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带有非线性干扰补偿的ADP控制方法及在风机变桨控制的应用

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 课题研究现状

1.2.1 ADP方法的研究现状

1.2.2 风机变桨控制的研究现状

1.3 本文研究难点与研究内容

第2章 带有非线性干扰补偿的ADP控制方法

2.1 引言

2.2 带有非线性干扰最优控制问题的描述与分析

2.3 模型参数已知的带有前馈干扰补偿的线性Policy迭代控制

2.3.1 LQG控制与模型线性化

2.3.2 线性Policy迭代算法

2.4 模型参数未知的带有前馈干扰补偿的线性ADP在线Policy迭代控制

2.4.1 模型参数未知的线性ADP在线Policy迭代控制

2.4.2 扰动Policy的选取

2.5 模型参数未知的带有前馈干扰补偿的非线性ADP在线Policy迭代控制

2.5.1 模型参数未知的非线性ADP在线Policy迭代控制

2.5.2 非线性系统扰动Policy的选取

2.6 模型结构未知的GS-ADHDP控制

2.6.1 GS-ADHDP方法设计

2.6.2 收敛性分析

2.7 本章小结

第3章 风机系统建模与风机变桨的ADP控制万法

3.1 风机系统建模

3.1.1 风轮气动模型

3.1.2 两体传动链模型

3.1.3 风的湍流模型

3.2 风机变桨最优控制问题

3.3 风机变桨的带有干扰补偿的ADP控制方法

3.3.1 风机变桨的带有前馈干扰补偿的线性ADP在线Policy迭代控制

3.3.2 风机变桨的带有前馈干扰补偿的非线性ADP在线Policy迭代控制

3.3.3 风机变桨的GS-ADHDP控制

3.4 本章小结

第4章 风机变桨的带有干扰补偿的ADP控制仿真实验

4.1 湍流、风轮气动与模型线性化仿真实验

4.1.1 湍流仿真实验

4.1.2 风轮气动仿真实验

4.1.3 风机模型的线性化仿真实验

4.2 风机变桨的ADP控制仿真实验

4.2.1 模型参数已知的风机变桨线性Policy迭代控制仿真

4.2.2 模型参数未知的风机变桨线性ADP在线Policy迭代控制仿真

4.2.3 风机变桨的带有前馈干扰补偿的非线性ADP在线Policy迭代控制仿真

4.2.4 Policy迭代方法的对比实验

4.3 风机变桨的GS-ADHDP控制仿真实验

4.3.1 RM算法与DL-RM算法收敛速度的比较

4.3.2 带有前馈干扰补偿的非线性ADP在线Policy迭代控制与GS-ADHDP控制的对比实验

4.4 讨论与结论

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

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摘要

带有非线性干扰的最优控制问题是由风机变桨控制问题提炼出来的。由于最优控制问题中带有非线性较强的随机干扰,使用近似动态规划(Approximate DynamicProgramming,ADP)方法求解该问题遇到了困难。一方面,用于确定性问题的反馈控制在线Policy迭代方法难以直接求解该问题。另一方面,用于随机性的Markov DecisionProcess(MDP)问题的Action-Dependent Heuristic Dynamic Programming(ADHDP)方法的在线学习无法收敛。
  针对上述的问题,本文研究了带有非线性干扰补偿的ADP控制方法。主要工作有
  (1)设计带有前馈干扰补偿的Policy迭代控制器。将带有非线性干扰的最优控制问题分为确定性的最优控制问题和干扰补偿问题。针对确定性的最优控制问题设计Policy迭代控制器。具体来说,针对模型参数未知的Linear Quadratic Regulator(LQR)问题,设计了带有前馈干扰补偿的线性ADP在线Policy迭代控制;针对模型参数未知的非线性问题,设计了带有前馈干扰补偿的非线性ADP在线Policy迭代控制。
  (2)针对带有随机干扰的模型结构未知的系统,设计GS-ADHDP(Gain-SchedulingAction-Dependent Heuristic Dynamic Programming)控制器。该方法基于干扰补偿方法,将以干扰为自变量的GS函数作为预先知识嵌入到ADHDP的执行网络中。在一定条件下,分析了由GS-ADHDP方法推广的随机多网络在线学习系统的收敛性。
  (3)建立了基于动量叶素气动理论WECS(Wind Energy Conversion System)风机模型和带有湍流扰动的风机变桨最优控制问题模型。通过对问题的分析和简化,分别将带有前馈干扰补偿的线性ADP在线Policy迭代控制、带有前馈干扰补偿的非线性ADP在线Policy迭代控制和GS-ADHDP控制用于风机变桨最优控制问题。
  (4)使用Matlab软件进行了风机变桨的线性离线方法和ADP控制方法的仿真实验和对比实验。对比实验表明,在线ADP方法比离线方法更好的实现了控制目标;非线性ADP方法比线性ADP方法更好的实现了控制目标并降低了载荷;带有前馈干扰补偿的非线性ADP在线Policy迭代控制比GS-ADHDP控制更好的实现了控制目标。

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