一类非线性系统的多面滑模控制器设计

一、一类非线性系统的多面滑模控制器设计（论文文献综述）

高亚斌^[1]（2020）在《复杂不确定动态系统的状态估计与滑模控制研究》文中认为实际控制系统往往伴随着系统参数摄动和扰动甚至是故障,而网络化控制系统更加面临着时滞、丢包以及匿名攻击等不确定性因素。由于这些复杂不确定会影响甚至损害动态系统的稳定性和性能,因此,研究复杂不确定动态系统的估计和控制问题,一方面可以提供动态系统的估计进而实现控制,另一方面可以为实际控制系统运行的鲁棒性、容错性、可靠性以及安全性提供技术支撑。本论文针对若干类典型的动态系统,考虑其中常见的不确定性,例如物理单元中过程扰动、传感器和执行器扰动、参数摄动,以及网络单元中的时滞、丢包、攻击、量化、非周期性事件等等,主要采用滑模控制方法,以自适应技术、滑模观测器、H∞技术等方法为辅助,研究若干具有复杂不确定性的动态系统的估计与滑模控制方法,提出了解决不确定动态系统的稳定性与性能分析、状态和故障估计、容错控制、事件触发控制等一系列问题的新方法。本论文的具体研究内容和方法以及相应的理论创新点分述如下:1.第二章考虑一类含有参数摄动和输出干扰的不确定非线性系统,针对未知执行器故障偏差,利用扩展观测器技术将系统状态和故障偏差增广为新的状态向量,并构造了一种扩展观测器,该观测器是一种滑模观测器,用于估计原系统状态和故障偏差的同时来补偿复杂不确定性。通过构建估计误差系统,结合状态估计系统,分别设计了线性滑模面和积分型滑模面,提出了同时满足这两个滑模面可达性的积分型滑模控制律和切换控制律,达到了复杂不确定下原系统的控制目的,并且可实现同时估计原系统状态和执行器故障偏差。2.第三章考虑具有匹配型不确定和外部干扰的delta域离散系统,尤其针对未知执行器故障因子,将未知的故障因子描述为具有已知上、下界的常量;同时,将执行器故障偏差描述为含有某个上、下界,但是均未知常量。利用自适应技术设计了用于估计故障因子以及未知上、下界的自适应律。通过选取线性滑模面,基于等效控制法设计了导出了滑模面参数求解依据,进一步提出了一种基于线性滑模面的自适应滑模控制律,最终实现对该类不确定系统的主动容错控制。3.第四章关于一类典型的信息物理系统（cyber-physical systems,CPSs）的安全状态估计问题,考虑其中的过程干扰和测量噪声,重点分析信息物理系统中的完整性攻击（虚假数据注入）,构建了delta算子框架下的离散时间信息物理系统;分别针对传感器孤立攻击以及传感器和执行器两者的联合攻击,设计了基于矩阵枚举的delta域估计器,用于含有完整性攻击的线性信息物理系统的安全状态估计。考虑到实际信息物理系统的网络通信约束,提出了一种基于delta算子和状态观测器的自触发控制器,不仅可以实现与时间驱动控制器相当的控制效果和增强估计性能,而且可以节约一定的通信资源,提高网络资源的利用率。在稳定性分析方面,结合矩阵等式约束,利用delta域的圆域稳定性判据和耗散性理论建立了估计系统稳定性的充分条件,用于估计器和控制器的参数的求解。此外,本章还提供了针对执行器孤立攻击情形下信息物理系统的安全估计与自触发控制的简化结果。4.第五章考虑一类含有非线性耦合随机过程的网络化系统,针对一些量化过程中出现的不确定性,将系统输出的一类非完整量化过程描述为一种量化信号随机丢包的过程,由于量化的非连续性,通过构造状态观测器观测非完整量化值,提出了一种基于Luenberger观测器的滑模控制与状态估计方法。在稳定性分析上,利用Lyapunov稳定性理论,分析了估计系统和观测器系统的稳定性,并建立了系统输出满足H∞性能的判据,并据此提供了一组用于确定观测器和滑模面参数的便于求解的矩阵不等式。因而,所设计的观测器可实现对系统状态的估计,同时所设计的滑模控制器可以实现将估计状态连同系统状态轨迹驱使到原点的目的,用于解决非完整对数量化情形下随机系统的估计与控制问题。5.第六章考虑含有参数摄动、外部扰动和非线性耦合随机过程的单/多回路网络化系统,针对传感器单元至控制器单元之间的非周期性事件,首先对该类单回路网络化控制系统提出了一种基于状态观测器的事件触发模控制方法,保证了非周期信号下理想滑模的实现。在分析整个估计系统的稳定性时,采用‘‘时滞’’思想将事件驱动系统建模为一种含有状态时滞的随机系统,根据第五章的系统稳定性分析方法,利用Lyapunov-Krasovskii泛函法得到了估计系统和原系统的稳定性的充分条件。此外,本章将所提的理论方法拓展应用到多回路网络化控制系统的估计与控制,考虑传感器单元到控制器单元的共享网络通信链路,进一步利用‘‘时滞’’思想将多路访问冲突描述为一种“排队时滞’’,由此构造了一种含有状态时滞的多回路网络化随机系统,其中采用了载波侦听多路访问协议作为处理多路访问冲突。借鉴单回路网络化系统的分析方法,导出了相应的多回路网络化随机系统的稳定性判据,并设计了相应的积分型滑模控制律和状态观测器。由此提出了一种基于载波侦听多路访问协议的多回路事件触发滑模控制方法。

