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作为一类重要的非线性系统,端口受控Hamilton系统具有明确的物理意义结构,广泛地存在于生命科学、物理科学以及工程科学等众多领域。端口受控Hamilton系统是欧拉-拉格朗日系统的推广,天体力学、生物工程等众多工程系统都可以由端口受控Hamilton系统描述,因此该系统的研究长盛不衰。经过专家学者的不懈努力,Hamilton系统理论已经发展成为当今非线性科学研究中一个非常重要的研究方向。
在实际工程系统中,包括系统参数摄动、未建模动态和外界干扰等在内的干扰无处不在,这些干扰严重影响系统的控制性能。为了提高控制系统的精度,抗干扰控制已成为控制系统设计的一个核心问题。主动抗干扰控制是指利用干扰观测器对受扰系统中的干扰进行估计,然后利用干扰估计信息进行干扰前馈补偿设计,并与基于偏差调节的反馈控制设计相结合,形成复合控制器的一种抗干扰控制框架。主动抗干扰控制可以显著提高闭环系统的抗干扰性能,不仅获得了控制界同行的广泛关注和认可,而且已经被成功应用于工业生产。
本论文针对干扰对端口受控Hamilton系统的影响,研究了主动抗干扰控制问题。主要包括一类含匹配干扰的端口受控Hamilton系统的全局镇定,一类含匹配干扰的两个端口受控Hamilton系统的全局同时镇定,一类含不匹配干扰的端口受控Hamilton系统的全局输出调节和一类含匹配干扰的端口受控Hamilton多智能体系统的组群输出一致性协议设计。论文的主要研究结果概括如下:
一、针对一类受匹配干扰影响的端口受控Hamilton系统,提出了Hamilton系统镇定和有限时间镇定的复合控制方案。首先基于阻尼注入方法,设计基准反馈控制器。其次针对受扰Hamilton系统,设计非线性/有限时间干扰观测器对干扰进行估计,基于估计信息分别设计前馈补偿控制。然后基于基准反馈控制算法和前馈补偿控制信息设计复合控制方案,再结合有限时间控制技术设计有限时间复合控制算法,分别实现匹配干扰存在情况下Hamilton系统的镇定和有限时间镇定。最后将所提出的复合控制策略应用于受扰电路系统,对所提两种方案进行数值仿真验证,仿真结果表明所提出的控制方案不仅显著地提高了闭环系统的抗干扰性能而且还具有标称性能恢复的优点。
二、针对一类受匹配干扰影响的两个端口受控Hamilton系统的同时镇定和有限时间同时镇定问题,提出了两种复合控制方案。首先针对两个标称Hamilton系统,基于Hamilton系统的结构,通过设计一种输出反馈控制器,使得两个Hamilton系统组合生成一个全局渐近稳定/有限时间稳定的增广Hamilton系统。其次考虑干扰对Hamilton系统的影响,设计非线性/有限时间干扰观测器对干扰进行估计,并基于干扰估计信息分别设计干扰补偿控制器。然后基于输出反馈控制器和干扰补偿控制器设计复合同时控制器,再结合有限时间控制技术设计有限时间复合同时控制器,分别实现干扰存在情况下,增广Hamilton扰动系统的镇定和有限时间镇定,即两个Hamilton扰动系统的同时镇定和有限时间同时镇定。最后将所提两种复合控制方案用于数值仿真验证,仿真结果表明所提出的复合控制方法不仅能够在干扰环境下同时镇定两个系统而且能在无干扰环境下保持基准控制器的标称性能。
三、针对一类受不匹配干扰影响的端口受控Hamilton系统,分别研究了二阶和高阶Hamilton系统的全局输出调节问题。首先针对标称Hamilton系统,通过阻尼注入技术,设计基准反馈控制器。其次考虑到不匹配干扰对系统的影响,设计有限时间/非线性干扰观测器估计干扰,基于干扰估计信息,并设计一个/一系列坐标变换使得系统的不匹配干扰表现为系统匹配干扰的形式,再设计干扰补偿控制。然后,将基准反馈控制与干扰补偿控制相结合,设计两类复合控制器,所提出的复合控制方案不仅能够抑制不匹配干扰对系统输出的影响,而且能够保证系统输出渐近收敛。最后基于永磁同步电机和数值的例子对所提两种复合控制方案分别进行仿真验证,仿真结果表明了所提复合控制策略的有效性和优越性。
四、针对受匹配干扰影响的一类端口受控Hamilton多智能体系统,通过设计复合控制协议研究系统的组群输出一致性问题。通过结合能量整形和阻尼注入方法,有限时间干扰观测器技术和分布式协议,构造复合分布式控制方法,可以使得闭环Hamilton多智能体系统实现组群输出一致性。同时该方法可以准确地估计出多种类型干扰,并且该复合控制协议能够消除干扰对输出通道的影响。该控制方案不仅具有较好的鲁棒性,而且具有较好的标称系统恢复性能。仿真例子表明,所设计的控制协议不但可以实现多智能体系统的组群输出一致性,而且还具有较好的抗干扰性能。
