輸入非線性的非線性系統(tǒng)魯棒自適應(yīng)控制.pdf

1、近年來，自適應(yīng)控制得到了廣泛的研究，它不僅豐富了控制理論的研究，也促進(jìn)了控制工程應(yīng)用的發(fā)展。自適應(yīng)控制的主要思想是，根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)在線的估計(jì)出被控對(duì)象的位置參數(shù)，然后利用這些估計(jì)的參數(shù)來計(jì)算控制輸入，同時(shí)不斷地修正對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。自適應(yīng)控制理論成功發(fā)展的主要原因是它能有效地估計(jì)出控制參數(shù)，即使在時(shí)變得條件下?？刂茀?shù)的估計(jì)不僅可以實(shí)時(shí)在線的進(jìn)行在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，也可以進(jìn)行離線估計(jì)。另一方面，一種新穎的控制器設(shè)計(jì)方法“反步法”也

2、引起了眾多研究者的關(guān)注，它引入了一種逐步設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器的過程。反步法，是基于Lyapunov理論的一種遞歸設(shè)計(jì)方案，該方法的基本設(shè)計(jì)思路是將復(fù)雜的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)或者非線性系統(tǒng)分解成小于系統(tǒng)階次的若干子系統(tǒng)，然后逐步為每個(gè)子系統(tǒng)通過 Lyapunov理論設(shè)計(jì)中間虛擬控制律，繼而設(shè)計(jì)保證整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的最終控制律。針對(duì)存在不確定性參數(shù)的系統(tǒng)，自適應(yīng)控制可以保證閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)的有界和漸近穩(wěn)定，由此自適應(yīng)反步法是對(duì)含有參數(shù)不確定性的非線性系統(tǒng)進(jìn)

3、行設(shè)計(jì)的有效方法。此外，近年來出現(xiàn)了另一種新穎的控制方法，來解決高階反步法中可能出現(xiàn)的“爆炸式增長”的現(xiàn)象。這就是動(dòng)態(tài)面控制技術(shù)，它實(shí)在反步法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的提出就是為了解決傳統(tǒng)反步法設(shè)計(jì)時(shí)候的計(jì)算復(fù)雜性的問題。但是它只能保證系統(tǒng)的半全局穩(wěn)定性，然后反步法可以保證系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性能。
　　通常情況下，產(chǎn)生了三種非線性的控制輸入信號(hào)，即是由于電機(jī)磁場(chǎng)或者齒輪結(jié)構(gòu)中存在滯后，由于能量限制或者性能限制產(chǎn)生的控制輸入飽和，和控制輸

4、入信號(hào)中產(chǎn)生死區(qū)現(xiàn)象。這些非線性特性影響控制輸入信號(hào)甚至整個(gè)控制系統(tǒng)，從而可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)非線性系統(tǒng)的性能下降或者不穩(wěn)定甚至更大災(zāi)難性的影響。因此，我們需要采用不同的有效的方式來設(shè)計(jì)非線性控制方案，使得這些非線性特性對(duì)系統(tǒng)的影響最小。本文旨在考慮處理受輸入非線性和外部擾動(dòng)影響的非線性系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)控制系統(tǒng)。本文中所討論的“非線性”，包括反彈、死區(qū)以及輸入飽和。除此之外，還研究了一種同時(shí)融合了死區(qū)和輸入飽和特點(diǎn)的新型非線性。
　　控

5、制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要各種執(zhí)行器和傳感器。執(zhí)行器通常是用于生成控制力矩，而傳感器通常用于測(cè)量狀態(tài)變量和一些必要的系統(tǒng)控制信號(hào)。這些設(shè)備的物理特性致使這將會(huì)導(dǎo)致或者引入一些非期望的控制性能影響，比如系統(tǒng)的外部噪聲、時(shí)間延遲、輸入非線性、擾動(dòng)等等。因此，我們也需要進(jìn)一步重視這些不確定性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，研究一類更具有魯棒性能的控制方案。
　　本文主要在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)不同控制輸入條件設(shè)計(jì)了幾類新穎的魯棒控制器。首先，簡(jiǎn)要介紹了這些非線

6、性特性，然后介紹了一些關(guān)于基本設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單介紹工具，例如反步法、自適應(yīng)反步法和動(dòng)態(tài)面控制方法。
　　其次，針對(duì)一類考慮輸入反彈的單輸入單輸出的不確定非線性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)反步控制器。該控制器的設(shè)計(jì)考慮到了一種包括連續(xù)時(shí)間反彈逆模型，它改善了當(dāng)代控制器的性能以及剖面的對(duì)比，并且為控制工程師提供了靈活性，可以在控制設(shè)計(jì)中選擇被低估的反彈間距，然而其它的控制方法相比較為繁瑣，并需要試湊控制器參數(shù)。仿真結(jié)果表明了控制設(shè)計(jì)方案的有效性，保證

7、了系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性以及期望的跟蹤性能。
　　此外，針對(duì)航天器姿態(tài)跟蹤控制問題，設(shè)計(jì)了一類新穎的動(dòng)態(tài)表面控制器，并同時(shí)考慮一種綜合死區(qū)和輸入飽和的新穎的非線性特性。這種類型的控制方案在每個(gè)設(shè)計(jì)步驟中引入了一階數(shù)值微分，解決了“爆炸式增長”的現(xiàn)象。并通過利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對(duì)控制器的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的穩(wěn)定性分析?？刂品桨复_保了航天器姿態(tài)跟蹤控制系統(tǒng)得了半全局最終一致有界穩(wěn)定性，同時(shí)使用合適的設(shè)計(jì)參數(shù)可以在任何情況取得最低限度

8、所需的瞬態(tài)性能。最后，數(shù)字仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的姿態(tài)跟蹤控制方案的有效性和可行性。
　　在航天器的姿態(tài)跟蹤控制系統(tǒng)中，涉及到了多種執(zhí)行器和傳感器，而且這些設(shè)備由于物體性能的約束通常都會(huì)存在一些非線性特性，進(jìn)而影響或者限制了整個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)甚至姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。因此，我們需要把這些非線性特性或者外部擾動(dòng)顯式的考慮在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，來尋求合適的控制器以保證系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定度。針對(duì)一類采用修正的羅德里格參數(shù)表示的航