郭斌^[2]（2020）在《具有执行器故障和干扰的非线性系统自适应容错控制研究》文中指出近年来,工业系统的自动化水平高速发展,控制要求不断提高。相应地,系统部件日益增多,非线性程度不断增加,这给系统的分析与综合带来了巨大挑战。一方面,系统长时间工作或人员不正确操作等因素会致使系统产生故障;另一方面,系统组件增多,干扰进入系统渠道增多,多源化、不匹配扰动对系统的作用更为复杂,进一步增加了控制难度。故障和干扰会降低系统的控制性能,甚至直接破坏系统的稳定性。因此,提高非线性系统的容错能力,补偿故障对系统的影响,抑制外界干扰,对非线性系统的稳定运行至关重要。本文针对非线性控制系统的执行器故障和干扰问题,开展容错控制研究,主要研究内容如下:1)研究了具有执行器故障的Lipschitz非线性系统的鲁棒容错控制方法。针对一类受到执行器故障以及干扰的Lipschitz非线性系统,提出了一种鲁棒滑模容错控制方法。首先,设计了一种综合观测器以同时估计系统的状态、故障以及干扰信号;其次,利用观测器获得的信息,设计了一种鲁棒滑模容错控制器。在该控制方法中,将干扰分为两部分分别进行处理,并基于Lyapunov理论分析了系统的稳定性。最后,通过仿真,验证了该算法的有效性。2)研究了基于综合观测器的仿射非线性系统容错控制方法。以电动汽车系统为背景,针对一类受到执行器故障以及干扰影响的四轮独立驱动电动汽车系统,提出了一种新的自适应滑模控制算法。首先,建立了该电动汽车系统在受到执行器故障以及干扰下的系统模型,基于上章观测器结构,设计了一种新的综合观测器,得到了该系统的状态以及集成干扰等估计信息。其次,利用观测信息,设计了一种自适应滑模容错控制策略,在该控制方法中,通过引入自适应参数,提高了系统的响应速度。最后,以电动汽车系统两种工况为例进行了仿真,结果表明了所提出方法的有效性。3)研究了一类非仿射性非线性系统的干扰抑制与滑模容错控制方法。以机械系统为背景,针对一类非仿射性非线性系统,讨论了一种自适应容错控制方法。首先,建立了该系统受到执行器故障以及干扰的模型。其次,设计了一种综合观测器,用以观测系统的状态、故障以及干扰等信息,在该综合观测器结构中,不需要干扰的上界信息。为了更好实现系统轨迹跟踪控制的目的,设计了一种新的自适应离散滑模容错控制器,并证明了其收敛性能。最后,通过案例仿真,验证了该方法的容错性。4)研究了基于事件触发的n自由度非线性系统容错控制方法。针对一类非线性系统,在其受到执行器故障以及外界干扰情况下,提出了一种基于事件触发的自适应容错控制策略。首先,设计了一种新的事件触发机制。其次,设计了一种新的综合观测器。在该观测器结构中,一方面,同上章一样,无需干扰信号上界信息;另一方面,采用输出触发值代替连续值,用较少的信息量对系统未知变量进行了观测。基于观测所得信息,构建了一种基于事件触发的自适应滑模容错控制算法,可以有效补偿故障以及干扰对系统的影响并减少系统的通讯传输负载。最后,通过案例仿真,验证了该方法的容错性。5)研究了基于模糊的非线性系统自适应事件触发容错控制方法。针对一类受到执行器故障以及干扰的n自由度非线性系统,为了减少故障对系统的影响以及抑制干扰,讨论了一种基于模糊的自适应滑模容错控制策略。首先,利用模糊逻辑原理,对系统的非线性部分进行模糊逼近;其次,构建了一种新的事件触发机制,并结合输出触发信息,设计了一种模糊综合观测器。在该观测器结构中,干扰信息可以为n阶可导的高阶信号,这更贴近实际系统。基于系统观测信息,结合构建的控制通道自适应事件触发机制,设计了一种新的基于事件触发的自适应滑模模糊容错控制方法。最后,通过实例仿真,验证了该方法的容错能力。