在实际工程系统中,包括系统参数摄动、未建模动态和外界干扰等在内的干扰无处不在,这些干扰严重影响系统的控制性能。为了提高控制系统的精度,抗干扰控制已成为控制系统设计的一个核心问题。主动抗干扰控制是指利用干扰观测器对受扰系统中的干扰进行估计,然后利用干扰估计信息进行干扰前馈补偿设计,并与基于偏差调节的反馈控制设计相结合,形成复合控制器的一种抗干扰控制框架。主动抗干扰控制可以显著提高闭环系统的抗干扰性能,不仅获得了控制界同行的广泛关注和认可,而且已经被成功应用于工业生产。
本论文针对干扰对端口受控Hamilton系统的影响,研究了主动抗干扰控制问题。主要包括一类含匹配干扰的端口受控Hamilton系统的全局镇定,一类含匹配干扰的两个端口受控Hamilton系统的全局同时镇定,一类含不匹配干扰的端口受控Hamilton系统的全局输出调节和一类含匹配干扰的端口受控Hamilton多智能体系统的组群输出一致性协议设计。论文的主要研究结果概括如下:
一、针对一类受匹配干扰影响的端口受控Hamilton系统,提出了Hamilton系统镇定和有限时间镇定的复合控制方案。首先基于阻尼注入方法,设计基准反馈控制器。其次针对受扰Hamilton系统,设计非线性/有限时间干扰观测器对干扰进行估计,基于估计信息分别设计前馈补偿控制。然后基于基准反馈控制算法和前馈补偿控制信息设计复合控制方案,再结合有限时间控制技术设计有限时间复合控制算法,分别实现匹配干扰存在情况下Hamilton系统的镇定和有限时间镇定。最后将所提出的复合控制策略应用于受扰电路系统,对所提两种方案进行数值仿真验证,仿真结果表明所提出的控制方案不仅显著地提高了闭环系统的抗干扰性能而且还具有标称性能恢复的优点。
二、针对一类受匹配干扰影响的两个端口受控Hamilton系统的同时镇定和有限时间同时镇定问题,提出了两种复合控制方案。首先针对两个标称Hamilton系统,基于Hamilton系统的结构,通过设计一种输出反馈控制器,使得两个Hamilton系统组合生成一个全局渐近稳定/有限时间稳定的增广Hamilton系统。其次考虑干扰对Hamilton系统的影响,设计非线性/有限时间干扰观测器对干扰进行估计,并基于干扰估计信息分别设计干扰补偿控制器。然后基于输出反馈控制器和干扰补偿控制器设计复合同时控制器,再结合有限时间控制技术设计有限时间复合同时控制器,分别实现干扰存在情况下,增广Hamilton扰动系统的镇定和有限时间镇定,即两个Hamilton扰动系统的同时镇定和有限时间同时镇定。最后将所提两种复合控制方案用于数值仿真验证,仿真结果表明所提出的复合控制方法不仅能够在干扰环境下同时镇定两个系统而且能在无干扰环境下保持基准控制器的标称性能。
三、针对一类受不匹配干扰影响的端口受控Hamilton系统,分别研究了二阶和高阶Hamilton系统的全局输出调节问题。首先针对标称Hamilton系统,通过阻尼注入技术,设计基准反馈控制器。其次考虑到不匹配干扰对系统的影响,设计有限时间/非线性干扰观测器估计干扰,基于干扰估计信息,并设计一个/一系列坐标变换使得系统的不匹配干扰表现为系统匹配干扰的形式,再设计干扰补偿控制。然后,将基准反馈控制与干扰补偿控制相结合,设计两类复合控制器,所提出的复合控制方案不仅能够抑制不匹配干扰对系统输出的影响,而且能够保证系统输出渐近收敛。最后基于永磁同步电机和数值的例子对所提两种复合控制方案分别进行仿真验证,仿真结果表明了所提复合控制策略的有效性和优越性。
四、针对受匹配干扰影响的一类端口受控Hamilton多智能体系统,通过设计复合控制协议研究系统的组群输出一致性问题。通过结合能量整形和阻尼注入方法,有限时间干扰观测器技术和分布式协议,构造复合分布式控制方法,可以使得闭环Hamilton多智能体系统实现组群输出一致性。同时该方法可以准确地估计出多种类型干扰,并且该复合控制协议能够消除干扰对输出通道的影响。该控制方案不仅具有较好的鲁棒性,而且具有较好的标称系统恢复性能。仿真例子表明,所设计的控制协议不但可以实现多智能体系统的组群输出一致性,而且还具有较好的抗干扰性能。