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带有执行器故障和时滞的非线性系统的自适应控制

马加立  
【摘要】:在现实世界中,大部分被控系统本质上都是非线性的,并且含有不确定性。与此同时,系统往往存在执行器故障和时延现象。因此,带有执行器故障和时滞的非线性系统的控制问题引起了国内外学者的广泛关注。近年来,在非线性系统稳定性理论、自适应控制、反步(Backstepping)设计方法、神经网络以及其他设计工具的基础上,非线性系统的自适应控制设计取得了丰富的研究成果。但是现有的大部分成果往往需要较强的假设条件且考虑的系统具有一定的局限性。基于此,本文将进一步针对具有执行器故障和时滞的非线性系统进行设计和分析。主要内容包括:1.针对含有执行器故障和未知控制系数的严格反馈非线性系统,研究全局自适应容错控制和有限时间控制问题。首先,在故障信息和系统参数上下界未知的前提下,利用反步方法设计一类切换类型的自适应控制器,通过在线调节控制器参数,实现闭环系统的一致渐近稳定。其次,考虑系统的全局有限时间控制问题。利用增加幂次积分方法,设计系统的自适应控制器,并且通过在线调节控制器参数,实现闭环系统的有限时间稳定。最终,通过相应的仿真实验验证所提设计方案的有效性。2.针对含有执行器故障和未知控制系数的高阶不确定非线性系统,研究自适应有限时间控制问题。首先移除现有文献对故障信息和未知控制系数的假设条件。然后引入符号函数和新颖的坐标变换,利用增加幂次积分法设计切换类型的自适应控制器。其次,基于Lyapunov函数,设计控制参数自适应律。并且利用非线性系统的有限时间稳定性理论,证明闭环系统的有限时间稳定性。最后通过数值仿真和比较实验,验证所提设计方案的有效性。3.针对含有执行器故障和不匹配扰动的严格反馈非线性系统,研究系统的自适应渐近跟踪控制问题。首先,通过在虚拟控制器中引入光滑函数,补偿了未知的外部扰动。然后利用新颖的命令滤波器解决复杂度爆炸问题,并且引入符号函数,保证补偿信号的有限时间稳定。结合命令滤波和反步设计方法,设计系统的自适应控制器,保证系统跟踪误差渐近收敛到原点。其次,针对带有执行器故障的严格反馈非线性系统,研究实际有限时间控制问题。通过结合命令滤波和反步设计方法,设计一类切换类型的控制器并给出控制器参数自适应律。通过在线调节控制器参数,保证闭环系统的实际有限时间稳定性。最后通过仿真算例验证所提方案的有效性。4.针对含有输入时滞的不确定严格反馈非线性系统,研究自适应状态反馈和输出反馈控制问题。首先,通过Pade拟合方法,构建外部补偿系统,并在此基础上,引入新颖的坐标变换。结合反步设计和神经网络方法,设计系统自适应状态反馈控制器。其次,在系统状态不可测的情况下,设计一类线性观测器估计未知的系统状态。然后同样结合Pade拟合,反步法和神经网络方法,设计系统的自适应输出反馈控制器,并且利用Lyapunov稳定性理论证明闭环系统信号的半全局一致渐近有界性。最终通过相应的仿真实验验证所提算法的有效性。


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