基于滑模及K-滤波器的鲁棒自适应控制研究

论文摘要

近年来,随着控制理论研究的不断深入和诸如电力系统、生态系统、通讯系统和工业过程等大量实际系统的研究和应用的需要,人们对控制系统的性能要求越来越高。由于回滞、死区和时滞等因素的存在会造成系统的精度下降、振荡甚至造成系统的不稳定。因此对具有非线性输入、时滞的非线性系统的控制策略的研究具有重要的理论意义和应用价值。本文基于滑模控制原理及K-滤波器方法,研究了具有未知死区、时滞的非线性系统的几种自适应控制器的设计方案。全文主要研究内容如下:第一,针对一类具有死区非线性输入的SISO非线性系统,基于滑模控制原理,提出了一种稳定自适应模糊控制器设计的新方案。该方案通过使用积分型Lyapunov函数避免了反馈线性化方法中可能出现的控制器奇异性问题;同时,运用两阶段法构造两个Lyapunov函数,先确定出用于建模的有界闭区域,再证明跟踪误差收敛到零。通过理论分析,证明了闭环控制系统全局一致终结有界。第二,针对一类具有死区非线性输入的MIMO时变时滞系统,基于变结构控制原理,提出了一种稳定自适应控制器设计的新方案。该方案通过使用Lyapunov- Krasovskii泛函抵消了因未知时变时滞带来的系统不确定性;进一步,利用Young不等式和参数自适应估计取消了非线性死区输入模型和不确定项假设中各种参数均为已知的要求。通过理论分析,证明了闭环控制系统半全局一致终结有界,跟踪误差收敛到零的一个邻域内。第三,针对一类具有未知死区和高频控制增益符号的SISO非线性系统,利用I型模糊系统的逼近能力,提出一种鲁棒自适应输出反馈控制策略。该方案将Nussbaum增益技术融入到自适应Backstepping方法中,从而无需知道高频控制增益的符号;同时引入调节函数设计自适应律,避免了过参数化问题;进一步,利用Young不等式和参数自适应估计取消了死区模型参数和扰动项上界已知的要求。通过理论分析,证明了闭环控制系统半全局一致终结有界,跟踪误差收敛到零的一个邻域内。第四,针对一类具有未知死区和控制方向的非线性系统,基于I型模糊系统的逼近能力,提出了一种稳定自适应模糊输出反馈控制方案。该方案将动态面技术和输出反馈控制相结合,避免了过参数化问题,从而无需引入调节函数。通过理论分析证明了闭环控制系统所有信号半全局一致终结有界,且选取适当的设计常数,跟踪误差可收敛到一个小的邻域内。第五,针对一类状态不可测量的非线性互联时变时滞系统,提出了一种基于K-滤波器的自适应模糊输出反馈控制方案。由于系统状态不可量测以及互联子系统之间时滞耦合项的存在,增加了控制器设计的困难。该方案通过利用I型模糊系统的逼近能力、Backstepping设计方法以及引入K-滤波器和适当的Lyapunov- Krasovskii泛函,克服了这一困难。通过Lyapunov综合方法,证明了闭环控制系统半全局一致终结有界,跟踪误差收敛到零的一个邻域内。通过本文的研究,较好的解决了具有未知死区、时滞的不确定非线性系统的鲁棒自适应控制问题。仿真结果表明了所提控制方案的有效性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号说明与预备知识
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 非线性系统自适应控制研究现状
• 1.2.1 非线性控制研究
• 1.2.2 Backstepping 自适应控制研究
• 1.3 论文的主要内容
• 第二章 具有非线性输入的鲁棒自适应模糊滑模控制
• 2.1 引言
• 2.2 问题的描述及基本假设
• 2.3 模糊控制器的设计与分析
• 2.4 稳定性分析
• 2.5 仿真结果
• 2.6 结论
• 第三章 一类 MIMO 非线性时滞系统的鲁棒自适应控制
• 3.1 引言
• 3.2 问题的描述及基本假设
• 3.3 控制器设计
• 3.4 稳定性分析
• 3.5 仿真结果
• 3.6 结论
• 第四章 具有未知死区和高频控制增益符号的自适应输出反馈控制
• 4.1 引言
• 4.2 问题描述和基本假设
• 4.3 自适应模糊控制器的设计及稳定性分析
• 4.3.1 滤波器与观测器的设计
• 4.3.2 自适应模糊控制器的设计
• 4.3.3 稳定性分析
• 4.4 仿真结果
• 4.5 结论
• 第五章 基于动态面的自适应模糊输出反馈控制
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述和基本假设
• 5.3 自适应模糊控制器的设计及稳定性分析
• 5.3.1 滤波器与观测器的设计
• 5.3.2 自适应动态面控制
• 5.3.3 稳定性分析
• 5.4 仿真结果
• 5.5 结论
• 第六章 非线性时滞耦合系统的分散自适应模糊输出反馈控制
• 6.1 引言
• 6.2 问题描述和基本假设
• 6.3 自适应模糊控制器的设计及稳定性分析
• 6.3.1 滤波器与观测器的设计
• 6.3.2 自适应模糊控制器的设计
• 6.3.3 稳定性分析
• 6.4 仿真结果
• 6.5 结论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 进一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录