执行器饱和下线性系统的控制与抗饱和设计

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在许多工程系统中,出于安全需求以及物理结构限制等因素,执行器饱和现象是不可避免的。执行器发生饱和使得控制器的输出信号与被控对象的输入信号不一致,可能导致实际系统性能下降,甚至造成闭环系统不稳定。由于具有执行器饱和的闭环系统本质上是非线性的,这增加了系统分析与设计的复杂性。在实际工程问题中,系统除了存在执行器饱和现象外,还存在由于系统本身或控制装置引入的时间延迟,较大的时滞也是导致系统失稳的一个重要因素。就目前而言,控制领域的学者们针对执行器饱和特性的研究主要集中在单一系统上。然而,在执行器饱和线性多智能体系统的研究中,关于输出反馈控制与抗饱和补偿器(anti-windup)设计还存在一定的保守性。本文主要针对执行器饱和的线性时滞系统以及线性多智能体系统,研究其执行器饱和约束下增益调度控制设计以及抗饱和补偿器设计问题。本文的主要工作概述如下:首先,研究了执行器饱和线性微分包含系统的鲁棒镇定问题。基于参数相关的复合二次Lyapunov函数,设计一族连续的非线性状态反馈控制器,相比于基于二次Lyapunov函数的分析方法,得到了一组保守性更小的鲁棒性条件。根据系统状态调度控制增益,保证闭环系统是输入到状态稳定的,并且减小系统峰值到峰值(peak-to-peak,缩写为PP)的性能指标。此外,结合线性样条差值方法与路径跟踪(path-following)方法,给出参数相关双线性矩阵不等式的求解条件。其次,针对具有执行器饱和的线性状态时滞系统,基于参数相关的Lyapunov-Krasovskii泛函设计一族连续控制器。根据闭环系统当前时刻状态,选择不超过执行器饱和界限、并且使得闭环系统具有最佳性能指标的控制器,保证闭环系统局部输入到状态的稳定性,减小从外部干扰到被控输出的PP增益。针对具有执行器饱和约束的线性输入时滞系统,为了降低传统线性状态反馈的保守性,根据时滞大小,本文将输入时滞系统视作由可镇定子系统与不可镇定子系统构成的切换系统。设计切换规则,在切换控制器作用下,闭环系统的稳定性可允许存在更大的时滞上界以及更大的吸引域估计。值得注意的是,以上控制器设计一直考虑着执行器饱和的影响,控制器设计侧重于如何避免控制输入超过饱和界限,或者借助辅助矩阵将饱和非线性函数表示为线性函数凸包的形式。众所周知,另一种处理饱和约束的有效方法是抗饱和补偿器设计法,抗饱和补偿器依赖于一个性能较高的标称控制器,只有当执行器饱和现象发生时,才会将执行器前后的误差信号输入控制器中,通过调节控制信号来减轻饱和约束对系统的影响。针对带有执行器饱和约束的多智能体系统,控制器设计存在着个体之间的信息交互,使得多智能体系统的控制设计以及抗饱和补偿器设计更加复杂。最后,研究了带有饱和约束线性多智能体系统的跟踪一致性问题与包含问题,为跟随者设计分布式的动态输出反馈控制,以及抗饱和补偿器设计方法。针对更复杂的情况即多智能体系统具有多个领导者、且领导者的动态系统具有时变的控制输入的情况,本文将领导者的控制输入视作包含误差系统的外部扰动,通过最小化该外部扰动到包含误差的PP增益,解决领导者对跟随者的包含问题。当跟随者的执行器发生饱和时,为每个跟随者设计独立的静态抗饱和补偿器,以确保输入受限下的闭环系统是内部稳定的,并且满足一定的性能指标。并且以线性矩阵不等式的形式给出了控制增益以及抗饱和补偿器增益的求解条件。
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