褚晓安^[3]（2019）在《基于事件触发的非线性网络化系统的滑模控制》文中研究指明事件触发控制是一种新颖的控制机制,与传统的周期触发控制相比,这种控制方式能够在保证系统稳定性和性能要求的前提下,有效提高带宽受限下的网络化系统有限资源的利用率。原因在于在该机制中,只有满足预先设定的事件触发条件,传感器信号或控制器信号才会传输。另一方面,滑模控制因其对系统参数不确定性,扰动和输入非线性具有强鲁棒性的优势,而广泛应用于工业过程控制、网络化控制及机器人等领域。近几年,结合事件触发控制和滑模控制的优势,基于事件触发的滑模控制已成为很多学者当前的关注热点。但是,针对网络化系统的事件触发滑模控制的研究成果仍存在一些局限,有待进一步探讨,例如,多数成果针对于状态完全可测的线性连续系统的研究,对于更具有实际意义的输出反馈离散非线性系统的研究还很少涉及。此外,对于网络化系统中出现量化、执行器故障、饱和及死区等因素影响的事件触发滑模控制方法研究还比较欠缺。为了弥补已有成果的不足,本文针对一类存在系统约束（如饱和、死区、量化、执行器故障及网络延时）的离散Lipschitz非线性网络化系统和T-S模糊网络化系统,从系统建模、稳定性分析和事件触发机制、观测器与滑模控制器协同设计等方面展开研究。主要研究内容概括如下:1.针对一类具有输入输出量化的不确定离散时间Lipschitz非线性网络化控制系统,研究了基于事件触发观测器的滑模控制问题。在考虑量化、网络延时和事件触发机制影响的情况下,利用时滞系统建模方法和重构Lipschitz性质,建立了一个包含滑动模态和误差动态的线性参数时变时滞系统模型。基于此模型,根据Lyapunov-Krasovskii泛函理论和线性矩阵不等式方法,得到了该系统模型满足给定H∞性能指标下的渐近稳定性充分条件,并协同设计了事件触发参数、观测器参数和滑模参数。考虑输入量化因素的影响,设计了一个新的基于观测器的滑模控制器,并进行了滑模可达性分析。2.研究了一类存在执行器故障的离散时间Lipschitz非线性网络化控制系统的事件触发故障估计和滑模容错控制问题。首先,设计了事件触发故障/状态观测器来同时估计执行器故障和系统状态。然后使用重构Lipschitz性质和时滞系统分析方法,建立了一个包含滑动模态和状态/故障误差动态的离散线性参数时变时滞系统模型。基于Lyapunov-Krasovskii泛函分析方法,提出了一个保证该系统渐近稳定且满足H∞性能的延时相关充分条件,并给出了参数协同设计方法。再次,设计了一个基于观测器的滑模容错控制器,并证明了有限时间内滑模的可达性。3.针对存在传感器饱和和执行器死区的情况,研究了一类动态事件触发离散时间Lipschitz非线性网络化控制系统的基于非脆弱观测器的滑模控制问题。为了进一步减少不必要的网络数据传输,基于饱和输出信息,提出了一种新的动态事件触发机制。然后构造了一个非脆弱观测器来估计不可测系统状态,并基于估计状态设计了一个离散滑模面。接着建立了一个同时刻画动态事件触发机制、输出饱和、网络延时和不确定参数的线性参数时变时滞系统模型,提出了保证该模型渐近稳定且满足自适应H∞性能的充分条件,并协同设计了动态事件触发参数、滑模参数和观测器参数。再次,设计了一个新的事件触发滑模控制器,并分析了在存在死区输入情况下滑模的可达性。4.在考虑输入量化、不完备测量及双通道事件触发影响的情况下,研究了一类离散时间T-S模糊网络化控制系统的故障估计及容错控制问题。传感器端不完备信息包含随机饱和和随机量化。首先,为了减少传感器到控制器端和控制器到执行器端的数据传输量,在传感器端提出了一个动态事件触发机制,在控制器端引入了一个静态事件触发机制。然后设计了一个事件触发模糊故障/状态观测器同时估计执行器故障和系统状态。接着建立了一个新的包含滑动模态和故障/状态误差动态的T-S模糊时滞系统模型,得到了保证该模型随机渐近稳定且满足自适应H∞性能的充分条件,并协同设计了事件触发参数、观测器参数及滑模参数。基于此条件,设计了一个新的模糊滑模容错控制器使得系统轨迹在存在输入量化、执行器故障和输入事件触发机制的情况下到达一个有界滑模区域。5.针对传感器端存在多通道饱和、量化和非理想网络的情形,研究了一类离散时间T-S模糊网络化控制系统的输出分散动态事件触发滑模控制问题。首先,为了减少传感器端多通道网络数据传输量,提出了一种新的分散动态事件触发机制。然后,建立了一个同时刻画量化、饱和、滑动模态和分散动态事件触发机制的增广T-S模糊时滞系统模型,分析了该系统模型的稳定性,并给出了参数协同设计方法。再次,设计了一个基于观测器的模糊滑模控制器保证滑模的可达性。

代明星^[4]（2019）在《基于状态观测的输出反馈控制算法研究及改进设计》文中指出在诸如工业过程控制、机器人控制、无人机控制等实际工程控制系统中大都是复杂的非线性控制系统,他们通常具有高维数、结构复杂、强非线性和强耦合的特点,对于这类复杂非线性控制系统的控制设计更是控制领域的一个难点问题,如果控制方法不当,将很难达到被控系统的控制要求,不会有很好的控制效果,甚至会导致被控系统无法达到稳定。因而,对于这类数学模型不精确、存在时滞现象、含有不可测的状态和未知的非线性扰动等现象的复杂非线性系统的自适应输出反馈控制问题的研究具有十分重要的理论意义和实际应用价值。针对非线性系统自适应输出反馈控制问题的研究,本文在自抗扰控制、滑模控制以及反步法等已有的非线性系统控制算法的基础上,基于这些不同控制方法的特点和优势,并结合模糊逻辑系统或神经网络以及高阶滑模微分器等方法,对已有控制方法的弊端进行改进,设计了几种控制方案,同时利用Lyapunov稳定性理论验证了整个闭环系统的稳定性,保证了所有信号的有界性。论文具体研究内容和所做工作如下:（1）针对一类不确定非线性系统,研究了一种结合反步法和自抗扰控制的新的自适应输出反馈控制方法。通过引入扩张状态观测器（ESO）对被控系统的未知状态进行实时估计,同时利用扩张状态观测器实现对系统中的不确定项在线逼近及补偿。通过非线性指令滤波器对反步法设计过程中的虚拟控制信号进行求导,避免了传统反步法设计控制中复杂性爆炸的问题,并由此设计了自适应输出反馈控制器。通过Lyapunov函数证明了这种控制方法的稳定性,验证了闭环系统中所有信号均是有界的。数值仿真算例进一步验证了该方法的有效性。（2）针对一类切换非线性系统,且系统状态不可测,存在未知非线性项以及扰动的情况,设计一类新的自适应反步滑模控制器。研究利用模糊逻辑系统（FLS）,构造模糊状态观测器,并利用模糊逻辑系统实现变增益控制。此外,引入高阶滑模微分器构造精确扰动观测器,同时将高阶滑模非线性微分器的二阶形式作为滤波器。最终基于模糊状态观测器和对扰动的估计补偿,结合自适应反步设计方法和滑模控制方法,针对这类切换系统设计了一种新的自适应反步滑模控制器。新提出的方法实现了对系统未知非线性函数的实时在线逼近以及对系统未知状态的获取,对于系统的未知扰动实现精确估计补偿,传统反步法设计过程中因对虚拟控制信号重复求导而引起的控制参数复杂性急剧增长的问题得到有效避免,而且传统滑模控制中的抖振现象也有很好的抑制效果。通过Lyapunov函数对系统的稳定性进行了推导证明。控制方法的有效性通过仿真算例验证,仿真结果也进一步验证了系统稳定性和信号有界性。（3）对于工业中常用的连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR）建立了一个数学动态模型,并针对CSTR数学模型设计了一类自适应积分滑模控制器。针对这个复杂的非线性系统首先基于滑模控制原理设计一种有限时间状态观测器,并同时设计了一种非线性扰动观测器,从而实现了对这个非线性系统中的不可测状态量以及未知扰动的观测估计。基于估计结果,设计一种积分滑模面并引入一种自适应变比例增益的趋近律,最终构造了一种自适应积分滑模控制器,实现了对被控系统的快速跟踪同时具有非常好的鲁棒性。通过Lyapunov稳定性理论对闭环系统中的所有信号的有界性和闭环系统的稳定性进行了推导证明,并通过数值仿真以及实验分别对所设计控制方案的有效性进行了验证。

