不确定非线性系统控制性能提高的自适应设计方法研究

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随着工业的发展,被控系统变得越来越复杂。在实际工程操作过程中,各种不确定性例如时滞、磁滞、死区等无处不在,它们的存在将会增加控制器设计的难度,影响系统的性能,甚至会导致振荡的产生,使系统不稳定无法正常运转,造成不必要的损失。因此对于实际工程的安全保障而言,学术界很有必要深入研究不确定非线性系统。此外,现在的一些工程项目常常对控制性能有一定的要求,因此需要设计控制算法,在保证被控系统稳定性的基础上提高稳态和瞬态性能,扩大方案的适用范围。基于动态面技术,本文针对几类不确定非线性系统设计了自适应控制算法,提高了系统的控制性能,并作了有效性验证。本文的主要工作如下:(1)针对一类具有未知类间隙磁滞特性输入的非线性不确定系统的渐近跟踪控制问题,通过引入新颖的非线性滤波器,提出了一种新的自适应动态面控制算法。在该滤波器中考虑了补偿项补偿了传统动态面控制中存在的边界层误差,且通过调节设计参数可以提高跟踪性能。同时,基于类间隙磁滞和外部干扰设计了光滑的自适应控制器。分析结果表明,所构造的控制器能够保证闭环系统的稳定性,理论上实现输出信号的零误差跟踪。最后,理论分析和算例仿真验证了所提控制方案的可行性。(2)针对一类具有未知类间隙磁滞输入和外部扰动的多输入多输出耦合非线性时滞系统,设计了一种自适应神经网络动态面控制方法。为了避免传统Backstepping控制中存在的“微分爆炸”问题,采用动态面技术,在消除类间隙磁滞影响的同时,简化了设计。利用RBF神经网络逼近未知函数,直接估计神经网络权值向量范数的最大值和耦合强度的最大值,极大地降低了自适应调参的数目,减轻了计算负担。构造指数型Lyapunov-Krasovskii泛函抵消了未知时变时滞,引入Funnel控制令整个系统的瞬态和稳态误差始终在Funnel边界函数范围内变化。理论分析和算例仿真验证了所提控制方法的可行性。(3)针对一类具有未知死区输入的单输入单输出不确定非线性系统,提出了一种自适应输出反馈控制方法。基于高增益K观测器,被控系统中的未知状态进行了重构,使得设计过程得以进行。然后,将死区模型的非线性部分当作“类扰动项”,采用动态面控制,简化了设计步骤,且自适应调参律仅用于设计的第一步。最后结合初始化技术保证了系统跟踪误差的L_∞性能。理论分析证明,在抵消死区影响的同时,通过调参可使输出跟踪误差收敛到任意小。最后,理论分析和算例仿真验证了所提控制方法的可行性。
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