MATLAB系统辨识工具箱在系统控制设计中的应用

以一个双输入单输出温度控制系统为例,详细叙述应用系统辨识工具箱进行建模、仿真和设计控制系统的过程,包括控制对象的辨识数据采集、模型估算、控制器设计和系统仿真等.重点介绍了系统辨识工具箱图形用户界面的使用方法.     

基于Matlab和Simulink的直线运动系统参数辨识实验

系统参数辨识是控制系统分析、设计的重要依据。针对直线运动控制系统设计了参数辨识实验。建立了被控对象的数学模型,使用Simulink软件开发了基于正弦扫频信号的系统参数辨识方案。通过自动代码生成技术,将系统辨识程序下载到运动控制卡上进行模型参数辨识实验,并连续记录实验数据。在Matlab环境下,利用多元线性回归函数进行模型参数辨识。采用Simulink对辨识的模型的动态特性进行控制仿真,并与实验结果进行对比。实验表明,基于Matlab和Simulink的直线运动控制系统参数辨识实验操作简便、可靠,有利于学生加深对模型辨识理论的理解并提高工程应用能力。     

自适应非线性FIR主动噪声控制

针对非线性主动噪声控制系统的非高斯噪声问题,利用Hammerstein/Wiener模型思想简化Volterra滤波器,提出基于函数映射的非线性FIR主动噪声控制器.给出基于二阶Renyi误差熵和均方误差加权和的广义滤波-X梯度下降算法,实现自适应非线性主动噪声控制,并分析了控制算法的收敛性.该方法综合了信息熵和均方误差对误差信息的优势,结构简单且学习参数少.仿真结果表明了该方法的有效性.     

改进型PID风电场功率控制系统的设计

现有风电场功率控制系统存在响应速度慢与控制误差大的缺点,提出一种改进型PID算法用于风电场功率控制,从现有实际运行的风电场SCADA系统中采集大量数据,利用辨识工具做模型辨识,根据最小二乘解算法得出传递函数,在Matlab中构建试验模型,采用比例、微分先行控制,积分后行,得出理想性能PID控制器.将仿真参数实际应用到风电场功率控制系统中.结果表明,该系统响应速度快,控制精度高,具有较强实际应用价值.     

基于无功功率模型的异步电机矢量控制系统转子时间常数辨识

针对异步电机矢量控制系统受电机参数变化影响大的问题,采用模型参考自适应系统(MRAS)在线辨识电机转子时间常数.为了增强辨识方法对定子电阻的鲁棒性,提高辨识精度,根据转子磁链模型构造无功功率模型建立MRAS,采用Popov超稳定性理论设计自适应规律,得到基于无功功率模型的转子时间常数辨识方法,抑制定子电阻变化对辨识精度的影响,将该转子时间常数辨识方法应用于异步电机矢量控制系统.仿真结果证明:MRAS有效地提高了矢量控制系统性能,转子磁链轨迹趋于圆形,电流谐波分量明显减少;转子磁链观测误差明显降低,其平均绝对误差相对值为2.87%;转矩脉动大大降低,其平均绝对误差相对值为2.09%.     

冷带轧机轧制负载扰动的辨识及速度控制

为了抑制高速冷轧机直流调速系统未知轧制外扰(负载力矩)对冷轧机速度控制系统造成的不利影响,对其轧制负载扰动进行了辨识.并根据所辨识的负载扰动值设计了带有前馈扰动补偿控制的速度控制系统,仿真结果表明所设计的速度控制系统有效地改善了系统的动、静态性能.     

导电聚合物驱动器的系统辨识和运动控制

基于导电聚合物具有生物相容性、低电压驱动且可在空气和流体中使用等优点,采用导电聚合物制作弯曲驱动器,并建立实验系统对其运动位移进行测量并进行控制研究。首先,为了建立导电聚合物驱动器控制系统传递函数模型,分别采用最小二乘离线辨识和神经网络在线辨识方法,对驱动器建立准确的二阶数学模型。其次,根据系统辨识模型建立驱动器系统逆模型,并对开环逆模前馈控制进行研究。最后采用逆模前馈PID控制方法对驱动器进行精确运动控制,并与传统PID控制的控制性能进行比较。实验结果表明:逆模前馈PID控制具有很高的控制精度和鲁棒性。     

无速度传感器永磁同步电机预测电流控制策略

针对传统控制中电流环采用PI调节器存在的延时,基于永磁同步电机数学模型推导无差拍预测电流控制模型,利用预测电流控制提高系统暂、稳态性能.在此基础上,针对预测电流控制对于电机参数变化高敏感性的特点以及机械传感器测速成本高、精度低的问题,引入鲁棒因子,并利用波波夫稳定理论推导了控制系统模型参考自适应转速估算模型,设计了无速度传感器永磁同步电机预测电流控制系统.搭建控制系统Matlab仿真模型和电机对拖实验平台,仿真与实验结果的一致验证了所采用控制策略的有效性,表明该系统具有较高的转速辨识精度以及良好的动稳态特性.     