汪慢^[5]（2020）在《高速欠驱动UUV的三维空间轨迹跟踪控制方法》文中进行了进一步梳理近年来,水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicles,UUVs）的导航、制导与控制吸引了来自世界各地学者的极大关注,其关键原因不仅仅在于UUV不断丰富的海洋工程应用,还包括其自身多输入多输出非线性系统的理论挑战。而在众多实践应用当中,首要解决的核心问题就是UUV的精确跟踪与控制任务,尤其是三维空间轨迹跟踪控制,对其任务状态在“时间和空间”关系上提出了强约束,包括位置、姿态和速度的全状态时变控制。因此,本课题以水下无人航行器执行高速机动任务为应用背景,以横向、垂向运动不可控,横摇运动可忽略,仅配备艉部纵向推进器、垂直舵和水平舵的欠驱动UUV为研究对象,展开对其三维空间轨迹跟踪控制方法的研究,主要内容包括:（1）非对角矩阵模型的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制针对常规一类仅有x Oz平面对称（左右对称）,且非对角惯性和阻尼矩阵模型的欠驱动UUV,提出指令滤波反步控制和自适应快速非奇异终端滑模控制两种方案,分别解决了其三维空间轨迹跟踪问题。不同于传统假设UUV具有三平面对称结构,其系统惯性和阻尼矩阵无法满足对角条件。首先,在指令滤波反步控制设计中,通过控制输入和状态变换修正了UUV制导系统,给出了欠驱动UUV运动学与动力学的传统对角标准型;并引入动态面控制的一阶低通滤波器,避免了反步控制设计的“复杂性膨胀”问题;最终结合Lyapunov稳定性理论,得到了闭环控制系统的一致最终有界。其次,在自适应快速非奇异终端滑模控制方法中,系统状态变换和输出重定义的引入,不仅得到了欠驱动UUV数学模型的标准对角化,而且改变了欠驱动UUV非最小相位系统;利用积分滑模和终端滑模组合,提升了系统响应和轨迹跟踪误差收敛速度;并理论分析证明了模型参数不确定和有界扰动与航行器运动速度关系表达式,给出了鲁棒自适应滑模补偿设计。最后,仿真实验验证充分说明了所提出两种控制方法,指令滤波反步控制和自适应快速非奇异终端滑模控制的有效性,能够实现非对角矩阵模型的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪控制。（2）系统模型不确定的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制针对欠驱动UUV三维空间轨迹跟踪遭受系统模型不确定和时变随机扰动问题,分别提出了鲁棒自适应滑模控制、基于随机时变扰动理论的反步控制和有限时间控制。首先,在鲁棒自适应滑模控制中,利用双闭环积分滑模控制器对系统模型参数和有界扰动变化不敏感来提高系统鲁棒性;改进RBF神经网络直接自适应律,保证仅有一个在线自适应参数,节省了系统逼近学习时间;条件积分器有界扰动估计的引入,完美地继承了PI控制和滑模控制优势。其次,在随机时变扰动控制设计中,利用维纳过程建立欠驱动UUV非线性随机动力学方程,并结合Lyapunov理论与反步控制,提出其三维空间轨迹跟踪控制器;为进一步提升系统响应和收敛速度,在上述反步控制基础上,扩展到有限时间控制,并结合Lyapunov稳定性理论,证明了整个闭环系统轨迹跟踪误差的一致最终有界。最后,仿真实验验证充分说明了所提出的鲁棒自适应滑模控制、基于随机时变扰动理论的反步控制和有限时间控制,均能够实现系统模型不确定的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪。（3）无速度状态测量的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制针对一类仅有位置和姿态信息可测,而速度状态反馈不可行的欠驱动UUV,分别基于UUV动力学模型、神经网络自适应以及生物启发模型,提出了其非线性观测器-控制器方案,保证了水下航行器在线实时速度估计,实现了其三维空间轨迹跟踪输出反馈控制。首先,针对欠驱动UUV自主水下回坞问题,提出了初始归航轨迹制导系统,并基于无扰动UUV动力学模型,设计其速度状态观测器和输出反馈控制器,保证了欠驱动UUV初始归航时三维轨迹精确跟踪;其次,考虑UUV初始归航遭受模型参数不确定和有界扰动问题,提出神经网络自适应的扩展状态观测器-控制器方案;然后,为摆脱航行器速度估计对欠驱动UUV动力学模型的依赖,针对欠驱动UUV追踪水下动目标问题,提出基于生物启发模型的状态观测器,并详细给出了系统Lyapunov稳定性分析和仿真实验验证,得到了整个闭环轨迹跟踪控制系统一致最终有界的结论。最后,分别以欠驱动UUV初始归航和水下动目标追踪的实际应用案例为任务背景,设计了其三维轨迹跟踪控制仿真案例,充分说明了所提出的非线性观测器-控制器方案收敛、有效,能够实现无速度状态测量的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪控制。总而言之,整篇论文分别从UUV系统参数模型、时变随机扰动,以及系统状态观测三方面着手,提出了相应的控制方法并完成了算法设计和仿真验证,保证了高速欠驱动UUV三维空间轨迹的精确跟踪。

