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基于权值优化的多操纵面抗饱和控制分配策略

系统工程与电子技术 2019年第6期41卷 1351-1357页

作者：孙超姣陈勇景博李娟空军工程大学航空工程学院陕西西安710038 鲁东大学数学与统计科学学院山东烟台264025

针对多操纵面飞行器难实现协调控制、易陷入舵面饱和的问题,基于权系数空间优化,提出了两类最优抗饱和赋权控制分配策略。研究了加权伪逆和混合优化分配两类方法统一的控制律和共有的权系数优化特性。以实际舵偏误差为变量,分别构造李... 详细信息

针对多操纵面飞行器难实现协调控制、易陷入舵面饱和的问题,基于权系数空间优化,提出了两类最优抗饱和赋权控制分配策略。研究了加权伪逆和混合优化分配两类方法统一的控制律和共有的权系数优化特性。以实际舵偏误差为变量,分别构造李雅普诺夫函数,沿误差下降的梯度方向推导出保证系统稳定的线性矩阵不等式,以权系数变化最小为目标建立了抗饱和赋权控制分配权系数优化模型。结果表明,该方法在保证精确跟踪主环虚拟控制指令的同时,能够快速地调节操纵面饱和状态下的控制权系数,较好地实现了抗饱和控制。

关键词：多操纵面飞行器赋权控制分配抗饱和控制变权系数

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保证误差收敛速率机动滑翔飞行器抗饱和控制

北京航空航天大学学报 2013年第11期39卷 1542-1547页

作者：戴世聪任章李菁菁曲鑫北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室北京100191

在执行机构饱和约束下,针对机动滑翔飞行器高空横侧向大机动姿态控制问题,研究了在保证系统稳定的同时提高响应快速性方法.在标准Antiwindup方法中,误差收敛速率往往被忽略,系统快速性常常达不到设计要求.为了提高加入补偿后系统的误差... 详细信息

在执行机构饱和约束下,针对机动滑翔飞行器高空横侧向大机动姿态控制问题,研究了在保证系统稳定的同时提高响应快速性方法.在标准Antiwindup方法中,误差收敛速率往往被忽略,系统快速性常常达不到设计要求.为了提高加入补偿后系统的误差收敛速率,对现存的一种基于线性矩阵不等式的Antiwindup设计方法进行改进,并运用比较原理证明了改进后受控闭环系统稳定且李雅普诺夫函数收敛速率有确定的下界,从而保证了误差收敛速率下界.与以往方法相比,该方法保证了对系统快速性的最低要求,为解决饱和系统稳定性与快速性的矛盾提供了一条有效途径.较大侧滑角下的倾侧角机动仿真结果表明,所设计的抗饱和控制器可以在恶劣的飞行环境下稳定完成倾侧角大机动的任务,相比于标准Antiwindup设计方法,该方法快速性有所提高.

关键词：飞行控制抗饱和控制收敛率线性矩阵不等式

一类饱和不确定非线性系统静态抗饱和控制设计

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控制与决策 2009年第5期24卷 764-768页

作者：刘胜周丽明哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001

研究一类执行器幅值与速率饱和的不确定非线性系统静态抗饱和控制问题.采用线性微分包含的方法处理系统模型中的非线性项.给出了抗饱和补偿器设计方法,该方法能同时保证闭环鲁棒稳定及鲁棒性能.给出了此类非线性系统代数环良定的充要条... 详细信息

研究一类执行器幅值与速率饱和的不确定非线性系统静态抗饱和控制问题.采用线性微分包含的方法处理系统模型中的非线性项.给出了抗饱和补偿器设计方法,该方法能同时保证闭环鲁棒稳定及鲁棒性能.给出了此类非线性系统代数环良定的充要条件,从而将抗饱和补偿器设计问题转化为线性矩阵不等式约束的凸优化问题.最后通过仿真算例说明了所提出方法的有效性.

