非线性系统的非光滑控制理论及应用研究

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在连续时间控制问题中,非光滑(C0)控制方法区别于连续可微(C1)控制方法的特点在于这类控制方法不仅可以体现出更快的收敛速度,而且还能提高闭环系统的抗扰动性能等.近年来,非光滑控制系统的分析和综合问题已受到越来越多的关注.本论文研究目标为缩小理论研究与实际工程应用之间的差距,内容主要包含两部分:第一部分为基于齐次系统理论的非光滑控制方面的相关理论研究,第二部分为面向实际系统的研究.  主要研究结果和贡献如下:  一、对于一类二阶平面系统,给出了基于连续时间状态反馈的连续可微控制/非光滑控制存在的充分及必要条件.首先,运用齐次系统理论以及加幂积分方法来分析这类系统连续可微/非光滑控制器存在的充分条件.然后通过巧妙地构造一个平面域,给出严格理论分析来证明这类条件的必要性.  二、基于改进的广义齐次度理论,针对一类广泛存在的上三角非线性系统设计了全局状态反馈控制器.该控制方法可以有效改进之前文献的已有结果.首先,控制器的增益不再是函数,而是较易实现的常数形式.其次,广义齐次度的引入更方便于控制器中分数幂的调节,从而改善了控制器的光滑性.然后,对于一类具有特殊结构的上三角系统,在之前所有结果都无法设计连续可微控制器的情形下,现在可以构造出来.最后,对于标称系统的系数满足递减条件的上三角系统,还可以得到一类线性形式的简单控制器,这在工程应用中将更为容易得到使用.  三、针对一类四旋翼小型飞行器系统,设计了一类有限时间收敛的输出反馈控制律来调节飞行器的姿态.首先基于齐次理论构造一个有限时间收敛的状态反馈控制器.其次,通过构造一个有限时间观测器来估测系统中未知不可测的状态,从而得到一个有限时间输出反馈控制律.通过对闭环系统的稳定性分析确保了控制方法的正确性.该控制方法可以有效改善控制系统的抗干扰能力,仿真结果验证了控制方法的有效性.  四、针对带有不确定性的一类非线性系统,在满足线性增长/高阶增长的不同条件下,设计了一类PD形式的采样输出反馈控制律来得到全局/半全局的镇定结果.首先,为了处理系统的不确定控制系数,一个鲁棒的状态反馈控制律和一个降维的采样观测器被先后设计出来,通过合理地选择可调采样时间以及控制增益,该控制方法能够抑制状态的快速增长.然后,通过对于混杂闭环系统的全局/半全局的吸引性的证明保证了输出反馈控制律的有效性.最后,仿真结果验证了即使只用线性差分这类形式简洁的控制器,也可以高效地、鲁棒地镇定这类非线性系统.  五、针对一系列带有不匹配不确定性的系统研究了基于采样控制的抗干扰控制律.为了抑制由系统中更为广泛的不匹配不确定性带来的不利影响,首先设计了一个离散形式的扩张状态观测器来估计集总扰动,这样便可以构造一个基于模拟方法设计的采样抗干扰控制律.这类设计思路可以充分利用连续时间情形递归设计的优点,通过仔细地选取采样时间与控制增益,给出了闭环系统有界输入有界输出稳定性的条件.数值仿真验证了本控制策略的有效性.  六、针对一系列直流电压变换器,在考虑电路内部电子元件不确定性的条件下设计了基于采样控制的输出反馈控制器.首先通过设计一个新颖的降维观测器,从而构造出一个鲁棒的输出反馈控制律来实现高精度电压的输出调节.尽管在非线性设计的情形下分离原理不再成立,但是通过仔细选取采样时间和控制增益,我们给出了混杂闭环系统的稳定性证明.同时也给出了采样时间对于系统性能的影响以及控制参数之间的相互关系.数值仿真和实验验证都表明了控制器的有效性.
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