田震^[6]（2019）在《不确定系统的鲁棒控制方法研究及其在电力系统中的应用》文中认为我国电力供应具有火电和水电为主、分布式可再生能源为辅的基本特征。其中,分布式可再生能源是未来清洁能源的主要发展方向。为了缓解我国日益严峻的能源和环境危机,既需要研究清洁高效燃煤发电技术,同时也要大力发展分布式可再生能源发电及并网技术。无论是传统的燃煤火电机组还是基于分布式电源的微网,其安全高效运行均与控制系统紧密相关。本文将着重研究鲁棒控制若干关键问题及其在电力系统中的应用,为加快我国未来智能电网的建设提供理论指导和应用参考。本文的主要研究成果包括:（1）针对一类含非匹配不确定性系统,研究了基于广义干扰估计器（Uncertainty and Disturbance Estimator,UDE）的鲁棒控制方法。首先,分析了基于UDE闭环控制系统的镇定条件,提出了一种参考模型的系统设计方法。在此基础上,研究了一种基于UDE的渐近跟踪鲁棒控制方法,可同时对匹配不确定性和非匹配不确定性进行补偿。针对一类非线性不确定系统,结合UDE和滑模控制二者的优点,提出了一种连续滑模控制方法,从根本上解决了非匹配不确定性问题和滑模控制固有的抖振缺陷。（2）针对一类仿射非线性系统,结合反馈线性化和滑模控制方法,提出了一种基于自适应反馈线性化的鲁棒控制方法,以提高控制系统的动态性能和鲁棒性。首先,设计了一种自适应反馈线性化策略以消除模型不确定性所带来的线性化误差。基于线性化模型,采用超螺旋算法设计了二阶滑模控制器,并证明了闭环系统的鲁棒稳定性。为了验证所提出控制方法的有效性,将其用于亚临界火电机组的鲁棒协调控制器的设计。为此,建立了火电机组的非线性控制模型,并利用某实际机组的历史运行数据进行了模型参数辨识和模型验证。（3）针对一类受约束非线性系统,融合滑模控制和预测控制的优点,提出了一种具备双模控制律的滑模预测控制方法。当系统状态位于滑模区以外时,采用预测控制滚动优化得到的控制序列,其中预测控制器的优化目标函数同时包含滑模误差和控制输入,在约束域内使得系统状态向滑模面最优逼近。当系统状态位于滑模区以内,采用离散滑模控制律来抑制干扰,获得良好的鲁棒性能和稳态性能。此外,在理论上证明了所设计控制算法的输入-状态稳定性。考虑实际机组受运行条件约束,将所设计的滑模预测控制方法应用于超超临界机组的协调控制,验证了所提出控制方法的优良性能。（4）针对分布式电源中的电力电子变换器,研究了直流变压器和逆变器的鲁棒控制。首先,以光伏电站中直流变压器为对象,针对直流侧电压受光伏板输出电压波动、负荷变化和电路参数不确定性等干扰的影响,设计了基于UDE的连续滑模控制器,并进行了仿真和实验验证。然后,以微网中并联运行的逆变器为研究对象,以提高并联逆变器的鲁棒稳定性、电压质量和功率调整的动态性能为目标,提出了一种基于虚拟阻抗的电压补偿控制策略。通过引入互质分解和控制器参数化的概念,利用零极点配置,从控制理论的角度提出了一种统一的虚拟阻抗设计方法,从理论上严格保证了并联逆变器的稳定性。（5）针对微网中分布式电源的并网问题,研究了两种快速高精度的电压参数估计方法,即基于虚拟同步机的正弦波锁定器和基于滑模观测器的电压参数估计器。通过引入虚拟定子阻抗来消除虚拟同步机的冗余平衡点,从而保证在大扰动下电压参数估计的鲁棒性。针对传统锁相环响应速度慢、易受谐波干扰影响的缺点,通过设计滑模状态观测器和频率系数观测误差重构,获得了对电网电压参数的快速鲁棒估计。针对孤岛模式下的互联微网系统,研究多个分布式电源和微网群之间的协调控制。针对互联微网系统频率和电压的二次控制,提出了一种基于多智能体的双层分布式统一控制架构。底层控制系统负责各个分布式电源之间的协调控制,完成独立微网系统的频率/电压恢复、功率分配和经济运行等任务。上层控制负责各个微网之间的协调控制,完成微网群之间的孤岛、重联、功率分配和经济运行等任务。利用所提出的双层控制方法,互联微网系统可在多种模式之间灵活运行。

