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《东北大学》 2010年
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非线性系统自适应模糊控制方法研究

李平  
【摘要】:自适应模糊控制是一种重要的控制方法,它能有效地控制带有模型不确定性的非线性系统。而由于实际的系统大多都是非线性的,所以该方法具有很大的发展空间。同时,在系统运行过程中,不可避免地会发生各种故障,因此容错控制也受到了广泛关注。本文基于自适应模糊方法,给出了鲁棒跟踪控制方案和容错控制方案。容错控制主要考虑的是执行器的卡死和失效两种故障。实际上死区现象也大量存在于各类系统中,所以死区控制也是一个很有价值的研究课题。本论文还给出了一个新的死区模型并基于这个模型提出了一种新的自适应模糊死区控制方法。 本文基于Lyapunov稳定性理论和模糊逻辑系统的万能逼近特性,为带有模型不确定性的非线性系统设计了鲁棒输出跟踪控制器,容错控制器和死区控制器。绝大多数已有方法都要求模糊逼近器的基函数已知,并且有些方法的在线计算负担很大,针对这些问题,本文给出了一种新的自适应模糊控制器,这种控制器不要求模糊逼近器的基函数已知,并且有效减轻了在线计算负担。所设计的控制器能够保证闭环系统的稳定性和满意的输出性能。主要工作包括以下几个方面: 一、针对满足匹配条件的模型不确定非线性系统,基于自适应模糊逼近方法和Lyapunov稳定性理论,提出了一种间接自适应模糊鲁棒控制方案。该方案用控制设计中的自适应模糊逼近器构造了被控系统的辨识模型,并用辨识误差改进了在线可调参数的自适应律,从而可以获得更好的跟踪和逼近性能。这种方案在一定程度上解决了控制力度与扰动抑制水平之间的权衡问题。理论证明和仿真例子都说明了所提出方法的有效性。 二、为几类满足匹配条件的非线性系统设计了容错输出调节和容错输出跟踪控制器。虽然被控系统存在模型不确定性和执行器故障,设计出的控制器能够使闭环系统容忍所发生的故障而实现闭环稳定性和预期的控制效果。理论上用分段分析的方法证明了所提出的方法的有效性,仿真结果进一步验证了所得结论。 三、针对一些带有模型不确定性的严格反馈非线性系统,基于自适应模糊逼近方法研究了容错控制问题。利用反步设计技术,取消了被控系统需满足匹配条件的限制,将自适应模糊容错控制方法推广到了不确定的严格反馈非线性系统中。当被控系统存在外界扰动时,利用附加控制同时处理了外界扰动和模糊逼近误差对系统的影响。接着又针对一类非线性多输入多输出系统,设计了一种容错控制器。通过采用积分型的Lyapunov函数进行设计,得出的控制器能够容忍时变的执行器故障。给出的仿真例子证明了所给控制方案的可行性。 四、研究了一类带有模型不确定性和时变摄动死区的严格反馈非线性系统。提出了一种新的死区模型,该模型描述的死区特性可以是时变的,而且可以带有摄动。基于这种死区模型,给出了一种新的自适应模糊死区控制方法。该方法通过将死区特性分解成一个线性类似项,一个非线性项和一个扰动类似项改善了控制器的性能,所得控制器保证闭环系统的稳定性和满意的输出跟踪性能。给出的仿真例子验证了所设计的控制器的有效性。 五、针对带有模型不确定性的严格反馈非线性系统,考虑了基于非线性参数化的模糊逼近器进行控制设计的问题,给出了一种新的自适应模糊控制方法。新的方法在设计控制器时不要求模糊逼近器的基函数已知,这就放松了控制设计的条件。但在这种情况下,模糊逼近器中的未知参数是非线性的,这会给参数自适应律的设计带来很大困难。通过把估计误差展成Taylor级数的形式并经过一些处理,可以解决未知参数的非线性问题,从而可以基于Lyapunov(?)急定性定理得出自适应律。此外,所设计的自适应律是对未知参数向量的范数进行调节,这就减小了控制器的在线计算负担。仿真结果说明所给方法能够实现给定的控制目标。最后对本文的工作做了总结,同时对下一步的研究工作进行了展望。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP13

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