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北京科技大学学报 2008年第4期30卷 452-460页

作者：廖福成刘贺平北京科技大学应用科学学院北京100083 北京科技大学信息工程学院北京100083

研究了一类具有状态时滞的多采样率离散时间控制系统,对这类系统给出了一种最优预见控制器的设计方法.首先利用离散时间系统提升技术,把所研究的系统转化成单一采样的扩大系统;然后利用构造扩大误差系统的方法引入积分器;再对扩大误差... 详细信息

研究了一类具有状态时滞的多采样率离散时间控制系统,对这类系统给出了一种最优预见控制器的设计方法.首先利用离散时间系统提升技术,把所研究的系统转化成单一采样的扩大系统;然后利用构造扩大误差系统的方法引入积分器;再对扩大误差系统应用通常的线性二次型最优预见伺服系统设计方法设计控制器,从而得到原系统的最优预见控制器.同时还对扩大误差系统的能控性和能观测性进行了讨论,并通过数值仿真说明了控制器的有效性.

关键词：预见控制多采样率数字控制系统离散提升技术代数Riccati方程伺服系统时滞系统

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倒摆的多速率最优调节器设计

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西南交通大学学报 2002年第3期37卷 281-285页

作者：张友刚孙忠国肖建西南交通大学电气工程学院四川成都610031

给出一种多速率最优调节器的时不变单速率设计法 ,采用“提升”技术 ,把多速率系统的设计问题转变成了单速率系统的设计问题。采用这种方法对控制界的一个典型问题———倒摆小车的控制问题进行了研究。

关键词：设计最优化算法最优调节器采样系统多速率系统倒摆小车单速率系统多采样率数字控制系统

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电力牵引控制系统多采样率参数辨识与状态估计方法研究

电力牵引控制系统多采样率参数辨识与状态估计方法研究

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作者：王嵩西南交通大学

学位级别：博士

电力牵引系统是铁路机车的动力来源,为满足铁路系统的发展,目前机车电力牵引采用高性能的交流调速技术,因此高性能的矢量控制方法及直接转矩控制方法成为电力牵引传动系统的首选。感应电机无速度传感器控制增加了系统的鲁棒性并能降低... 详细信息

电力牵引系统是铁路机车的动力来源,为满足铁路系统的发展,目前机车电力牵引采用高性能的交流调速技术,因此高性能的矢量控制方法及直接转矩控制方法成为电力牵引传动系统的首选。感应电机无速度传感器控制增加了系统的鲁棒性并能降低成本。电力牵引控制系统目前需解决的关键问题有粘着控制、牵引电机实时的状态估计及重要参数的实时辨识等。不同于传统的数字系统中对所有信号采用同步等间距采样的策略,多采样率系统中可以对系统中不同信号采用不同的采样策略。输入多采样率控制系统通过增加输入采样速率,增加了数字控制器的控制能力,可以实现许多单采样系统不具备的控制功能；输出多采样率使得控制器能获得更多被控对象的信息,使控制系统有更强大的控制能力。随着电机运行工况的不同,电机参数值会发生变化。转子时间常数是矢量控制感应电机系统中最敏感的重要参数,同时其准确性在很大程度上影响牵引控制系统的性能。针对电机的转子时间常数难以测量且随时间变化的情况,利用多采样率控制系统具有传统单采样率控制系统更强的控制性能等特点,将多采样率方法与MRAS方法相结合,提出了基于多采样率MRAS的转子时间常数参数辨识方法。在硬件在环试验系统中进行实时实验,并与传统MRAS的参数辨识结果进行了对比。结果表明,多采样率MRAS能实时对参数进行辨识,得到了满意的效果。感应电机状态估计的精度直接影响电机系统性能,同时状态估计值中包含的噪声会影响电机系统正常运行。针对这个问题,将多采样率控制理论与传统的扩展Kalman滤波(EKF)状态估计方法结合,提出了电机状态估计的多采样率EKF方法,分别得到了输入多采样率EKF方法及输出多采样率EKF方法。通过硬件在环试验系统进行了试验,通过对比输入多采样率EKF与不同帧周期下EKF算法对于感应电机状态估计的性能,表明多采样率EKF方法是一种适合实时应用的电机状态估计方法,同时算法能有效消除噪声、提高状态估计性能,并能降低成本。相对于EKF方法,强跟踪滤波方法(STF)具有更强的关于模型不确定性的鲁棒性和关于突变状态的跟踪能力的特点。针对机车电力牵引系统中牵引电机负载转矩的变换较快的问题,提出了基于多采样率STF的状态估计方法。通过扩展建立的电力机车单轴单电机模型,得到了与真实机车对应的多轴多电机的电力机车模型,通过与机车真实空转特性的对比验证了模型准确性。通过建立的电力机车多轴模型进行仿真试验,采用多采样率STF方法对发生空转的轮对的牵引电机进行状态估计,得到了良好的状态估计性能。电力机车的牵引和制动依赖于其轮轨间的粘着,若牵引力或制动力大于轮轨间可用粘着力,则会出现空转或滑行,制约牵引力或制动力的发挥,同时也会造成轮轨擦伤、轮箍发热损坏、甚至脱轨等安全隐患。电力机车采用粘着控制的方法提高机车的粘着力,而粘着控制的前提是空转或滑行状态的快速识别。为得到及时准确且迅速的空转识别,基于电力牵引系统中电气量响应速度远快于其机械量的思想,针对目前广泛用于电力机车粘着控制系统中的利用轮轴转速等机械量识别空转的方法的不足,首次提出了完全基于电气量的空转识别方法。通过某型电力机车反复空转过程中采集的大量数据和多采样率EKF牵引电机负载转矩方法,建立了基于电气量的空转识别规则。通过建立的模型进行了试验,结果表明：与传统的利用转速等机械量空转识别方法相比,该规则的应用大大降低了空转识别时间,避免了因空转导致的牵引力大幅丢失,提高了粘着控制系统的性能和电力机车的牵引效率。