付沙沙^[7]（2019）在《非线性系统的模糊控制与自适应故障估计》文中研究指明随着科技的发展,实际控制系统变得日益复杂,往往具有高度非线性特性。虽然非线性系统理论经过几十年的长足发展,但由于非线性系统复杂多变的结构使得它在实际工程应用中仍具有很大的局限性。模糊逻辑系统作为非线性系统建模的有效工具得到学者的广泛关注,已经证明它具有在凸紧集上逼近任意光滑的非线性函数的强大的函数逼近能力。另一方面,实际系统在正常运行过程中不可避免的出现各类元器件故障,如执行器和传感器故障,故障的发生常常会带来严重的安全问题和经济损失。因此故障估计和容错控制技术的发展对提高控制系统的可靠性和安全性具有十分重要的意义。本文将利用模糊逻辑模型优越的逼近特性,针对故障情形下几类非线性系统提出一些基于模糊模型的鲁棒控制和自适应模糊观测器设计新方法。并且所提理论研究成果在连续搅拌化学反应釜,F-404航空发动机模型,和电路系统的控制与故障估计问题中得到了仿真验证。论文主要研究工作概括如下:第2章针对执行器乘性故障和随机扰动,研究了一类连续时间T-S模糊仿射随机互联大系统的鲁棒分布式控制问题。利用状态空间分区技术,将子系统的全局模糊模型划分为分段仿射模糊模型,在每个分区设计分段仿射控制器。首先,基于公共Lyapunv函数方法,借助椭球逼近原理,随机系统理论等,得到了分布式分段仿射控制器存在条件。其次,通过引入虚拟线性系统,构造满足边界条件的非奇异连续矩阵保证分段Lyapunov矩阵的可逆性,得到了基于分段Lyapunov函数方法的分布式分段仿射控制器存在条件。这一部分所提出的分段Lyapunov函数构造方法改进了目前已有研究结果,无需对控制器增益进行约束。同时所得结果也揭示了基于分段Lyapunov函数方法所得结果具有更低的保守性。第3章针对系统状态不完全可测的情况,在分段Lyapunov函数方法的框架下研究T-S模糊仿射系统的输出反馈控制问题。首先研究了传感器故障具有马尔可夫跳变形式的T-S模糊仿射系统的非同步动态输出反馈控制器设计问题。为去除模糊系统的每个局部模型具有相同的输入矩阵的严苛假设,引入积分型控制输入。基于上一章的空间分区技术设计分区上的分段模糊仿射观测器以及分段仿射控制器,得到了由原系统状态,误差变量,和控制输入组成的新的增维闭环系统。并考虑了系统状态轨迹与观测器状态轨迹的非同步问题,即两者同一时间可能不同时出现在同一个分区。得到了保证误差系统渐进稳定和鲁棒性能的动态输出反馈控制器设计条件。这一部分所研究结果适用于模糊系统前件变量不完全可测的情形,也是对目前模糊系统的基于观测器的输出反馈控制研究结果的一个改进,并且所提出的动态解耦的方法可以扩展应用到不确定模糊系统中,实现系统不确定项与控制输入的解耦。其次,考虑控制器自身扰动情况,研究了T-S模糊仿射系统的非脆弱静态输出反馈控制器设计问题。为避免求解分段Lyapunov矩阵逆矩阵的繁琐计算过程,这一部分提出了两种控制器设计的新方法,基于输入矩阵结构约束的方法和状态-输入增维方法。其中状态-输入增维方法实现了输入矩阵与控制矩阵的解耦,去除了要求输入矩阵是列满秩的假设,得到了具有更低保守性的条件。前两章所研究的系统的故障的界或者执行器参数扰动的界要求是已知的。然而实际工程中故障的界的信息很难提前获得。故障估计可以在线估计出故障的具体大小和形状,是主动容错控制设计过程的一个非常重要环节。针对切换非线性系统的故障估计问题,目前大多结果是基于滑模观测器的方法得到的,滑模面的模态依赖特点使得滑动模态在不同切换面之间切换,因此很难判断滑模面的可达性;而且非线性项要求满足具有已知或未知Lipschitz常数的Lipschitz条件。第4章研究存在传感器故障的马尔可夫跳变非线性系统的自适应模糊故障估计问题。传感器故障的界和非线性项均是未知的,其中未知非线性项由模糊逻辑系统逼近。通过系统模型增广变换,将原系统状态和传感器故障作为新的描述系统的状态向量,并经过两次线性变换,提出了针对描述系统的新型自适应模糊观测器方法,得到系统状态和传感器故障的精确估计。第5章研究同时存在传感器故障、执行器故障、和未知非线性项的切换非线性系统的故障估计问题。通过系统变换,原始切换系统转化为两个子系统,实现了传感器故障与执行器故障的分离。在此模型基础上,设计了两个新的切换自适应模糊观测器分别估计传感器故障与执行器故障,未知非线性函数由自适应模糊技术逼近。值得注意的是,该方法通过引入由输出产生的可测信号,将传感器故障转化为执行器故障的形式,很大程度上降低了设计的复杂性。

