·min-1; 对于船舶操车作业的可变转速情形, 采用MFASM矢量控制方案的推进电机转速和转矩达到稳态的时间比PI矢量控制方案少0.01~0.03 s。可以看出, 采用MFASM矢量控制方案可改善吊舱推进电机转速跟踪性能, 是一种有效的抑制负载扰动的数据驱动控制方法。      

船舶进出港低速航向保持

为了在船舶进出港时,船舶处于浅水域并以低速航行,在风、浪等强扰动作用下,增强航向控制性能,减小能源损耗,选择三阶Nomoto模型,将航速和水深变化反映到模型参数的变化上,基于闭环增益成形算法设计出一种具有适应性的鲁棒PID控制器,建立基于风、浪干扰的非线性船舶运动数学模型,并用S函数来实现。用PID控制器对非线性船舶运动数学模型进行控制,在Simulink环境中对各种水深、船速及海况进行航向控制仿真。从仿真曲线可看出其航向跟踪效果良好,静差为0,且施舵合理,所设计的控制器对非线性船舶运动数学模型具有良好的控制性能。     

具有输入时滞的二轮自平衡车自适应滑模控制

对具有输入时滞的二轮自平衡车系统, 设计了一种自适应滑模控制算法; 采用拉格朗日函数建立二轮自平衡车系统的动力学数学模型, 并在系统模型中考虑实际中存在输入时滞, 以及在处理输入时滞时所引入的未知扰动; 对变换后的输入矩阵做奇异值分解, 进一步设计了对扰动参数具有自适应估计能力的自适应滑模控制器; 基于Lyapunov稳定性理论, 保证了闭环系统鲁棒渐近稳定; 试验采用陀螺仪MPU-6050以及加速度传感器构成小车姿态检测装置。分析结果表明: 当控制参数较小时, 系统的超调量较小, 然而系统的调节时间较长; 当控制参数较大时, 系统产生了较明显的超调量, 然而系统的调节时间缩短了; 当外加扰动较小时, 车体速度变化小于0.08 m·s-1, 倾角角速度变化小于0.6°·s-1; 当外加扰动较大时, 车体速度变化小于0.10 m·s-1, 倾角角速度变化小于0.8°·s-1; 初始倾角为5°时, 车体速度保持在0.005 m·s-1范围内, 倾角角速度保持在0.022°·s-1范围内; 初始倾角为10°时, 车体速度保持在0.007 m·s-1范围内, 倾角角速度保持在0.031°·s-1范围内。可见, 自适应滑模控制算法能在引入适量干扰和不同初始车体倾角的情况下, 使小车自主调整并迅速恢复稳定状态。      

基于改进模糊PID-Smith控制器的高速动车组停车方法

为解决动车组制动过程中电制动与空气制动切换时控制模型参数变化和空气制动延时大的问题, 以提高动车组停车的精确性, 提出了一种改进模糊PID-Smith控制器; 通过分析动车组制动过程中单个车厢的力学模型, 考虑列车制动过程的特点, 建立了关于运行速度和制动力的二阶纯延时传递函数; 将离散化的二阶纯延时传递函数与单个车厢的力学模型结合, 建立了动车组多质点控制模型, 并分析了该控制模型的特点; 提出了一种改进的模糊PID-Smith控制器, 通过引入Smith预估控制器解决了动车组制动过程中空气制动系统延时大的问题, 使用递推最小二乘法在线辨识了模型参数, 以解决动车组制动过程中电制动切换到空气制动时的模型参数变化问题; 采用模糊PID控制器代替Smith预估控制器中的PID部分, 解决了PID参数整定难和鲁棒性差的问题; 采用MATLAB软件对CRH380A型高速动车组进行仿真, 在不同进站速度、不同减速度和不同程度干扰下, 使控制器控制动车组跟踪设定速度, 并与模糊PID控制器的结果进行对比。仿真结果表明: 改进模糊PID-Smith控制器得到的动力单元速度与其设定速度的误差在0.4 km·h-1以内, 而模糊PID控制器的误差在1.0 km·h-1以内; 采用提出控制器得到的停车误差在0.3 m以内, 而模糊PID控制器的停车误差在1.5 m以内; 提出的控制器满足高速动车组运行过程中停车误差小于0.3 m的要求。      

