事件触发驱动的纯反馈非线性系统自抗扰控制

作     者：司雪峰 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨杨

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：自抗扰控制 反步法 纯反馈非线性系统 事件触发机制 跟踪控制 编队控制 避障避碰 

摘      要：现代民用和国防中诸多工程实例具有纯反馈非线性系统形式,如机械手臂、无人机。实际作业现场不可避免受到扰动作用,如模型不确定性、外部扰动,在通信资源受限的情形下,研究事件触发驱动的纯反馈非线性系统抗扰控制具有重要的理论和工程意义。本课题以一类不确定纯反馈非线性系统为研究对象,在反步法框架下,将不确定性作为新的状态变量,自抗扰控制和事件触发机制相结合,克服时间驱动控制下不必要的网络传输,研究事件触发驱动的一类不确定纯反馈非线性系统自抗扰控制问题。具体工作概括为以下三个方面:1.针对受未知外部扰动且控制方向未知的不确定仿射非线性系统跟踪控制问题,提出一种含触发扩张状态观测器和触发驱动输入的双端触发控制方案。结合反步法和自抗扰控制,引入Nussbaum型函数和自适应估计参数,设计基于事件触发扩张状态观测器和触发驱动输入的输出反馈跟踪控制律。事件触发扩张状态观测器重构系统状态并实时补偿不确定性和扰动的影响。与连续时间扩张状态观测器相比,事件触发扩张状态观测器无需输出信息连续可用的假设,减少系统与观测器之间的数据传输次数。触发驱动输入核心思想是一旦违反预先设定的触发条件,控制信号将立即更新,由事件触发机制调节的控制器和执行器之间的通信量降低。通过Lyapunov函数分析闭环系统的稳定性以及闭环内所有信号有界,排除系统Zeno现象。2.针对一类不确定非仿射非线性系统跟踪控制问题,提出了一种含预设性能的事件触发跟踪控制方案。非仿射型系统由隐函数定理、中值定理以及自抗扰控制思想转化为仿射型系统。事件触发减少控制器到执行器的通信次数。设计扩张状态观测器实时估计并补偿系统不确定性,跟踪微分器消除反步法引起的复杂求导现象。引入预设性能函数提高系统跟踪的性能。进一步,考虑执行器失效和卡死故障,提出一种含预设性能的自适应事件触发容错控制方案。未知执行器故障由提出补偿机制进行处理。利用预设性能函数提高跟踪精度。时变阈值事件触发机制减轻控制器到执行器通信负担。分别利用扩张状态观测器和跟踪微分器重构系统的未知动力学和简化虚拟控制律的高阶导数运算。通过构造输入状态实际稳定Lyapunov函数分析闭环系统稳定性以及闭环系统所有信号的有界性,排除Zeno现象。3.针对一类不确定非仿射纯非线性多智能体系统编队避障避碰控制问题,在触发通信下,提出一种改进斥力系数的分布式编队避障避碰控制方案。结合隐函数定理、中值定理以及自抗扰控制原理,将非仿射多智能体系统转化为仿射非线性多智能体系统。引入人工势场解决跟随者之间避碰和跟随者避障问题,控制律中改进变增益斥力系数改善传统人工势场算法中斥力与无避撞编队控制量不协调问题。扩张状态观测器逼近每个智能体不确定性并实时补偿,跟踪微分器避免编队避障避碰虚拟控制律求导计算爆炸现象。引入分布式事件触发估计器估计领导者信息,节约跟随者之间的通信资源,减少通信负担。选取输入状态稳定Lyapunov函数以及时间导数为正的能量函数分析了多智能体系统可实现编队控制且具有避障避碰性能,证明系统无Zeno现象。