关键词：电力机车牵引电机状态估计参数辨识扩展卡尔曼滤波器强跟踪滤波器多采样率数字控制系统空转识别

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基于非线性估计理论的线控转向汽车状态估计研究

基于非线性估计理论的线控转向汽车状态估计研究

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作者：周聪西南交通大学

学位级别：博士

为了解决汽车的行车安全性问题,自上世纪90年的开始,随着计算机控制技术、智能信息处理技术的发展,汽车行业开始不断引入新的信息技术,逐步提高汽车的操作稳定性和主动安全性。汽车转向系统的性能直接影响汽车的操作稳定性,相对于传统... 详细信息

为了解决汽车的行车安全性问题,自上世纪90年的开始,随着计算机控制技术、智能信息处理技术的发展,汽车行业开始不断引入新的信息技术,逐步提高汽车的操作稳定性和主动安全性。汽车转向系统的性能直接影响汽车的操作稳定性,相对于传统机械结构的转向系统,匹配线控转向系统的汽车具有更加灵活转向特性。通过线控转向系统的各种控制策略,可以实现汽车主动转向控制和汽车车身的电子稳定控制。而准确实时的获取汽车行驶中的关键状态,是实现这些控制策略的前提。由于汽车动力学控制过程的复杂性、现有车载传感器的测试水平和测试成本等多方面的影响,很多关键状态参数都无法直接、准确且低成本的测量。而随着汽车底盘电控系统集成化水平和复杂化程度提高,系统内部存在信号变化速率相差大、检测装置采样周期不同等情况。现有的单采样率非线性卡尔曼滤波算法在估计汽车状态过程中存在一定的局限性。因此,针对线控转向汽车的状态估计问题,本文将非线性估计方法与多采样率控制系统理论相结合,进行了如下几个方面的讨论和研究：首先,对线控转向系统的基本结构、工作原理、控制策略和性能特点做了深入的调查和分析。在此基础上,对线控转向系统的各个组成部分进行了的数学建模研究,引入了***驾驶员模型、Pacejka轮胎模型,并建立了十一自由度汽车整车模型。由此搭建了人—车闭环系统。通过Carsim专业汽车动力学软件与Matlab/Simulink软件联合仿真平台,结合线控转向系统的相关控制策略,参照国标设置了虚拟汽车操稳性试验,仿真结果验证了所建立整车模型的有效性。其次,扩展卡尔曼滤波算法是一种有效的非线性汽车状态估计算法,但其存在两大缺陷：(1)对汽车参数变化的鲁棒性较弱；(2)对汽车突变状态的跟踪能力欠佳。为了弥补这些缺陷,提出了基于强跟踪滤波算法的汽车状态估计方法,有效地提高了对于汽车突变状态的估计能力和参数变化的鲁棒性。此外,多重渐消因子矩阵在原强跟踪滤波算法中的作用方式可能破坏误差协方差阵的对称正定性,导致滤波算法的发散。针对此种情况,提出了基于Cholesky三角分解的改进强跟踪滤波算法。仿真结果表明：对于多重次优渐消因子矩阵初值的选取,改进强跟踪滤波算法比原强跟踪滤波算法鲁棒性更强,且算法也更稳定。再者,尽管卡尔曼滤波算法在汽车状态估计中取得不错的效果,但是其性能受到模型精度与噪声统计特性是否已知等因素的影响。为此,利用基于虚拟噪声补偿技术的非线性自适应滤波算法和无迹卡尔曼滤波算法对汽车的行驶状态进行估计。在此基础上,提出了带渐消因子的非线性Sage-Husa自适应卡尔曼滤波算法,使滤波算法在估计汽车行驶过程中的过程噪声和量测噪声特性时,同样具有对突变状态的强跟踪特性。仿真结果表明,该算法不仅能估计系统过程噪声和量测噪声,还能准确的估计汽车行驶状态,且具有很强的跟踪突变状态的能力。在同等条件下,无迹卡尔曼滤波算法的估计精度要略高于扩展卡尔曼滤波算法的估计精度。最后,由于汽车底盘电控系统集成化水平和复杂化程度提高,系统内部存在信号变化速率相差大、检测装置采样周期不同等情况,单采样率数字控制策略已经不再适用此类系统的控制要求。为此,提出了基于输入和输出多采样率的汽车状态空间建模方法,该模型有效地增加了系统输入向量和输出向量的个数,能够获取更多的系统信息,并提高SBW系统的控制能力。在所建立的多采样率汽车状态空间模型的基础上,提出了基于输入多采样率无迹卡尔曼滤波算法。仿真结果表明,该算法比单采样率非线性估计方法的估计精度要高出37.8%～65.3%,而且算法也更稳定。

