非仿射非线性系统控制综述

作为仿射非线性系统更一般化的描述,非仿射非线性系统所对应的实际应用更加广泛,也更贴近实际。因此,研究非仿射非线性系统的控制问题十分重要。然而,非线性系统的非仿射特性会使控制信号以非线性函数形式出现在闭环系统中,从而带来诸如控制方向未知、奇异、过零等问题。由此,解决非仿射非线性系统的控制问题面临着巨大的挑战。基于此,介绍了仿射、严格反馈和高阶系统的相关背景知识,总结和分析了解决非仿射非线性系统控制的3种解决思路,包括函数变换法、参考模型法和数据驱动法。在已有的研究成果基础上,指出非仿射非线性系统研究领域所面临的挑战和发展趋势。

输入受限的二阶非仿射非线性不确定系统串级自耦PID控制

针对一类输入受限的二阶非仿射非线性不确定系统的控制问题,提出了一种串级自耦PID控制方法。在考虑了系统输入饱和受限的前提下,将二阶系统分为外环广义位移环和内环广义速度环,分别采用自耦PD和自耦PI算法实现串级控制策略。解决了自耦PID控制面对输入信号为阶跃信号时需要设计过渡过程的短板;设计了串级耦合速度因子,并将内外环的可调参数进行了数据拟合,进一步降低了控制器的调参难度,分析并证明了串级自耦PID控制的合理性和稳定性。仿真结果表明,所提控制方法较自耦PID控制不仅响应速度快、鲁棒性更好,而且具有极强的抗干扰能力,在一类二阶非仿射非线性不确定系统的控制领域具有广泛的应用前景。

基于零和微分对策的非仿射导弹拦截系统制导律设计

文中基于零和微分对策理论研究了非仿射导弹拦截系统制导律设计问题。首先构建辅助系统,将系统转化为仿射非线性增广形式;其次将导弹与目标视为对抗双方,根据极大极小值原理,设计最优微分对策制导策略,使得拦截系统能够满足预设的性能指标;接着为了获得HJI(Hamilton-Jacobi-Isaacs)方程解析解,利用积分自适应动态规划技术构建神经网络;然后设计积分型自适应权值更新律,在线学习最优微分对策制导律,通过Lyapunov方法证明了闭环系统的有界性;最后将所提算法应用于非仿射导弹拦截系统。仿真结果表明,导弹视线角速率和相对速率满足目标成功捕获必要条件且脱靶量为1 m左右,导弹能够成功拦截目标。

多变量仿射非线性系统的可逆性秩判据

系统的可逆性判别是非线性控制的逆系统方法的关键,为探索可逆性分析的新途径,该文将系统可逆的秩检验法引入到多变量仿射非线性系统中,其实质是将系统的可逆性判定转化为对系统的输出函数及其导数所构成的雅可比矩阵的秩条件分析。文中给出了仿射非线性系统可逆的秩判据定理与证明过程,提出了一种具体的求逆算法,最后,举例对算法进行了验证,通过与微分几何法和逆系统方法的比较说明了秩判据法的有效性。

一类非仿射非线性时滞系统的动态状态反馈镇定

本文讨论了一类非仿射非线性时滞系统的全局镇定问题.通过引入辅助积分系统和构造合适的LyapunovKrosovskii泛函,提出了一种基于反推法的时滞无关动态状态反馈控制器,所提控制方法无需时滞的任何先验知识.利用Lyapunov稳定性理论证明了该控制策略能够保证非仿射时滞系统状态渐近收敛于原点,且所有闭环信号全局有界.一个仿真实例进一步验证了所得控制方案的可行性与有效性.

非仿射系统的自学习滑模抗扰控制

针对一类单输入单输出(single-input single-output,SISO)非仿射非线性系统的控制问题,提出了一种自学习滑模抗扰控制方法.该方法用非线性光滑函数设计扩张状态观测器,实现SISO非仿射非线性系统内部不确定性和外部扰动的扩张状态估计,并将扩张状态观测器(extended state observer,ESO)与自学习滑模控制技术融为一体,实现SISO非仿射非线性系统的自学习滑模抗扰控制.该方法不依赖受控对象的数学模型,可以快速跟踪任意给定的参考信号.数值仿真试验表明了该方法响应速度快、控制精度高,具有很强的抗扰动能力,因而是一种鲁棒稳定性很强的控制方法,在SISO非仿射非线性系统控制领域具有重要作用.