杨志敏^[8]（2019）在《直驱永磁同步风力发电机控制系统传感器故障估计与补偿》文中研究说明面对日益加剧的能源安全和环境污染问题,风能以永续利用、可再生和零排放等特点,近年来在新能源发电的占比快速增加。其中,永磁直驱风电机组以高效率转换、全功率可控和无齿轮传动等优势,装机容量和装机规模稳步增长。然而,风能资源间歇特性、高功率密度和复杂电磁干扰导致控制系统设备和器件高故障率。根据风力发电厂运行统计数据,直驱风电机组中控制系统故障率和故障停机率均高于其他设备如风力机等。传感器故障是永磁同步风力发电控制系统的常见故障,其导致测量输出与系统真实状态出现偏差,并通过控制回路将故障引入控制器。在控制回路传播过程中,传感器故障因反馈控制被消除部分跟踪误差,故障特征微弱;传感器故障在回路传播导致系统产生复合故障、乃至引发二次故障,轻则引发波形畸变降低电能质量,重则导致机组骤然脱网,危及电网运行安全和稳定。因此,研究永磁同步电机控制系统传感器故障诊断、定位和容错控制方法,对保证风电机组持续稳定运行具有重要意义。鉴于传感器故障在控制回路的传播特性,本文研究基于故障估计的多传感故障诊断与容错补偿方法。综合利用控制系统输入和测量输出,消除控制器输出对观测器中故障检测残差和故障估计的影响,解决传感器故障在控制回路中传播的难题。论文的主要研究内容如下:为解决对称三相电流矢量和为零和导致多传感器故障估计问题,通过引入转速转矩方程建立在两相静止参考坐标下的增广系统模型。针对引入转子转速和位置导致的模型非线性问题,以永磁同步发电机转子位置测量为增益调度参数,应用凸多面体建模方法建立线性参数变化系统。通过分析电流和转速传感器增益变化、输出卡死和直流偏置等故障,分别研究基于相电流传感器故障估计和基于扩展反电动势估计的转速传感器故障估计方法。分析控制回路对传感器故障传播特性和偏差消除效应,总结基于传统观测器的多传感器故障诊断算法难点问题。针对永磁同步风力发电机相电流多传感器故障定位问题,基于三相电流测量和两相电流测量控制模式,分别设计鲁棒故障估计方法,实现三相电流传感器故障定位和两相运行下的电流和转速传感器多故障在线定位。通过引入永磁同步发电机转速转矩方程增广系统模型,解决三相电流传感器故障估计难的问题。设计基于公共Lyapunov函数法和有界实引理的故障检测和故障估计观测器,应用LMI技术求解参数依赖观测器增益矩阵。在三相电流测量控制模式下,设计的多传感器故障诊断算法,实现abc三相电流传感器故障在线定位。设计两相电流测量运行下的多传感器故障估计方法,实现a相、b相和转速传感器多故障同时估计。针对转速和电流多传感器故障同时估计问题,引入永磁同步风力发电转矩转速方程,建立两相静止参考坐标下多传感器故障估计观测器,解耦dq参考坐标下模型中转速和相电流非线性乘积项。设计机械转矩和传感器故障估计的参数依赖观测器,实现转子转速和电流传感器故障的同时估计。应用线性时变系统有界实引理设计观测器在凸多面体各顶点的增益,通过永磁电机转子位置测量实时计算增益调度观测器。设计的控制系统故障补偿策略,在不改变主控制器结构的基础上实现多传感器故障补偿。该方法能够同时估计PMSG控制系统机械转矩、转速传感器故障和电流传感器故障,在线补偿机械量传感器和电流传感器故障。为增强故障估计观测器的适用性和应用性,提出一种无转子位置测量的多电流传感器故障估计与补偿方法,解决两相静止参考坐标下的PMSG系统模型调度依赖精确转子位置测量的问题。应用发电机转速转矩方程和观测器中转子转速估计计算转子位置估计,代替系统模型中的位置测量,将包含转子位置估计误差的系统模型转换为线性参数不确定模型。以转子位置估计作为观测器增益调度参数,研究基于不确定调度参数的多传感器故障估计方法。设计的增益调度观测器,能够同时估计多电流传感器故障和风力机机械转矩,适用于机械转矩随风力机捕获风能变化场景下的控制系统多传感器故障补偿。

纪文强^[9]（2019）在《基于T-S模糊仿射模型的非线性系统输出反馈控制研究》文中提出非线性系统广泛存在于许多工业领域中,其内部固有的多种形式的非线性特性为系统的稳定性分析与控制器综合带来诸多困难。Takagi-Sugeno（T-S）模糊模型是处理复杂非线性系统建模与控制的强有力的方法,其关键是使用一组模糊IF-THEN规则以若干个局部线性/仿射模型的形式表征非线性系统,这些局部模型能有效地刻画非线性系统的局部特性,然后通过模糊隶属度函数将这些局部线性/仿射模型光滑地连接起来。可以说T-S模糊模型为复杂非线性系统的描述提供了一个通用的技术框架。另一方面,对于许多实际情况而言,系统的全部状态不完全可测,因此输出反馈控制问题的研究具有重要的现实意义。本课题将基于T-S模糊仿射模型,结合滑模控制理论、自适应控制理论以及观测器设计等技术方法,对大系统、连续/离散时间非线性系统的输出反馈控制问题展开深入研究,并提出一些鲁棒输出反馈控制的新方法。论文主要研究内容如下:第二章针对一类离散时间非线性大系统,研究了分布式鲁棒H∞固定阶动态输出反馈控制问题。通过使用广义系统方法和分段二次型Lyapunov函数给出了闭环系统渐近稳定的充分条件,且成功地消除了控制器增益和系统矩阵之间的耦合问题。基于多种凸优化技术,使得分段仿射固定阶动态输出反馈控制器的增益可以方便地通过求解一组线性矩阵不等式获得。对于连续时间非线性大系统,第三章考虑非同步分布式鲁棒H∞输出反馈控制问题。在系统的前件变量不完全可测的情况下,无法保证系统的状态与控制输入信号在同一时刻均处于同一区间,即它们很有可能在区间的传递上是异步的。本章首先为T-S模糊仿射大系统设计分段模糊仿射状态观测器,然后基于估计的状态设计了分段仿射输出反馈控制器。分别基于公共和分段二次型Lyapunov函数,在统一的凸优化框架下给出非同步输出反馈控制器的综合结果。第四章基于T-S模糊仿射模型考虑一类不确定非线性系统的输出反馈滑模控制问题。通过充分分析原系统的特点并结合滑模面函数,首先建立一个广义系统以表征滑动模态的全部动态特性。然后分别基于公共和分段二次型Lyapunov函数,给出滑动模态渐近稳定的充分条件,且滑模面的增益可以在凸优化的框架下求解。提出两种输出反馈滑模控制器设计方法以保证闭环系统的状态在有限时间内到达滑模面。针对一类带有非匹配外部扰动的连续时间非线性系统,第五章研究了基于T-S模糊仿射模型的输出反馈动态滑模控制器设计问题。通过使用状态——输入增广的方法,滑动模态的动态特性得以通过广义系统的形式刻画。分别基于公共和分段二次型Lyapunov函数,给出滑动模态渐近稳定的充分条件,滑模面的增益可以通过求解一组线性矩阵不等式获得。设计了一个输出反馈动态滑模控制器以保证闭环系统的状态在有限时间内到达滑模面。值得说明的是,本章所设计的控制器可以释放所有T-S模糊仿射系统的局部仿射模型共用一个控制输入矩阵这一假设条件,且控制输入矩阵允许存在参数不确定性。第六章考虑一类离散时间不确定非线性系统的输出反馈滑模控制问题。首先通过T-S模糊仿射动态模型刻画离散时间不确定非线性系统。考虑滑模面函数的特点,通过增广技术将系统状态与控制输入构造为一个新的广义系统表征滑动模态的动态特性。基于分段二次型Lyapunov函数并综合采用凸优化技术,在统一的凸优化框架下给出滑动模态渐近稳定的充分条件,滑动模态稳定性分析的保守性得以降低。提出两种输出反馈滑模控制器设计方法,保证了滑模面的有限时间可达性。