关键词：汽车动力学线控转向状态估计卡尔曼滤波器强跟踪滤波器无迹卡尔曼滤波器多采样率数字控制系统

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几种现代控制策略及其应用研究

几种现代控制策略及其应用研究

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作者：唐磊西南交通大学

学位级别：博士

该文中作者研究了以下三个方面的现代控制策略及其应用：1）预见控制：作者讨论预见控制在主动悬挂控制系统中的应用.提出的主动悬挂控制预见控制系统由在普通的基于二次型最优控制的主动悬挂控制系统上,增加能利用汽车未来路面信息的... 详细信息

该文中作者研究了以下三个方面的现代控制策略及其应用：1）预见控制：作者讨论预见控制在主动悬挂控制系统中的应用.提出的主动悬挂控制预见控制系统由在普通的基于二次型最优控制的主动悬挂控制系统上,增加能利用汽车未来路面信息的前馈补偿器构成.它可以大大地提高主动悬挂控制系统的性能.2）良好非线性控制：通过研究主动悬挂控制系统的良好非线性模型,构成了汽车主动悬挂的非线性控制系统.由于这种控制系统只需在日前较为广泛流行的最优控制的主动悬挂控制系统上,增加系统的非线性模型的线性补偿器,并略为改动相应的控制软件,即可实现,从而具有很强的实用价值.3）多采样率数字控制系统：通过采用函数空间的方法,并先后两次的提升（lifting）技术,构造出多采样率数字控制系统的函灵敏空间模型和相应的脉冲传递函数矩阵模型.在此基础上,对多采样率数字控制系统稳定性、零点及无纹波渐近跟踪、极点配置及同时极点配置等进行了研究.

关键词：非线性控制非线性模型多采样率数字控制系统函数空间模型函数矩阵模型

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一般目标信号和干扰信号下多采样率系统的最优预见控制器设计

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纯粹数学与应用数学 2008年第4期24卷 634-642页

作者：刘贺平廖福成北京科技大学信息工程学院北京100083 北京科技大学应用科学学院北京100083

针对目标信号和干扰信号为多项式的情形,研究了多采样率离散时间控制系统的最优预见控制问题.首先利用离散时间系统提升技术,把所研究的系统转化成单采样率的扩大系统.然后构造扩大误差系统,把问题转化为包含预见信号的最优调节问题.最... 详细信息

针对目标信号和干扰信号为多项式的情形,研究了多采样率离散时间控制系统的最优预见控制问题.首先利用离散时间系统提升技术,把所研究的系统转化成单采样率的扩大系统.然后构造扩大误差系统,把问题转化为包含预见信号的最优调节问题.最后利用最优预见控制理论的结果得到系统的最优预见控制输入,其中包含积分器和预见前馈补偿.本文还对扩大误差系统的能控性和能观测性和相应的代数Riccati方程的可解性进行了讨论.

