【摘 要】
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随着科学技术的不断发展以及人工智能时代的到来,智能控制的研究越发重要。智能控制通过学习人类智能活动与信息传递过程的规律,无需控制系统的精确模型,能够解决传统方法难以解决的复杂控制问题。控制的目标常常需要在有限时间内完成,且实际控制系统需要满足有限时间稳定条件。稳定性是动态系统控制理论硏究的重要一环。传统的李雅普诺夫函数稳定性判据刻画的是系统的稳态性能,闭环系统的收敛形式限制了获得更好控制性能。以上
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随着科学技术的不断发展以及人工智能时代的到来,智能控制的研究越发重要。智能控制通过学习人类智能活动与信息传递过程的规律,无需控制系统的精确模型,能够解决传统方法难以解决的复杂控制问题。控制的目标常常需要在有限时间内完成,且实际控制系统需要满足有限时间稳定条件。稳定性是动态系统控制理论硏究的重要一环。传统的李雅普诺夫函数稳定性判据刻画的是系统的稳态性能,闭环系统的收敛形式限制了获得更好控制性能。以上问题促进了对有限时间稳定性控制理论的研究。传统稳定性是渐近稳定,所研究的内容是时间趋于无穷大时控制系统的稳定性,有限时间稳定强调了一段特定时间内系统状态轨迹停留在预先设定的界内,它是时间最优的控制。本文研究了有限时间智能控制器设计与稳定性分析问题,采用智能控制技术处理非线性系统的未知项。基于李雅普诺夫函数给出了闭环系统的稳定性,收敛性与鲁棒性理论判据。本文在有限时间稳定理论的框架下,考虑了周期采样与事件触发两种机制,以智能控制技术与非线性控制技术为工具并结合滤波技术、容错控制方法、预设性能控制方法、切换系统理论等对复杂非线性系统进行了智能控制研究。主要研究内容如下:(1)控制系统的日渐复杂与控制规模的日益扩大以及对控制性能需求的不断提高使得传统的控制理论与方法已经无法满足设计要求。智能控制无需系统的精确模型,能够解决传统方法难以解决的复杂控制问题。控制系统的控制性能容易受到干扰的影响,其中包括外部环境干扰与输入通道干扰等。本文首先针对一类含有外界干扰的严格反馈非线性系统,研究了周期采样机制下的有限时间预设性能控制问题。其主要思想是采用分段函数克服传统的指数收敛率不能保证跟踪误差在设定的时间内收敛到一个有界集合,设计干扰观测器估计未知的干扰,控制信号引入干扰估计的前馈补偿项。采用模糊控制技术处理系统的未知非线性项。在有限时间稳定框架下,提出基于干扰补偿与性能函数的模糊自适应有限时间控制方案。(2)研究一类具有非仿射函数故障非线性系统的有限时间容错控制问题。实际物理系统的复杂性使得故障发生的概率增大,故障将导致控制品质与性能下降,并影响系统的稳定性。因此设计有效的控制方案来减小系统故障造成的性能下降,并提高控制系统安全性与可靠性极其重要。容错控制的研究为解决这一安全性问题提供了有效的途径。不同于线性故障(卡死失效故障、偏差增益故障等),本文考虑的非仿射函数故障属于非线性故障的范畴。控制方案中结合模糊逻辑系统与Butterworth低通滤波技术解决了未知非线性故障问题,设计的控制策略采用滤波信号处理非仿射项。提出的周期采样机制下的模糊自适应容错有限时间控制方案不仅能够保证闭环系统是半全局实际有限时间稳定,而且使得跟踪误差收敛到一个较小残差集内。(3)已上两个主要内容分别研究理想环境下无系统故障的控制问题与非理想环境下的系统故障控制问题,考虑实际中大多数控制方案是通过数字控制器作用到控制系统,周期采样控制可能会提高控制过程的单元运算与通信负荷,因此接下来研究事件触发控制问题。事件触发控制是非周期控制,其原理是通过设计触发规则(定义变量变化的信号为触发阈值)来减少系统内部信息传输负荷,在保证控制系统性能或品质的前提下有效降低控制过程的单元运算与通信负荷,在减少控制能量消耗与对传输带宽的占用方面有独特的优势。在此基础上,本文基于指数型性能函数与相对阈值研究一类非线性系统的事件触发鲁棒有限时间控制问题。设计相对阈值的事件触发控制信号降低通讯负荷并减少通信资源的浪费,有效地提高了控制过程的单元运算能力。基于干扰观测器估计由模糊逼近误差与外界干扰组成的耦合干扰,由于设计的控制器含有耦合干扰的估计信号,因此提高了鲁棒控制性能。(4)在上述三个主要研究内容的基础了,考虑到控制系统的复杂动态特性,即控制系统的非线性项与状态变量的复杂关系,因此研究非严格反馈形式系统的有限时间事件触发控制问题。这类控制系统的各个子方程均包含了系统的全部状态变量,而不是部分状态变量。使用模糊逻辑系统对非线性系统建模,设计控制信号传输值的变化作为事件触发的触发信号,提出不含故障与含有故障的两种有限时间事件触发控制方案。研究含有任意切换信号的切换控制问题,不同于采用平均驻留时间的多李雅普诺夫函数切换控制方法,本文采用共同李雅普诺夫函数设计不依赖于切换信号的控制方案,降低了控制器设计的复杂性,解决了任意切换信号的信号值难以捕获的问题。提出的方案不仅能够保证系统的良好跟踪控制性能,并且能降低控制单元的通讯负荷以及系统能量消耗。最后给出本文的结论,总结了主要研究内容与创新点,且对本文的不足与待解的问题进行了简要分析。
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