非线性系统的模糊鲁棒容错控制研究

论文摘要

本文研究了一类具有时滞、不确定性、外扰和故障等不良因素的复杂非线性系统的模糊鲁棒容错控制问题。将模糊控制、鲁棒控制、自适应控制和滑模变结构控制等先进控制方法有机结合,提出了多种稳定性控制和跟踪控制的有效方案,确保闭环系统的稳态及动态性能。首先讨论了一类输入及输出端存在外扰的变时滞T-S模糊系统的鲁棒输出反馈控制问题。基于时滞相关Lyapunov函数,将L∞鲁棒控制方法推广到时滞系统,利用线性矩阵不等式技术,提出静态输出反馈控制器的综合设计方法,并根据迭代算法对鲁棒性能进行优化,有效削弱持续有界扰动峰值对系统性能的不利影响。其次,文中针对故障系统提出了L∞鲁棒容错控制方案,分别保证T-S模糊系统在执行器或传感器发生故障时的动态及稳态性能受D域约束,并根据投射引理引入附加矩阵增加设计自由度,使得整个闭环系统不仅具有满意的鲁棒性和容错性,而且满足给定的稳态和动态性能要求。同时,针对执行器饱和的状态变时滞T-S模糊系统,通过时滞相关Lyapunov函数和状态椭球域约束,给出了系统稳定的不变集条件和模糊鲁棒耗散容错控制器存在的充分条件,为执行器故障非线性系统的无源控制和H∞控制建立了统一框架。为进一步消除安全隐患,文中针对更一般情形的T-S模糊广义系统设计了鲁棒集成容错控制器,保证执行器和传感器即使同时发生故障时闭环系统的稳定性和鲁棒性,并进一步通过引入等价条件放宽线性矩阵不等式的求解约束,拓宽定理的适用范围。所得结论可类推至非广义系统的鲁棒容错控制器设计。此外,由于针对模型信息不完备,且受扰动和故障影响的非线性系统,即使采用T-S模糊模型对系统在各平衡点处建模其实也很困难,而自适应模糊逻辑系统可实现对未知模型的动态逼近,因此文中将自适应模糊逻辑和滑模变结构控制器相结合,针对状态不可测时滞非线性系统,完整考虑了输入端的非对称饱和死区及扇区非线性特性影响,在系统模型精确已知或未知的情形下,分别基于自适应观测器和模糊观测器提出了滑模跟踪控制方案,并根据Lyapunov-Krasovskii泛函分析法给出控制器参数和模糊逻辑的自适应调整律,削弱对模型结构的依赖性,增强系统鲁棒性。接着,针对一类由多子系统组成,具有建模误差和未知不确定性的多变量非线性系统,提出了自适应鲁棒容错定位控制方案。通过对不确定性和故障的未知范数界描述,基于Lyapunov理论和Barbalat引理,给出了鲁棒滑模降阶控制器的综合设计,并通过模糊自适应控制器动态补偿建模误差、不确定性和执行器故障影响,避免传统方法对不确定性的人为预估,解决了不确定项不满足任何匹配条件时系统的定位跟踪控制问题。最后,将自适应模糊滑模容错控制方法成功应用于某型船舶的动力定位仿真,仿真结果表明了方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图清单
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 研究背景与现状
• 1.2.1 非线性控制
• 1.2.2 模糊控制
• 1.2.2.1 基于T-S 模型的模糊控制
• 1.2.2.2 自适应模糊控制
• 1.2.3 鲁棒控制
• ∞鲁棒控制'>1.2.3.1 H_∞鲁棒控制
• 1.2.3.2 耗散鲁棒控制
• 1.2.4 容错控制
• 1.2.4.1 被动容错控制
• 1.2.4.2 主动容错控制
• 1.3 本文的研究内容
• ∞鲁棒静态输出反馈控制'>第二章 T-S 模糊变时滞系统的L_∞鲁棒静态输出反馈控制
• 2.1 引言
• 2.2 问题描述
• 2.3 输出反馈控制器设计及稳定性分析
• ∞鲁棒控制'>2.4 模糊L_∞鲁棒控制
• 2.5 仿真实例
• 2.6 本章小结
• ∞鲁棒容错控制'>第三章 T-S 模糊系统的D域性能约束L_∞鲁棒容错控制
• 3.1 引言
• 3.2 系统描述及预备知识
• 3.3 非线性系统的性能分析
• ∞鲁棒输出反馈控制器设计'>3.4 L_∞鲁棒输出反馈控制器设计
• ∞鲁棒容错控制'>3.5 D 域性能约束下的L_∞鲁棒容错控制
• 3.6 仿真实例
• 3.7 本章小结
• 第四章 执行器饱和 T-S 模糊变时滞系统的鲁棒耗散容错控制
• 4.1 引言
• 4.2 问题描述
• 4.3 主要结果
• 4.3.1 执行器饱和系统的稳定性分析
• 4.3.2 系统鲁棒耗散容错控制器设计
• 4.4 仿真实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 T-S 模糊广义时滞系统的鲁棒集成容错控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述
• ∞鲁棒控制器设计及稳定性分析'>5.3 H_∞鲁棒控制器设计及稳定性分析
• 5.4 多故障鲁棒容错控制器集成
• 5.5 仿真结果
• 5.5.1 数值计算
• 5.5.2 仿真实例
• 5.6 本章小结
• 第六章 非对称饱和死区输入系统的自适应模糊滑模跟踪控制
• 6.1 引言
• 6.2 系统描述
• 6.3 系统控制方案
• 6.3.1 基于自适应状态观测器的滑模变结构控制器设计
• 6.3.2 基于自适应模糊观测器的滑模变结构控制器设计
• 6.4 仿真实例
• 6.5 本章小结
• 第七章 一类非线性系统的自适应模糊滑模容错定位跟踪控制
• 7.1 引言
• 7.2 问题描述
• 7.3 系统控制方案
• 7.3.1 模型已知情形下的自适应滑模容错控制器设计
• 7.3.2 模型未知情形下的自适应滑模容错控制器设计
• 7.4 仿真实例
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文的主要工作和贡献
• 8.2 后续工作及研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文