具有磁滞和干扰的非线性系统非递归控制器设计

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非线性系统控制是控制领域的一个重要分支,长期以来,学者们致力于设计响应更快,性能更优,更加切合实际生产的非线性系统控制器。在设计控制器时,必须考虑如何降低控制器复杂度,提高控制精度以及综合考虑实际生产中可能存在的多种干扰因素。另外,传统的Lyapunov渐进稳定结果对系统收敛时间未给出限制,不适用于现实工业生产中,相比之下,有限时间稳定更加具有实用价值。研究表明,满足有限时间稳定性的控制系统同时有着更优良的控制性能和抗干扰能力。因此,针对含有干扰因素的非线性系统设计控制器,实现有限时间稳定,这一研究有着的较高的理论价值和广阔的应用前景。目前,相关研究已经取得了许多成果,然而其中大部分的研究成果均是基于Backstepping思想进行控制器设计的,在对高阶系统进行控制时,递归的设计方法必然存在大量微分运算,造成“微分爆炸”现象,导致实际系统运算负荷增加。本文以一类具有外部干扰的高阶非线性系统为研究对象,以齐次系统理论为基础,结合增加幂积分法以及齐次占优理念,提出了一种非递归控制器设计思路。在避免了大量求导运算同时得到有限时间稳定结果。本文的主要研究工作归纳如下:(1)首先介绍了非线性系统有限时间稳定相关知识及研究成果,包括有限时间稳定的概念和有限时间稳定判据;介绍了齐次系统理论的基础知识,包括齐次系统齐次度概念和性质,广义齐次度概念及广义齐次系统有限时间稳定判断定理。(2)本文以一种类间隙磁滞为研究对象,给出其微分方程模型并分析验证该模型的正确性。以一类含有类间隙磁滞的二阶系统为例,设计了 一种自适应鲁棒控制律对磁滞非线性进行补偿。该方法用非光滑投影算子对自适应参数进行估值,避免了自适应参数无界问题,之后给出了参数自适应律,并且通过设计合适的Lyapunov函数对系统的收敛性进行分析。最后利用Matlab软件对本文提出的控制策略进行数值仿真实验,实验结果证明了该算法的可行性。(3)针对一类含有间隙类磁滞以及外部扰动的高阶非线性系统,结合增加幂积分法和齐次占优的思想,给出了这一系统的非递归控制器设计思路和参数自适应律。该算法能够较好的补偿类间隙磁滞的影响,相较于传统的Backstepping算法,有效地降低了控制设计难度,减少了计算量。然后设计Lyapunov函数对系统稳定性进行分析,结合有限时间稳定判据,给出了系统全局有限时间稳定性证明。最后通过仿真实验验证了该方案的可行性。
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