网络控制系统的时延估计和自适应预测控制

提出了基于最小二乘支持向量机（LS-SVM）的网络时延预估网络控制系统（NCS）的自适应预测控制方法．先将网络时延转化为非线性时间序列，再用径向基函数（RBF）作为LS-SVM的核函数，建立NCS的时延预测模型．用通过该模型预测的时延设计自适应控预测制器，补偿和控制NCS的时延．仿真结果表明，该时延预测方法对NCS的随机时变时延有较高的预测精度，根据预测的时延设计的控制器能使系统的输出很好地跟踪期望的输出．     

一种改进型自抗扰控制器在船舶电力推进中的应用

为了解决船舶电力推进中转子磁场定向矢量控制定子电压方程中耦合项的影响,获得更好的动态性能和鲁棒性,本文提出了一种改进型自抗扰控制器,对自抗控制器典型结构做了一定的简化,并将其应用于船舶电力推进中的异步电机转子磁场定向矢量控制,实现了船舶电力推进中的异步电机磁链和转矩的快速调节。仿真结果表明,该控制系统具有优异的动态控制性能,而且参数鲁棒性较强。     

Delay Restoration of Single-Track Railway Rescheduling

On the basis of analysis of the principle of delay restoration in a disturbed schedule, a heuristic algorithm for rescheduling trains is developed by restoring the total delay of the disturbed schedule. A discrete event topologic model is derived from the original undisturbed train diagram and a back propagation analysis method is used to label the maximum buffer time of each point in the model. In order to analyze the principle of delay restoration, the concept of critical delay is developed from the labeled maximum buffer time. The critical delay is the critical point of successful delay restoration. All the disturbed trains are classified into the strong-delayed trains and the weak-delayed trains by the criterion of the critical delay. Only the latter, in which actual delay is less than its critical delay, can be adjusted to a normal running state during time horizon considered. The heuristic algorithm is used to restore all the disturbed trains according to their critical details. The cores of the algorithm are the iterative repair technique and two repair methods for the two kinds of trains. The algorithm searches iteratively the space of possible conflicts caused by disturbed trains using an earfiest-delay-first heuristics and always attempts to repair the earliest constraint violation. The algorithm adjusts the weak-delayed trains directly back to the normal running state using the buffer time of the original train diagram. For the strong-delayed trains,the algorithm uses an utility function with some weighted attributes to determine the dynamic priority of the trains, and resolves the conflict according to the calculated dynamic priority. In the end, the experimental results show that the algorithm produces ＂good enough＂ schedules effectively and efficiently in disturbed situations.     

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交通事件是引发快速路交通延误的主要因素,迅速、有效的检测事件是快速路交通管理与控制的重要组成部分。本文利用CUSUM理论提出了基于浮动车数据的城市快速路交通事件自动检测算法;通过采集北京市快速路上的真实事件信息以及浮动车探测数据,对不同采样间隔条件下的算法性能进行了实际验证,并与传统的基于浮动车数据的UCB算法验证结果进行了对比分析。结果表明：所提算法在采样间隔为1分钟条件下的检测性能要优于采样间隔为5分钟条件下的检测性能;相对于UCB算法而言,所提算法的检测性能大大提高,在同一误报率条件下检测率可提高10%左右。     

相邻双交叉口的三级模糊协调控制算法分析

提出一种相邻双交叉口三级模糊协调控制的算法,并通过遗传算法对模糊控制器各参数的隶属度函数顶点进行优化,设计实现相邻双交叉口协调控制的三级模糊协调控制器。通过使用MATLAB7．1进行编写仿真程序,在不同到达率情况下进行仿真,并且与传统单交叉口模糊控制方法进行比较。仿真结果表明,三级模糊协调控制可以有效减少相邻双交叉口车辆的平均延误。     

考虑时滞作用下的车辆主动座椅悬架鲁棒H∞控制

利用鲁棒H∞控制理论为车辆座椅悬架模型设计输出反馈控制器,并且考虑了模型的不确定性和控制输入的时滞问题.建立了车辆座椅的三自由度运动微分方程,并转化为包括参数变化和控制延迟的状态方程和包括控制指标在内的控制模型.分析了系统可通过输出反馈鲁棒镇定的充分条件,并将该充分条件转化为线性矩阵不等式（LMI）问题,通过Matlab求解出用LMI构造的输出反馈控制律.建立仿真模型并以白噪声作为路面激励与被动控制、PID控制对比验证了在路面输入扰动作用下鲁棒控制器的有效性.     