关键词：预见控制最优控制代数Riccati方程伺服系统多采样率数字控制系统

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多采样率鲁棒控制系统研究

多采样率鲁棒控制系统研究

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作者：张友刚西南交通大学

学位级别：硕士

传统的单采样率数字控制系统的分析与设计都比较简单,但是在很多情况下,例如系统各处时间常数相差较大时,就不能再采用单速率系统,百必须采用多样率数字控制系统.该文讨论了多采样率数字控制系统的鲁棒性,给出了它的状态窨描述,并利用... 详细信息

传统的单采样率数字控制系统的分析与设计都比较简单,但是在很多情况下,例如系统各处时间常数相差较大时,就不能再采用单速率系统,百必须采用多样率数字控制系统.该文讨论了多采样率数字控制系统的鲁棒性,给出了它的状态窨描述,并利用这一状态方程研究了多休样率数字控制系统的鲁棒稳定判据、鲁棒极点为配置及最优状态调节器设计.第一章首先介绍多采样率数字控制系统的研究进展,并按系统中各采样点的采样同期之间的关系对其进行了分类.第二章给出了三类多采样率数字控制系统的状态方程描述.第三章讨论了输入多采样率数字控制系统的鲁棒稳定问题.第四章用输出反馈对输出多采样率数字控制系统进行了鲁棒极点配置,并说明了在这种输出反馈与状态反馈的等价性.第五章讨论了多采术率数字控制系统的最优状态调节器设计.第六章用研究人员所提出的方法对控制界的典型问题--倒立摆的稳定性问题进行了设计与仿真.

关键词：多采样率数字控制系统极点配置最优状态调节器

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磷酸铁锂电池建模及其荷电状态估计算法研究

磷酸铁锂电池建模及其荷电状态估计算法研究

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作者：林鹏峰西南交通大学

学位级别：硕士

锂电池自问世以来就以其良好的充放电性能且无记忆效应被广泛应用于手机、电动车或者其它电气设备。本文以磷酸铁锂电池作用研究对象,为深海作业机器的电池储能系统提供可靠及精确的荷电状态估计值(State of Charge, SOC),并将此估计值... 详细信息

锂电池自问世以来就以其良好的充放电性能且无记忆效应被广泛应用于手机、电动车或者其它电气设备。本文以磷酸铁锂电池作用研究对象,为深海作业机器的电池储能系统提供可靠及精确的荷电状态估计值(State of Charge, SOC),并将此估计值作为能量管理系统的重要动作指标。磷酸铁锂电池具有自放电现象弱、能量密度大和化学结构稳定等优点。由于锂离子脱嵌过程中,锂电池端电压稳定在3.2V附近,因此磷酸铁锂电池充放电特性曲线的中部存在非常长的平台期,而在充放电开始或者结束处其电压会突升或者突降,使得该特性曲线呈现强烈的非线性特征。计算荷电状态的普遍方法是利用安时积分法,该方法容易受到荷电状态初始误差和过程误差的干扰而使得估计值精确度降低。磷酸铁锂电池荷电状态值对电池能量管理系统的有效性起到关键作用,考虑到卡尔曼滤波算法可以很好降低初值误差和过程噪声对状态量估计值的影响,故将卡尔曼滤波算法应用于磷酸铁锂电池荷电状态估计过程中。由于卡尔曼滤波框架对模型精确度要求较高,因此本文基于Labview搭建电池性能测试平台,获得磷酸铁锂电池充放电数据,利用实验法提取SOC和电池等效电动势(Voltage of Open Circuit, Uoc)数据特征,使用Curvefit Toolbox对二者关系进行拟合并得到描述其非线性特征的函数表达式。根据实验数据,基于MATLAB/SIMSCAPE平台搭建二阶RC等效电路电池模型,以SIMSCAPE提供的Parameter Estimation Toolbox对等效电路中的RC参数进行估计,建立了与实际电池充放电特性匹配的等效电路模块。在已建立的磷酸铁锂电池RC等效电路基础上,建立相应的状态空间模型。使用扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter, EKF)对电池荷电状态进行估计,EKF估计结果可以很好地在荷电状态具有初始误差的情况将SOC估计值收敛于真值。针对深海探测器在加速时要求电池瞬时大功率放电而导致SOC突变的情况,采用强跟踪扩展卡尔曼滤波器(Strong Tracking Extended Kalman Filter, STEKF)实现电池的SOC估计,从而使得滤波器可以很好地跟踪荷电状态实际值。为增强STEKF算法稳定性,本文引入特征值分解对STEKF中的状态量先验估计值误差协方差阵计算方式进行修正,得到性能更好的滤波器。对于连续物理系统中各处信号变化速率不同的情况,本文利用多采样率控制策略对EKF和STEKF进行改进,经理论推导分别得到输入多采样率扩展卡尔曼滤波算法、输入多采样率强跟踪扩展卡尔曼滤波算法、输出多采样率扩展卡尔曼滤波算法和输出多采样率强跟踪扩展卡尔曼滤波算法。为验证以上叙述算法的有效性,本文NEDC (New European Driving Cycle)电动车实验放电序列考查了在采样倍率为2和4的情况下,算法的SOC估计精度。