初态学习下非仿射非线性系统的迭代学习控制

针对非仿射非线性系统,提出初态学习律,并给出关于初态学习的收敛性充分条件.初态学习使得系统在每次迭代开始时,不严格要求其初态与期望初态重合或者固定于某一具体位置上,而是允许存在一定的定位偏差.利用压缩映射分析方法,推导出在初态学习下的开环学习律、闭环学习律、开闭环学习律的收敛性充分条件,证明了迭代学习控制系统关于初始定位误差的鲁棒收敛性.依据此收敛性条件,可确定输入学习律及初态学习律的学习增益.理论分析与数值仿真表明初态学习下迭代学习算法的有效性.

MIMO非仿射非线性系统的自适应模糊控制

针对一类多输入多输出非仿射非线性系统,设计了一种自适应模糊H∞控制方案,该方案把自适应模糊控制和高增益观测器结合起来.利用多变量的隐函数定理,证明了非仿射系统控制器的存在性.通过设计高增益观测器,解决了系统的状态不可测量问题,实现系统的输出反馈控制,模糊自适应控制增强了系统在线逼近干扰及处理系统不确定的能力.仿真结果表明了控制方案的有效性及优越性.

非仿射非线性系统的自适应模糊输出反馈控制

针对一类单输入单输出非仿射非线性系统,提出了基于观测器的自适应模糊输出反馈控制。该算法通过构造线性误差观测器估计系统输出误差和系统状态,利用估计状态变量和估计输出误差变量设计自适应控制律,采用模糊逻辑系统在线消除非线性系统中的不确定模型,引入监督控制消除系统逼近误差和外界干扰,并利用Lyapunov方法严格证明了在该控制律作用下闭环系统所有信号一致最终有解,闭环系统的输出能最终跟踪期望输出。仿真结果表明了该方法的有效性。

控制方向未知的SISO非仿射系统间接自适应模糊输出反馈控制

针对一类单输入单输出(SISO)非仿射非线性系统控制方向未知时出现的控制器奇异问题,提出了一种间接自适应模糊控制方案.利用中值定理将非仿射系统转化为仿射系统,通过模糊逻辑系统逼近该仿射系统中的未知函数,并构造模糊控制器,同时利用Lyapunov稳定性定理设计自适应律,最终克服了控制器的奇异问题;在此基础上,通过构造观测器估计跟踪误差,设计输出反馈自适应模糊控制器,解决了状态不可测时系统控制器设计难题,采用Lyapunov稳定性定理证明控制器能使得跟踪误差收敛同时闭环系统所有信号均有界.仿真结果验证了所设计控制方案的可行性与有效性.

具有未知死区的SISO非仿射非线性系统间接自适应模糊控制

为了解决含有未知死区输入特性的SISO非仿射非线性系统的跟踪控制问题,提出了基于模糊自适应方法的控制器设计方案,把未知死区分解为一个线性项和一个扰动类似项,当系统状态可测时,利用模糊逻辑系统设计间接自适应模糊控制器,并结合跟踪误差信息设计自适应律;系统状态不可测时,通过引入误差观测器估计的状态变量,设计了间接自适应模糊输出反馈控制器.理论论证过程说明两种控制器能使系统的跟踪误差最终收敛到零的某一邻域,且闭环系统所有信号均有界.仿真实验结果表明利用所设计控制方案可以使系统完成跟踪控制任务.

带有时滞的未知非仿射非线性系统自适应模糊跟踪控制

应用自适应模糊逼近方法研究了一类带有时滞的未知非仿射非线性系统的跟踪控制问题.系统的实际控制器是按照Backstepping设计过程经逐步反推而得到,在每一步设计中需要用自适应模糊逻辑系统来逼近未知的非线性函数.为了降低控制设计对先验知识的依赖性,取消须事先已知模糊基函数的限制,采用非线性参数化的模糊逻辑系统作为逼近器.由于逼近器中的未知参数彼此之间呈非线性关系,无法直接得到在线估计这些参数的自适应律.为了实现对相关参数的在线调节,先应用Taylor展开式将呈非线性关系的参数分离,使其相互之间具有线性关系,然后再基于Lyapunov第2方法给出相应参数的自适应调节律.最后,通过一个仿真实例来验证所给方法的有效性.结果表明:所得自适应模糊控制器能有效补偿时滞的影响,保证闭环系统中所有信号均有界,而且输出跟踪误差能收敛到原点的任意小邻域内.

一类非仿射非线性不确定系统自适应鲁棒控制

针对一类结构和参数均未知且控制方向未知的不确定非仿射非线性系统,提出了一种鲁棒自适应控制算法.基于中值定理将非仿射系统转化为具有线性结构的时变系统,在此基础上,利用参数投影估计算法对有界时变参数进行辨识,参数辨识误差和外界干扰采用非线性阻尼项进行补偿.同时将动态面控制(DSC)和反推法相结合,消除了反推法的计算膨胀问题,并采用Nussbaum型函数处理系统中方向未知的不确定控制增益函数,避免了可能存在的控制器奇异值问题.最后,采用解耦反推,基于李雅普诺夫稳定性定理证明了闭环系统的半全局一致最终有界.仿真结果验证了所设计控制方案的可行性与有效性.