分数时滞DAHLIN数字调节器

本文提出了基于分数时滞概念的Dahlin数字调节器,解决了Dahlin算法的分数时滞控制问题。通过引入分数时滞整定参数γ,实现了不稳定逆系统的控制,这不仅可以准确地描述纯时滞过程,而且可将高阶过程合理地简化为低阶分数时滞模型,提高了系统的控制品质。文中给出的仿真例子对所得的结论进行了验证。     

分数阶干扰观测器在电机调速系统中的应用

针对交流电机调速系统是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,电机参数的变化、非线性、不确定性等因素不仅引起转矩脉动和误差,同时也引起线性PI控制器性能下降的特点,提出了一种PI控制和分数阶干扰观测器相结合的控制方法．这种方法通过构造分数阶干扰观测器来预测该结构系统中的各种干扰,并根据预测到干扰信息进行补偿以抑制干扰对系统的影响．仿真实验表明,这种控制方法具有较强的适应性和稳定性．     

船舶航向非线性系统的输出反馈鲁棒控制

考虑船舶航向控制系统模型中存在非线性，假设模型参数和外界干扰有界的情况下，首先利用Lyapunov稳定性模型，提出了一种状态反馈鲁棒控制新算法的自动舵设计，进而考虑到实际船舶上，在进行航向控制时，并不是所有船舶运动状态都是可测的，仅有航向是可测的，采用一种高增益状态观测器对状态进行重构，提出了输出反馈鲁棒控制自动舵设计，以大连海事大学远洋实习船“育龙轮”为例，进行了输出反馈鲁棒控制自动舵设计，并利用Matlab工具箱进行了仿真研究，结果证明该算法是十分有效的。     

LQR-GA Controller for Articulated Dump Truck Path Tracking System

This paper designs a novel controller to improve the path-tracking performance of articulated dump truck(ADT). By combining linear quadratic regulator(LQR) with genetic algorithm(GA), the designed controller is used to control linear and angular velocities on the midpoint of the front frame. The novel controller based on the error dynamics model is eventually realized to track the path high-precisely with constant speed. The results of simulation and experiment show that the LQR-GA controller has a better tracking performance than the existing methods under a low speed of 3 m/s. In this paper, kinematics model and simulation control models based on co-simulation of ADAMS and Matlab/Simulink are established to verify the proposed strategy. In addition, a real vehicle experiment is designed to further more correctness of the conclusion. With the proposed controller and considering the steering model in the simulation, the control performance is improved and matches the actual situation better. The research results contribute to the development of automation of ADT.     

基于线性矩阵不等式的船舶动力定位滑模控制

为了解决具有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统的控制问题, 提出了一种基于线性矩阵不等式的滑模控制算法; 将跟踪误差设计为滑模函数, 设计线性矩阵不等式, 求解状态反馈增益; 基于二次型Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性; 设计切换函数, 使系统对不确定性和外加干扰具有较强的鲁棒性, 避免出现抖振现象; 对基于线性矩阵不等式的滑模控制器进行仿真, 计算出动力定位船舶在无扰动的匀速运动和有外界环境扰动的变速运动2种不同情况下的前进速度、横荡速度、艏向角速度、前进加速度、横荡加速度、艏向角加速度、前进控制力、横荡控制力和艏向控制力矩等; 分析了状态反馈增益线性矩阵、边界层、切换项增益等参数对控制性能的影响。研究结果表明: 采用基本滑模控制使前进速度达到期望值所需的上升时间为29s, 而新算法为15s, 节约了48.28%;采用基本滑模控制使横荡速度达到期望值所需的上升时间为24s, 而新算法为14s, 节约了41.67%;采用基本滑模控制使艏向角速度达到期望值所需的上升时间为13s, 而新算法为10s, 节约了23.08%。可见, 设计的控制器对有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统都具有较强的鲁棒性, 具有控制输入连续、控制抖振小、不存在过高增益等特点。