关键词：幅值与速率饱和抗饱和控制线性矩阵不等式代数环良定性

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线性参变系统的幅值与速率联合抗饱和控制

线性参变系统的幅值与速率联合抗饱和控制

作者：张乾哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

线性参数时变系统(LPV)是普遍存在于航天、汽车以及工业控制等领域,其主要特点为系统中包含未知但却可测的时变参数。根据参数的时变规律,可以分为线性变化、周期变化或随机变化。正是由于参数的时变特性,使得系统区别于传统的线性定常... 详细信息

线性参数时变系统(LPV)是普遍存在于航天、汽车以及工业控制等领域,其主要特点为系统中包含未知但却可测的时变参数。根据参数的时变规律,可以分为线性变化、周期变化或随机变化。正是由于参数的时变特性,使得系统区别于传统的线性定常系统,给系统控制器设计带来较大困难。另一方面,执行器饱和非线性的现象普遍存在于实际控制系统中,忽略其影响会直接导致系统性能的衰减甚至不稳定,而现有大部分研究多仅单独考虑执行器幅值饱和,对执行器速率饱和问题研究甚少。本文主要研究LPV系统的执行器的幅值饱和控制问题,提出设计一个新的动态抗饱和补偿器,减少可能出现的执行器的幅值饱和情况而造成的负面影响。进一步的,本文针对线性参数时变系统开展速率与幅值的联合抗饱和控制策略研究。不同于大多数现有的结果,只关注执行器的幅值饱和情况,本文考虑到出现速率饱和的情况,并提出了一种幅值和速率的联合抗饱和控制方法,从而使得线性参数时变的闭环系统在执行器发生速率或者幅值饱和的情况下,仍然可以维持性能指标要求。本文的主要研究内容可归纳为:(1)此次研究的重点在抗饱和控制方面。主要是采用了通过设计一个动态的抗饱和补偿器参数来实现对系统的抗饱和控制。在设计之初,忽略饱和对系统的影响,即假设系统不存在饱和非线性,按照已经给定的性能指标来设计线性的系统控制器,即得到系统的名义控制器。然后,设计一个动态抗饱和补偿器来减弱执行器幅值饱和的对于系统控制性能的影响,补偿器的输入为控制器输出和执行器输入的误差,基于李雅普诺夫直接法并结合线性矩阵不等式的方法实现设计目标。(2)针对联合抗饱和补偿器的设计,考虑到速率饱和的直接控制较为困难,将速率信号进行处理得到广义的幅值信号,然后进行抗饱和控制。然后考虑在饱和非线性发生的较短时间内,系统的名义控制器将保持较好的控制效果,故而提出延缓补偿器的作用开始时间,以获得更好的性能指标。本文综合以上特点,解决了一类具有幅值与速率多饱和约束参数的线性参数时变系统的控制问题。(3)本文涉及一种在线性参数时变系统的框架下的控制器参数设计方案。此次研究中的名义控制器的设计方案不同于传统的静态抗饱和控制的设计方案,主要采用的是直接利用饱和指标参数标记的变参数控制器。因此由这种控制方案得到的线性矩阵不等式组将更有效的解决线性参数时变系统的控制问题。(4)文章最后,根据以上在线性参数时变系统的框架下,对幅值以及速率饱和的分析,利用仿真实验,通过给出的结果曲线以及分析进一步说明了本文所提出的方案的有效性。

关键词：线性参数时变系统抗饱和控制执行器幅值饱和幅值与速率联合抗饱和控制线性矩阵不等式 H∞控制

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一类不确定积分级联系统的抗饱和控制

一类不确定积分级联系统的抗饱和控制

作者：贺灵哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

约束在实际控制系统中是随处可见的,根据系统的性能要求或者实际物理限制,常见的约束主要表现为:系统的各个状态量需要满足有界性、执行器输出存在饱和或者运动空间存在限制等。如果系统在运行过程中违背了约束条件,将无法满足系统性能... 详细信息

