LPV系统的变增益PID控制器设计

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实际中的很多被控对象和环节是高度非线性的。通常来说,如果我们只采用传统的线性控制方法,无法满足实际系统对于性能方面的要求。采用非线性的控制策略会增大工程实现的复杂性。很多的非线性系统,如飞行器、航空发动机等可以被建模为线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)系统。然后,借助线性系统的理论可以确保系统的稳定性、鲁棒性、跟踪性能等性能,从而可以方便地分析实际系统和设计控制器。在控制器设计方面,基于PID控制器形式简单、易实现的特性,在工业控制中多被使用。除此之外,随着计算机网络技术的发展,事件触发机制被提出,相比于传统的时间触发控制节省了通信资源。同时,我们可以设计事件触发机制来确保系统的性能。本文将针对LPV系统,分别研究区域调节、H∞跟踪控制、常值输出跟踪问题,涉及变增益PID控制器、事件发生器、状态观测器的设计问题。文章的主要内容如下:首先,针对于具有不稳定极点的一阶LPV被控对象,将闭环系统的区域极点与系统输出的时域动态性能指标联系起来,给出了变增益PID控制器、变增益PI控制器和不完全微分的变增益PD控制器参数的调节范围,使得闭环系统的极点配置在指定的复平面区域内,使系统具有指定的动态性能。仿真结果验证了理论结果的可行性和有效性。然后,针对于LPV系统设计基于事件触发机制的切换的变增益控制器以实现对于线性时不变(Linear Time Invariant,LTI)参考模型的H∞跟踪控制。将参数区间进行划分,采用平均驻留时间的切换规则,给出了在确保H∞跟踪性能下联合设计切换的变增益控制器和事件发生器的充分条件。采用切换的变增益控制器得到的最优加权H∞性能指标比采用单一的变增益控制器得到的最优加权H∞性能指标更小,即采用切换策略提升了系统对于外部干扰的抑制能力。除此之外,给出了连续两次事件触发的时间间隔下界严格为正的证明,避免了 Zeno现象的发生,具有理论和实际意义。仿真结果验证了理论结果的可行性和有效性。最后,针对于状态不完全可测的LPV系统,给出了可以联合设计基于事件触发的变增益PI控制器和更新系统状态、参数的两个事件发生器实现跟踪常值参考信号的充分条件。而且,给出了仅采用变增益P控制器无法做到常值输出精确跟踪的理论证明。除此之外,给出了连续两次触发的时间间隔下界是严格为正的证明,得到的间隔下界与触发条件阈值和参数的变化率上界有关。仿真结果验证了理论结果的可行性和有效性。
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