【摘 要】
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欠驱动系统广泛存在于实际生活中.由于其控制输入维数要小于自由度数量,在控制过程中不光要兼顾无驱动部分的稳定性,还要通过状态之间的强耦合性来实现无驱动部分的控制,无疑大大增加了控制设计的挑战性.同时考虑到欠驱动系统在应用时,不仅会有状态约束或者输入饱和这种限制条件,还会受到各种扰动的影响,而一般的非线性控制方法无法很好的处理这些问题.因此研究带有状态受限和输入饱和的欠驱动系统的控制方法具有非常重要的
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欠驱动系统广泛存在于实际生活中.由于其控制输入维数要小于自由度数量,在控制过程中不光要兼顾无驱动部分的稳定性,还要通过状态之间的强耦合性来实现无驱动部分的控制,无疑大大增加了控制设计的挑战性.同时考虑到欠驱动系统在应用时,不仅会有状态约束或者输入饱和这种限制条件,还会受到各种扰动的影响,而一般的非线性控制方法无法很好的处理这些问题.因此研究带有状态受限和输入饱和的欠驱动系统的控制方法具有非常重要的理论价值和应用意义.本文主要针对柔性关节机械臂系统和欠驱动水面船舶系统在干扰、状态受限以及输入饱和的条件下进行跟踪镇定控制设计,其中主要内容归结如下:·针对一类具有全状态约束和外界干扰的柔性关节机械臂系统,设计了一种非线性跟踪控制器.首先,引入非线性扰动观测器,保证扰动的渐近估计;然后,利用状态依赖函数转换,将原始的状态约束系统转换为新的无约束系统.随后,提出了一种基于非线性扰动观测器的跟踪控制器,使输出跟踪误差收敛到一个预定义的紧集,该紧集可以调整为任意小并严格证明了所有闭环系统信号的有界性.最后,仿真结果表明了该控制算法的有效性.·针对一类非对称欠驱动水面船舶系统,在输入饱和的情况下,设计了一种镇定控制器.在进行控制设计之前,将水面船舶系统通过状态和输入变换转化为具有最小相位的级联非线性系统,最后引入圆形轨迹将镇定问题转化为跟踪问题.在此基础上,将级联跟踪误差系统的等效子系统转化为非完整的新系统,并应用Nussbaum函数,设计了饱和跟踪控制律.稳定性分析表明,所设计的控制器可以通过选择一个足够小的圆半径使系统状态收敛到零,同时也能达到期望的输入饱和.仿真结果表明了该控制算法的有效性.·针对具有输出约束的全驱动水面船舶,分别提出了自适应跟踪控制器和基于扰动观测器的有限时间跟踪控制器.采用两种障碍李雅普诺夫函数来处理输出约束.应用正切型障碍李雅普诺夫函数和自适应控制技术设计了自适应跟踪控制器,应用对数型障碍李雅普诺夫函数和有限时间扰动观测器提出了有限时间轨迹跟踪控制器.在这两种控制器的作用下,都可以实现给定的输出约束,且闭环误差系统是半全局渐近稳定的.仿真结果验证了两种控制策略的有效性.
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