基于非仿射非线性模型的AC/DC系统H_∞鲁棒控制器设计

讨论了交直流联合输电系统的H_∞鲁棒控制问题．首先对交直流输电系统提出一种五阶非仿射非线性不确定控制模型,该模型能综合反映交直流系统的动态特性．基于该模型采用分层控制思想设计了系统的H_∞鲁棒控制器,通过对直流系统换流器触发角的控制实现系统内部稳定和鲁棒性能的提高．仿真结果验证了控制策略的有效性．

输入受限的非仿射纯反馈不确定系统自适应动态面容错控制

针对存在执行器故障和输入饱和受限的非仿射纯反馈不确定动态系统,提出了一种自适应动态面容错控制策略.在不损失模型精度和考虑系统输入饱和受限的前提下,基于中值定理将非仿射系统转化为具有线性结构的时变不确定系统,在此基础上,再利用参数自适应投影技术对有界不确定时变参数进行在线估计,参数估计误差和外界扰动采用非线性动态阻尼技术进行补偿,并利用双曲正切函数和Nussbaum函数处理系统输入饱和受限和控制增益函数方向未知的问题,同时将反演法和动态面法相结合设计鲁棒自适应控制器,消除了反演法的计算膨胀问题,并且在系统出现执行器失效故障的情况下可确保稳定跟踪.最后,根据解耦反推法,基于Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的半全局一致最终有界.仿真结果验证了所设计控制方案的可行性与有效性.

一类输入饱和非仿射非线性系统的非线性动态逆控制

输入饱和是实际系统中经常遇到的问题,很多已有的控制方法要求被控系统具有仿射结构.本文针对一类具有输入饱和的非仿射纯反馈非线性系统提出了一种基于奇异值摄动理论的非线性动态逆控制方法.首先构建一个快变子系统,在慢时间尺度下将非仿射非线性系统转换为具有仿射结构的线性系统,从而应用已有的控制算法实现控制目的.为了消除输入饱和带来的影响,建立一个中间子系统对理想控制量与输入饱和限制下控制量的差进行估计和补偿.所提出的控制方法不依赖于被控系统固有的时标分离特性,并能证明闭环系统指数跟踪参考轨迹.该方法具有良好的扩展性,可以根据实际需求与多种控制算法相结合.与动态面控制器和传统近似动态逆控制器的对比仿真结果验证了本文控制方法的有效性.

基于奇异摄动理论的非仿射非线性系统的渐近稳定(英文)

基于奇异摄动理论结合动态逆设计的控制方法,研究了一类非仿射非线性系统的渐近稳定问题。通过将控制律定义为一个快动态系统的解,使原系统的状态能够准确地跟踪参考系统,且跟踪误差为零。同时给出了系统吸引区内的一个正不变子集,并证明了系统状态能够在有限时间内进入该子集,最终实现渐进稳定。用该方法构造的控制器实现起来较为简单,仿真结果表明了理论方法的有效性。

基于神经网络MIMO非仿射系统自适应控制

针对一类多输入多输出非仿射非线性系统,基于神经网络设计了一种自适应控制方案。该系统隐含控制输入,利用隐函数定理和伪控制概念提出了控制运算法则,采用Lyapunov方法证明了系统的稳定性。该方案采用神经网络补偿系统中的非线性部分,设计了鲁棒项来增加系统的抗干扰能力。仿真结果充分证明了该方案的有效性和可行性。

一类非仿射不确定非线性系统的自适应模糊输出反馈控制

针对一类非仿射的不确定非线性系统,利用H∞控制技术和模糊系统,提出一种基于观测器的混合的直接自适应模糊控制方法,该方法不需要系统的状态变量完全可测,同时取消了最优逼近误差平方可积的假设条件,而且跟踪误差渐近收敛到零。仿真结果表明所提设计方法的有效性。

一类非仿射非线性系统混合自适应模糊控制

针对一类单输入单输出非仿射非线性系统控制方向未知情况下的控制器设计问题,提出一种混合自适应模糊控制器设计方案。该方案利用泰勒级数将非仿射系统转换为仿射系统,通过模糊逻辑系统逼近该仿射系统中的未知函数,基于此构造模糊控制器,同时利用跟踪误差和模型预测误差设计参数自适应律。利用Lyapunov稳定性定理证明运用所设计的控制器可以保证系统跟踪误差收敛,同时证明了该方案相比已有方案系统跟踪误差具有更快的收敛速度。仿真结果验证了所提控制器设计方案的有效性。