磁悬浮系统的电流控制方法

为了提高磁悬浮系统的响应速度与响应精度,综合时间最优控制、变结构控制及系统辨识理论,设计了三步电流控制法,即采用时间最优控制来获得电流最快速响应.根据跟踪误差,采用变结构控制来精确地跟踪理想电流,最后在线辨识得到线圈参数并计算出维持理想电流的最终控制电压.同时,推导了电流响应速度与控制系统硬件的约束关系.磁悬浮小球电流跟踪、阶跃响应以及幅频特性的实验表明,该算法能使系统在最短时间内精确地响应输入电流,不仅增加了系统带宽,改善了系统性能,而且还可以应用到其他电流控制场合.     

动力调谐陀螺仪模型快速开环辨识

为了实现对动力调谐陀螺仪闭环测量系统的快速设计,建立了参数模型辨识系统,对激励信号设计、模型类结构选择、参数估计算法等问题进行研究.首先依据惯性元件的特点,设计了适宜于动力调谐陀螺仪测试的多正弦激励信号,然后基于外加输入自回归（ARX）模型,采用预报误差法辨识得到模型参数,最后针对某型号动力调谐陀螺仪设计实验进行验证,并与传统扫频法建模得到的结果进行对比.结果表明：模型辨识时间由2 000,s缩短为20,s,辨识拟合度由92.5%提高到95.3%.与传统扫频法相比,通过多正弦激励、ARX模型和预报误差法进行陀螺模型辨识可得到更高的辨识精度、抗噪声能力和辨识效率,为快速设计闭环系统提供了可靠的依据.     

基于支持向量机的非线性逆控制及仿真研究

针对逆系统方法中非线性逆模型辨识困难的问题,研究了基于支持向量机(SVM)的逆模型辨识及控制,提出了一种SVM逆模型与PID结合的复合控制系统.由SVM辨识非线性系统的逆模型作为前馈控制器,形成直接逆控制.同时,由PID控制器构成反馈控制,克服直接逆控制鲁棒性不强的缺陷.仿真研究表明,SVM的逆模型辨识能力强,该复合控制系统具有比直接逆控制更优的控制性能和鲁棒性.     

基于ADACD的新型辨识器及其模型参考自适应控制

将控制依赖自适应评估设计引入到非线性系统的辨识中,以寻求最佳模型.定义一个总评估函数表示系统在所历经时间内的辨识总误差,然后构造一个评估网络来近似逼近这个总评估函数.再构造一个辨识器网络,其输出直接作为评估网络的输入,这样通过最小化评估网络的输出就可以达到寻求最佳模型的目的.辨识器的参数修正原则不再是使当前时刻的辨识误差最小化,而是使评估网络的输出最小化,即使系统在所历经时间内的近似辨识总误差最小化,这样不仅大大加快了收敛速度而且取得了更加精确的辨识效果.在获得对象模型之后,还研究了利用神经网络设计模型参考自适应控制器的方法.仿真结果表明,利用这种新型辨识器设计的模型参考自适应控制器能够保证被...     

基于参数辨识的永磁同步电机控制系统的设计

在电机参数未知的永磁同步电机控制系统设计中,为提高控制性能,需要对电机参数进行辨识. 利用Popov稳定性定理对辨识系统的自适应率进行了设计;针对逆变器的死区效应,选用旋转坐标法对辨识器的输入电压进行补偿,通过辨识得到的电机电阻和dq轴电感参数. 在此基础上,建立电机的数学模型并运用工程设计方法对电机控制器的参数进行设计. 实验结果表明采用补偿后的电压进行参数辨识得到的电机参数要更加准确,并且基于电机数学模型进行控制器参数的设计能够减少控制器参数调试的工作量和时间,最终得到的电机控制系统具有较优的动态性能.      

船舶航向/横摇鲁棒容错控制研究

为提高船舶航向/横摇控制系统的可靠性,改善系统故障情况下的容错控制效果,采用基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒容错控制方法,对船舶航向/横摇系统进行容错控制研究.建立船舶航向/横摇耦合运动模型,分析故障导致的模型等效不确定性,通过定义广义干扰,将模型变换为适合于H2/H∞鲁棒容错控制设计的标准模型.设计系统的性能评价指标,求解鲁棒容错控制器,并进行仿真验证.结果表明,船舶航向/横摇鲁棒容错控制系统具有良好的容错性能.     