吕剑峰^[10]（2019）在《切换系统生存性的若干问题研究》文中研究说明系统与环境之间的关系是系统科学研究的重要问题,在演化过程中系统必须不断地调节自身结构或状态以适应环境变化,从而达到系统与环境持续协调发展.生存理论是研究系统在状态约束区域内演化的一种方法,通过对可能路径进行描述,设法选取适当控制量,将系统轨迹维持在状态约束区域内,这为系统安全演化提供了基本保障,因此生存理论研究具有重要的理论与实际意义.本文对切换系统生存性问题进行了深入研究,提出了多面体区域生存性判别方法与生存核计算方法.基于非光滑分析理论研究了线性切换系统生存性判别问题.针对由有限点集凸包表示的多面体区域,给出了具有任意切换的线性切换系统在区域上生存的充分条件,该条件将边界点的生存性判别转化为有限极点处生存性条件判别;讨论了由有限极方向的非负线性组合表示的凸锥生存性判别问题,提出了相应的生存性判别方法;进一步考虑了由有限点集凸包及有限极方向非负线性组合表示的无界多面体生存性判别问题,给出了线性切换系统在无界多面体上生存的充分条件,并给出了具体判别方法.利用Lyapunov函数方向导数研究了非线性切换系统生存性与吸引性问题.对于具有分片光滑Lyapunov函数的切换系统,给出了分片光滑Lyapunov函数对应水平集是生存域与吸引域的充分条件,并利用分片光滑Lyapunov函数沿子系统的方向导数设计了相关切换律;考虑具有滑模结构的切换非线性系统,给出了Lyapunov函数对应的水平集为生存域与吸引域的充分条件,并给出了相应的切换规则;针对两类具体的分片光滑函数,给出了相应水平集是系统生存域与吸引域的充分条件.基于集合理论与可达性理论研究了离散和连续线性切换系统生存核计算问题.首先,通过建立切换系统可达集与生存核关系,将生存核计算转化为可达集的迭代,针对区域为多面体、椭球体的情形,分别提出了离散切换系统生存核的两种计算方法;其次,针对线性切换系统的特殊结构,利用集合论方法提出了一种易于实现的计算生存核的简单算法;最后,通过离散化连续系统,将离散切换系统的计算方法推广到连续切换系统,提出了近似生存核算法,由该算法得到的生存核随着选取的时间步长减小而越来越逼近于真实生存核.利用集合理论与鲁棒一步集研究了具有有界扰动的切换系统鲁棒生存核计算问题.针对不同形式的扰动,提出了计算离散时间切换系统鲁棒生存核算法;对于线性切换系统,给出了一种易于操作的鲁棒生存核算法;此外,提出了切换系统鲁棒生存核的一种内逼近计算方法,并利用零可控集证明了算法的收敛性.

二、一类非线性系统的多面滑模控制器设计（论文开题报告）

（1）论文研究背景及目的

此处内容要求：

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例：

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

（2）本文研究方法

调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、一类非线性系统的多面滑模控制器设计（论文提纲范文）

（1）复杂不确定动态系统的状态估计与滑模控制研究（论文提纲范文）

（2）具有执行器故障和干扰的非线性系统自适应容错控制研究（论文提纲范文）

（3）基于事件触发的非线性网络化系统的滑模控制（论文提纲范文）

（4）基于状态观测的输出反馈控制算法研究及改进设计（论文提纲范文）

（5）高速欠驱动UUV的三维空间轨迹跟踪控制方法（论文提纲范文）

（6）不确定系统的鲁棒控制方法研究及其在电力系统中的应用（论文提纲范文）

（7）非线性系统的模糊控制与自适应故障估计（论文提纲范文）

（8）直驱永磁同步风力发电机控制系统传感器故障估计与补偿（论文提纲范文）

（9）基于T-S模糊仿射模型的非线性系统输出反馈控制研究（论文提纲范文）

（10）切换系统生存性的若干问题研究（论文提纲范文）

四、一类非线性系统的多面滑模控制器设计（论文参考文献）

• [1]复杂不确定动态系统的状态估计与滑模控制研究[D]. 高亚斌. 哈尔滨工业大学, 2020
• [2]具有执行器故障和干扰的非线性系统自适应容错控制研究[D]. 郭斌. 电子科技大学, 2020(07)
• [3]基于事件触发的非线性网络化系统的滑模控制[D]. 褚晓安. 大连理工大学, 2019(08)
• [4]基于状态观测的输出反馈控制算法研究及改进设计[D]. 代明星. 青岛理工大学, 2019(02)
• [5]高速欠驱动UUV的三维空间轨迹跟踪控制方法[D]. 汪慢. 哈尔滨工程大学, 2020(04)
• [6]不确定系统的鲁棒控制方法研究及其在电力系统中的应用[D]. 田震. 上海交通大学, 2019
• [7]非线性系统的模糊控制与自适应故障估计[D]. 付沙沙. 哈尔滨工业大学, 2019(01)
• [8]直驱永磁同步风力发电机控制系统传感器故障估计与补偿[D]. 杨志敏. 重庆大学, 2019(01)
• [9]基于T-S模糊仿射模型的非线性系统输出反馈控制研究[D]. 纪文强. 哈尔滨工业大学, 2019(01)
• [10]切换系统生存性的若干问题研究[D]. 吕剑峰. 上海理工大学, 2019(01)