关键词：磷酸铁锂电池卡尔曼滤波器强跟踪算法多采样率数字控制系统荷电状态估计

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多采样率EKF软测量在汽车状态估计中的应用

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电子测量与仪器学报 2012年第2期26卷 132-137页

作者：周聪肖建盛瀚民西南交通大学电气工程学院成都610031

由于多采样率数字控制系统具有许多单采样率数字控制系统所不具备的优点，在深入研究多采样率数字控制系统和EKF算法的基础上，提出一种基于输入多采样率EKF的软测量算法，并将其应用于汽车的横摆角速度、质心侧偏角和纵向车速的估计。... 详细信息

由于多采样率数字控制系统具有许多单采样率数字控制系统所不具备的优点，在深入研究多采样率数字控制系统和EKF算法的基础上，提出一种基于输入多采样率EKF的软测量算法，并将其应用于汽车的横摆角速度、质心侧偏角和纵向车速的估计。通过Carsim和Matlab／Simulinkl联合仿真与蒙特卡罗实验，结果表明该算法有利于获取更多的输入量信息，提高状态估计器的性能，比单采样率EKF算法的估计精度高10％～40％。

关键词：汽车动力学软测量状态估计多采样率数字控制系统卡尔曼滤波器

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多采样率控制技术及其应用研究

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课题来源与背景1、国家自然科学基金“多采样率数字控制系统分析与综合的新方法”(69774024)2、四川省应用基础研究计划项目“多采样率数字控制系统应用研究”(01GY051-24)3、四川省应用基础研究计划项目“基于多分辨率分析的模糊系统... 详细信息

标准号: 1100011063

课题来源与背景1、国家自然科学基金“多采样率数字控制系统分析与综合的新方法”(69774024)2、四川省应用基础研究计划项目“多采样率数字控制系统应用研究”(01GY051-24)3、四川省应用基础研究计划项目“基于多分辨率分析的模糊系统辨识及其应用研究”(05JY029-006-4)4、攀钢集团矿业公司委托项目“150t矿用机车双机电气重联工业应用研究”5、北京铁路局委托项目“接触网检测车”6.、兰州铁路局供电段委托项目“接触网巡检车改造”。技术原理及性能指标(1)从连续时间角度提出了新的多采样率控制系统分析与设计技术体系和非线性系统的多采样率模糊控制方法。(2)提出了交流电机多采样率直接转矩控制方法和多采样率EKF感应电机的转速估计算法，提高了调速控制系统性能。(3)采用多采样率控制系统的方法实现了矿山机车双机重联控制系统，使电机车的牵引能力成倍增加、运行坡度可达60‰的陡坡运输能力。(4)基于多采样率控制技术的车载铁路接触网在线检测系统，提高了接触网检测精度。技术的创新性与先进性(1)从连续时间角度提出了一个新的多采样率控制系统分析与设计技术体系和非线性系统的多采样率模糊控制分析与综合方法。(2)提出了一种交流电机多采样率直接转矩控制方法和多采样率EKF感应电机的转速估计算法。(3)基于多采样率数字控制的双机重联系统能充分发挥机车的牵引能力，解决矿山陡坡铁路运输问题。技术的成熟程度，适用范围和安全性基于多采样率控制技术的接触网在线检测系统和机车双机重联系统已经稳定运行于铁路供电网检测和矿山运输中，现场运行良好，安全可靠。在交通运输行业和自动化行业有广泛的应用前景。应用情况及存在的问题(1)基于多采样率控制技术的150t工矿电机车双机重联控制系统成功应用于攀钢集团矿业公司，提高了电机车的牵引能力。现场设备运行良好，大大提高了运输效率。(2)基于多采样率控制理论的铁路接触网在线检测技术成功应用于接触网检测系统中，设备运行稳定，性能可靠，现场反应良好。

关键词：多采样率数字控制系统在线检测系统接触网检测系统

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