【摘 要】
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在实际工况中,出于经济性和便利性的考虑,通常无法获取到动态系统的全部状态信息。状态观测器的出现为该问题提供了一种解决方案,得到了学界广泛的关注和研究。目前关于观测器的研究主要集中在线性系统,对于非线性系统观测器难以找到一种通用的研究方法。伪线性系统以线性系统形式表达,本质上仍然是非线性的,可以作为连接线性系统与非线性系统的纽带,具有一定的研究意义。因此,本文以伪线性系统为研究对象,针对状态变量难以
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在实际工况中,出于经济性和便利性的考虑,通常无法获取到动态系统的全部状态信息。状态观测器的出现为该问题提供了一种解决方案,得到了学界广泛的关注和研究。目前关于观测器的研究主要集中在线性系统,对于非线性系统观测器难以找到一种通用的研究方法。伪线性系统以线性系统形式表达,本质上仍然是非线性的,可以作为连接线性系统与非线性系统的纽带,具有一定的研究意义。因此,本文以伪线性系统为研究对象,针对状态变量难以测量的问题,从观测器误差动态系统的稳定性入手分析,建立了正常的伪线性系统的全维状态观测器动态方程,利用观测器误差系统的稳定性条件将观测器设计问题转化为Sylvester方程进行求解,基于Sylvester方程的参数化解给出了一种参数化设计方法,并且将这种设计方法推广到广义伪线性系统的观测器设计中。此外,还针对部分状态可测的正常伪线性系统,提出了降维状态观测器的参数化设计方法。最后,利用状态观测器实现了状态反馈控制。本文的主要内容包括以下几个方面:(1)针对正常的伪线性系统,当系统的状态全部不可测量时,提出了一种状态观测器的参数化设计方法来估计系统的真实状态,有效解决了伪线性系统状态难以直接测量的问题,并将观测状态应用于反馈控制律的设计。首先,利用Sylvester方程的参数化解,提出了全维观测器设计的参数化方法,给出了观测器的一般参数化形式。其次,将一阶线性系统的分离原理推广到伪线性系统,即实现了观测器和控制器的独立设计。进一步地,利用观测状态建立了反馈控制器的一般参数化形式。此外,还利用自由参数提供的自由度,选择适当的优化指标对性能进行优化。最后,通过数值算例和仿真验证了所提出方法的有效性。(2)考虑正常的伪线性系统在系统部分状态可测的前提下,设计降维状态观测器以实现对未知状态的估计,相比于全维状态观测器,既有效解决了伪线性系统状态难以测量的问题,又减少了观测器的实现成本,易于工程应用。首先,利用等价线性变化,将目标系统变换为期望的分块形式。其次,通过对误差动态系统的稳定性进行分析,得出观测器的稳定条件。进一步地,借助Sylvester方程的解,给出了降维观测器的参数化设计方法。然后,将观测器的状态估计应用于系统的控制器设计。最后通过数值算例和仿真验证了所提出方法的有效性。(3)针对广义伪线性系统,当系统的状态全部不可测量时,将正常的伪线性系统全维观测器参数化设计方法加以推广,提出了一种广义伪线性系统全维状态观测器的参数化设计方法,确保了闭环系统的正则性,并将观测状态应用于反馈控制律设计。首先,基于广义Sylvester方程的参数化解,提出全维状态观测器设计的参数化方法,给出了观测器的一般参数化形式。其次,将一阶线性系统的分离原理推广到广义伪线性系统,即实现了观测器和控制器的独立设计。进一步地,利用观测状态建立了反馈控制律的一般参数化形式。最后,通过一个数值算例和一个电路实例,验证了所提出方法的有效性,对实际工程应用具有一定的指导意义。
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