基于等价输入干扰方法的非线性系统分岔与混沌控制

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实际系统中存在各种各样的非线性特性。在以永磁同步电机为代表的机电系统中,非线性特性会降低系统的控制性能。因此,我们需要补偿和消除这类系统中的非线性特性,研究非线性特性的抑制问题。而在以细胞分裂为代表的复杂系统中,由于非线性特性是控制对象的本质特征,是完成细胞分裂和其他理化生物等过程的保障。因此,我们需要保留和控制系统中的非线性特性,研究非线性特性的控制问题。另一方面,扰动普遍存在于各类实际非线性系统,会影响系统的非线性特性,大扰动还可能会引起系统振荡,导致系统崩溃。因此,为了更好的抑制和控制非线性特性,我们必须考虑扰动对控制性能的影响,研究扰动影响下的非线性特性抑制和控制问题。目前,扰动影响下非线性特性抑制和控制的研究,还不够全面。大多数研究考虑如何实现扰动影响下非线性特性的抑制,很少有研究考虑如何实现扰动影响下非线性特性的控制。由于许多物理、化学和生理等实际过程受到外部扰动的影响后,其本质特征会发生改变,产生不好的结果。因此,实现扰动影响下的非线性特性控制具有重要的实际应用价值。本研究对该问题做了全面的探索和分析,在现有非线性特性抑制研究的基础上,实现了扰动影响下的混沌抑制,并进一步研究了如何控制扰动影响下的非线性系统分岔和混沌。针对扰动影响下的混沌抑制问题,本研究首次运用等价输入干扰(Equivalent input disturbance,EID)方法抑制系统中非线性特性和扰动的影响,避免了混沌的产生。针对扰动影响下的非线性系统分岔和混沌控制问题,本研究将该问题系统化,分为三个递进的子问题进行探讨:(1)如何在抑制非线性系统外部扰动的同时保留系统的非线性特性;(2)在保留系统非线性特性的基础上,如何通过设计控制器参数保障控制对象表现出期望的分岔特性;(3)在保留系统非线性特性的基础上,同时考虑混沌特性和外部扰动的影响,如何实现混沌的重构和控制。本研究取得的主要创新性成果包括:(1)扰动影响下的混沌抑制。以PI控制下的永磁同步电机转速控制系统为研究对象,研究PI控制器参数和混沌之间的关系。由于混沌产生的根本原因是永磁同步电机系统中的非线性项,本研究将非线性项作为“等价总和”扰动的一部分,利用EID方法补偿系统中的“等价总和”扰动。所提方法不仅提高了控制精度,而且抑制了系统中的混沌行为。(2)非线性系统中外部扰动抑制。当我们需要保留系统的非线性特性时,由于非线性项是系统产生非线性特性的根本原因,因此,我们不能将系统中的非线性项作为扰动直接补偿,需要在抑制外部扰动的基础上,保留系统的非线性项。然而,目前大多数的扰动抑制方法都无法直接将非线性特性从“等价总和”扰动中分离。因此,我们扩展EID方法,并提出非线性EID(Nonlinear equivalent input disturbance,NEID)方法。该方法不仅可以抑制系统的外部扰动,而且可以保留系统的非线性特性。(3)扰动影响下的叉型分岔重构和控制。当我们需要在重构系统非线性特性的基础上,进一步对扰动影响下的分岔重构和控制问题进行研究时,我们需要考虑分岔特性对控制系统设计的影响。本研究以叉型分岔为例讨论该问题。叉型分岔产生的条件有两个:非线性项和分岔参数。因此,研究扰动影响下叉型分岔时,我们除了重构系统中的非线性项,还要考虑如何设计分岔参数。所以,我们进一步改进NEID方法,在重构非线性项的基础上,于经典龙伯格观测器中设计分岔参数,保障了叉型分岔产生的条件,并实现了扰动影响下叉型分岔的重构和控制。(4)扰动影响下混沌的重构和控制。与扰动影响下的分岔控制及混沌抑制相比,混沌控制更加复杂。在重构和控制扰动影响下的混沌行为时,我们需要考虑混沌的本质特征对控制性能的影响。混沌的本质特征包括初值敏感性和伪随机性,这些特征意味着系统中任何一个小的扰动和摄动都会导致系统的状态和预期状态相差甚远。因此,在研究扰动影响下混沌的重构和控制时,扰动补偿器的补偿误差需要很小。我们改进经典EID方法,提出并联型EID(Parallel equivalent-inputdisturbance,PEID)方法,提高扰动抑制性能。接着,我们扩展PEID方法,将其用于重构和控制扰动影响下的混沌特性。最后,我们采用数值分析的方法,验证PEID方法在重构和控制扰动影响下混沌特性的有效性。
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