非线性系统模糊高增益输出反馈控制器设计

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物理系统本质上都是非线性的,而且是不确定的,通常受到外界扰动、不确定动态输入和时滞等不确定非线性因素的影响。模糊逻辑系统能够以任意给定的精度逼近定义在紧集上的连续函数,能够有效的处理非线性系统的不确定性。本文就此领域展开相关问题的研究。针对严格反馈的单输入单输出(SISO)不确定非线性系统、多输入多输出(MIMO)不确定非线性系统和互联不确定非线性大系统,在系统的部分状态不可测、存在未建模动态和外界干扰等情况下,结合模糊自适应控制、backstepping设计、动态平面控制、命令滤波设计、小增益定理和改变供能函数等控制方法,分别研究了系统的输出反馈稳定控制、输出跟踪和干扰抑制等问题。本文的主要工作如下:1)研究了一类严格反馈SISO不确定非线性系统的输出反馈控制问题。在状态不可测的条件下,给出新颖的非线性模糊动态高增益观测器的设计,将模糊自适应控制和backstepping设计方法相结合,给出输出反馈控制器的设计,基于Lyapunov稳定性分析,证明整个闭环系统的所有信号一致有界,观测误差收敛到零的一个充分小邻域内。2)研究了一类严格反馈SISO动态不确定非线性系统的输出反馈几乎干扰解耦问题。设计模糊动态高增益观测器估计不可测状态,结合模糊自适应backstepping控制、小增益定理和改变供能函数方法,给出模糊自适应鲁棒控制器的设计。通过Lyapunov稳定性分析证明了所设计的控制器保证闭环系统在输入到状态实际稳定(ISpS)意义下稳定,同时在Lp增益的意义下抑制了干扰对输出的影响。3)研究了MIMO不确定非线性系统的输出反馈几乎干扰解耦问题。针对严格反馈MIMO (?)非线性系统,设计高增益观测器构建系统不可测状态,在利用backstepping方法设计输出反馈控制器的过程中,引入动态平面控制,避免了backstepping设计中对虚拟控制的重复求导,减少了计算量,在抑制干扰的同时保证闭环系统的稳定性。将上述方法推广到更一般化的具有嵌套式下三角结构的MIMO非线性系统,不同的是引入两阶命令滤波,取消了动态平面控制设计中需要构造一个紧集的限制。4)研究了一类严格反馈不确定非线性互联大系统的分散输出反馈跟踪控制问题。在系统状态不可测的条件下,设计高增益观测器来构建系统不可测状态,综合运用模糊自适应backstepping控制和滑模滤波设计,给出模糊自适应控制器的设计,滑模滤波的引入是为了解决传统backstepping控制在运算过程中出现的“计算膨胀”,设计的控制器保证闭环系统的所有信号一致有界,使得输出跟踪误差和观测误差都收敛到零的一个充分小领域内。5)研究了一类严格反馈动态不确定非线性互联大系统的分散输出反馈几乎干扰解耦问题,在系统状态不可测的条件下,设计高增益观测器来构建系统不可测状态,结合模糊自适应控制和backstepping设计方法,给出模糊自适应鲁棒控制器的设计,通过非二次型Lyapunov函数分析证明了设计的控制器不仅保证闭环系统是积分输入到状态实际稳定的,同时在Lp增益意义下抑制了干扰对输出的影响。6)针对上述提出的不确定非线性系统的模糊自适应输出反馈稳定控制、跟踪控制和干扰抑制等方法,分别给出了相应的仿真算例,并验证了所提出方法的有效性和可行性。
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