MRAC异步电动机直接转矩控制系统转速辨识研究

针对异步电动机直接转矩交流调速系统的转子转速辨识问题,文章分析和研究了模型参考自适应控制(MRAC)速度辨识算法.在对异步电动机转子转速和磁链观测深入研究的基础上,基于超稳定性理论证明了该算法的稳定性,构建了模型参考自适应速度辨识系统并设计了该算法的自适应率;在MATLAB7.04软件平台上,建立了无速度传感器直接转矩控制系统的仿真模型并进行了仿真,仿真试验结果表明,该系统控制性能和精度良好,验证了算法的正确性和可实践性.     

液粘测功机系统辨识研究

为了改进液粘测功机的性能,设计液粘测功机的电液控制系统时希望得到液粘测功机准确的数学模型.利用系统辨识方法研究了液粘测功机系统的动态特性,首先辨识出线性子系统的模型,然后考虑系统的非线性,采用二阶无记忆非线性增益的Hammerstein模型对线性辨识结果进行了校正,得到了液粘测功机系统动态特性的传递函数,并用试验数据加以验证.试验结果表明,辨识模型可以较好地表征液粘测功机系统的特性.     

带摩擦补偿的滚珠丝杠副进给系统自适应滑模控制

为了提高滚珠丝杠副进给系统的跟踪性能,采用了带摩擦补偿的自适应滑模控制方法.基于滚珠丝杠副进给系统轴向振动特性建立了两自由度的质量模型,根据模型的状态方程设计了系统的反演滑模控制器,考虑到外界干扰的影响设计了带自适应律的自适应滑模控制器.采用基于Stribeck摩擦模型的摩擦补偿方法和遗传算法对滚珠丝杠副进给实验台的Stribeck摩擦模型进行了参数辨识.采用建立的控制方法在实验台上进行了轨迹跟踪实验.实验结果表明:在没有使用摩擦补偿情况下自适应滑模控制器最大跟踪误差为31.85μm;使用带摩擦补偿的自适应滑模控制器,其最大跟踪误差减小为15.55μm.实验结果证明了针对滚珠丝杠副进给系统轴向振动特性模型设计的自适应滑模控制器具有较高的跟踪性能,并且采用带摩擦补偿的自适应滑模控制方法显著提高了滚珠丝杠进给系统的跟踪精度.     

变质心自旋弹头的建模及自适应滑模控制

对自旋弹头实现末端机动的变质心控制系统进行了研究.为了明确表示自旋弹头的运动参数与质量块运动参数之间的关系,采用牛顿力学方法建立自旋弹头的姿态运动模型.模型包括质量块运动方程、姿态运动的运动学方程和动力学方程.考虑到俯仰和偏航通道的动力学特性为非线性的、铰链耦合的,采用自适应滑模控制方法设计了变质心控制系统,对系统中的不确定项进行估计和补偿,保证系统的跟踪误差收敛到零.变质心控制系统通过对质量块的偏移运动进行控制,进而准确地控制自旋弹头的姿态运动.为了检验所设计的变质心控制系统的控制性能,利用MATLAB/Simulink软件构建系统的仿真模型,进行仿真研究.仿真结果表明:所设计的变质心控制系统具有较高的快速性和控制精度,实现了对自旋弹头姿态角的准确控制.     

参数不确定混沌系统的自适应Backstepping控制

针对一个新的参数不确定混沌系统,提出基于误差补偿的自适应Backstepping控制方法.通过在每一步虚拟控制设计中增加一个误差补偿项,补偿未知误差动态对系统的影响,获得更加平稳的混沌镇定过程,并提高参数辨识的速度.同时,基于Lyapunov定理给出严格的理论推导,证明混沌控制系统中所有信号的一致有界性.对比仿真结果表明,该方法具有更好的瞬时响应.     

液压弯辊控制系统的建模及辨识

通过分析液压弯辊控制系统的结构,给出了系统各个环节的传递函数,建立了液压弯辊控制系统的传递函数.针对理论模型中参数难以确定的问题,以某四辊冷轧机为对象设计了系统辨识方案,采用自回归历遍(auto regressive exogenous,ARX)模型辨识出液压弯辊控制系统模型.辨识的输入和输出数据分别为弯辊闭环系统的弯辊油压给定值和弯辊油压实际值,模型参数估计采用最小二乘法.通过残差分析检验了模型的有效性,结果表明:辨识模型的输出响应能很好地反映实际系统的动态输出特性,并具有较高的精度,证明ARX辨识算法对于弯辊系统的辨识是可行的.