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非匹配不确定非线性系统自适应模糊控制

李永明  
【摘要】:随着科学技术的进步,许多实际工程控制系统日趋复杂,往往呈现出严重的不确定性、非线性性、多变量性、强耦合性等特征,因此研究复杂不确定非线性系统的控制问题不仅具有重要的理论意义,而且具有广泛的应用价值。自适应模糊控制是解决此类复杂系统控制设计问题的重要方法之一。本文以模糊控制、自适应控制和非线性鲁棒控制为理论框架,用模糊逻辑系统对不确定非线性系统进行模糊建模,针对典型的不确定非线性系统,提出了一系列自适应模糊控制方法和策略,并应用数学方法给出了模糊闭环系统的稳定性、收敛性和鲁棒性的理论证明。主要研究工作如下: 1.针对三类状态可测的非匹配单输入单输出不确定非线性系统,分别提出自适应模糊状态反馈控制设计方法。三类非线性系统分别包含未知的非线性函数、非光滑非线性输入(饱和输入、死区输入、滞回等)、未建模动态和随机扰动。设计中,模糊逻辑系统分别用来辨识系统未知非线性函数或组合函数,基于反步递推设计方法、自适应鲁棒控制理论、随机小增益技术、障碍函数技术和自适应模糊控制技术,给出三种自适应模糊控制器设计方案,并基于李雅普诺夫稳定理论和随机稳定理论证明闭环系统的稳定性和收敛性。仿真研究进一步验证所提方法的有效性。 2.针对三类状态不可测的非匹配单输入单输出不确定非线性系统,分别提出自适应模糊输出反馈控制设计方法。三类非线性系统的状态均不可测,且系统包含未知的非线性函数、饱和输入、死区输入和未建模动态。设计中,模糊逻辑系统用来辨识系统的未知非线性函数,分别设计模糊滤波观测器和模糊状态观测器估计系统的不可测状态,基于所设计的滤波观测器和状态观测器,并结合反步递推设计方法、自适应鲁棒控制理论、小增益技术、自适应模糊控制技术和动态面控制技术,给出三种自适应模糊输出反馈鲁棒控制器设计方案,并基于李雅普诺夫稳定理论证明闭环系统的稳定性和收敛性。仿真研究进一步验证所提方法的有效性。 3.针对两类状态不可测的非匹配不确定非线性互联大系统,分别提出自适应模糊输出反馈分散控制设计方法。两类非线性系统分别是非线性纯反馈系统和非线性严格反馈时滞系统。先通过巴特沃斯低通滤波器和坐标变换,将原有的纯反馈系统转换为严格反馈系统,之后,模糊逻辑系统用来辨识两类严格反馈系统的未知非线性函数,分别设计模糊状态观测器和高增益模糊滤波观测器估计系统的不可测状态,基于反步递推设计方法,分散控制理论及动态面控制技术,设计自适应模糊分散控制器,基于李雅普诺夫稳定理论和Lyapunov-Krasovskii泛函理论证明闭环系统的稳定性和收敛性。仿真研究和仿真比较进一步验证所提方法的有效性。 4.针对两类非匹配多输入多输出不确定非线性随机系统和时滞系统,分别提出自适应模糊输出反馈控制设计方法。两类非线性系统包含未知的非线性函数,未知死区输入、滞回输入、未知的控制方向、未知时滞项和随机扰动。设计中,首先,构造模糊状态观测器估计系统不可测状态,其次,基于此状态观测器,结合反步递推设计方法、Nussbaum增益技术和多变量解耦技术,设计自适应模糊输出反馈解耦控制器,最后,基于李雅普诺夫稳定理论和随机稳定理论证明闭环系统的稳定性和收敛性。仿真研究进一步验证所提方法的有效性。


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