约束在实际控制系统中是随处可见的,根据系统的性能要求或者实际物理限制,常见的约束主要表现为:系统的各个状态量需要满足有界性、执行器输出存在饱和或者运动空间存在限制等。如果系统在运行过程中违背了约束条件,将无法满足系统性能要求,甚至是造成系统的不稳定,严重的情况下还会破坏系统设备,造成不必要的损失。另外,大多数物理系统中还经常存在由于外界干扰或者模型建立的不精确引起的不确定性,因此,在系统多个性能约束和不确定性同时存在的情况下,如何保证整个系统的稳定,设计出合适的约束系统控制器是当下研究的热点,也是一个难点问题。根据上述问题的存在,本文选取了一类不确定积分级联系统,进行多目标控制问题的研究。该类系统的动态表达形式为积分结构,并且该非线性系统中存在参数的不确定性、外界干扰以及执行器输入的饱和问题。根据系统的非线性特性,引入了backstepping控制,backstepping方法是用于处理非线性问题的有效工具,设计过程具有特定的、系统的步骤,通过在每步中选取合理的Lyapunov函数,设计出最终控制器的输入形式,快速地镇定系统;为了解决系统中含有不确定性和参数未知的问题,在控制器的设计中引入了自适应控制,在线估计未知参数,结合bacstepping方法,在推导过程中得出未知参数的表达形式;同时由于控制输入饱和问题的存在,在控制器的设计中引入了饱和函数,根据执行器最大输出值以及最终控制目标,设定系统各个参数间的关系,保证系统的各个性能要求的同时,达到系统稳定的最终目标,实现多目标控制。对于上述不确定积分级联系统,在提出了多目标自适应backstepping控制策略之后,接下来将该方法在实际应用系统中进行验证。本文选取的应用系统为四分之一汽车主动悬架系统。通过对四分之一主动悬架建模得到其动态方程,该悬架系统动态方程是一个集参数不确定性问题、外部干扰、执行器饱和以及性能约束于一体的多目标控制系统。通过本文提出的自适应鲁棒抗饱和控制来对主动悬架系统进行控制,使得系统即使有不确定参数以及执行器饱和问题的存在的同时,也能保证车身垂直位移的镇定;并且通过调节控制器参数可以保证悬架系统各个状态信号收敛到一个充分小的紧集内;有限时间后如果非线性不确定性和未知外界扰动消失,则系统将是渐进输出稳定的,因此保证了汽车驾驶的安全性和舒适性。除此之外,通过选取特殊的多项式作为系统期望轨迹,该自适应鲁棒抗饱和控制算法还可以设定闭环系统的稳定时间。最后,对汽车悬架系统的应用研究结果进行了仿真验证,给出了理论仿真结果和实验台半实物仿真结果,并对结果进行了比较分析,确定其相对于被动悬架系统和标准自适应鲁棒控制的主动悬架系统的优越性,进一步验证本文提出的自适应鲁棒抗饱和控制方法在不确定积分级联系统控制器设计上的有效性,证实了该方法在实际应用系统中的重要性和意义。

关键词：积分级联系统主动悬架系统自适应控制抗饱和控制 backstepping控制

基于事件触发机制的可重构机械臂最优抗饱和控制研究

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基于事件触发机制的可重构机械臂最优抗饱和控制研究

作者：宋子瑶长春工业大学

学位级别：硕士

随着机器人领域的研究日渐成熟,其发展空间愈加广阔,在各领域中,机器人可协助人类高效完成相应工作。随着科技和生产力的不断提升,人们对于机器人的要求也随之而来变得越来越高。传统的工业机械臂由于体积庞大、构形单一以及高昂的制造... 详细信息

随着机器人领域的研究日渐成熟,其发展空间愈加广阔,在各领域中,机器人可协助人类高效完成相应工作。随着科技和生产力的不断提升,人们对于机器人的要求也随之而来变得越来越高。传统的工业机械臂由于体积庞大、构形单一以及高昂的制造成本等原因,只能执行单一任务,无法在复杂多变的环境下出色完成任务。因此,可重构机械臂作为能够执行多种任务、具有良好的控制性能以及造价成本低等优势得到了广泛关注。可重构机械臂系统可根据不同的任务环境改变自身的构形以及模块数量的增减来完成任务。因其具有“可重构”的特性,在智能制造、抢险救援、空间探测等领域都得到了广泛的应用。随着科学研究的不断发展,可重构机械臂常被应用在人类无法直接参与的环境中,在硬件资源受限的前提下,除了保证其在安全稳定的情况下完成任务,如何减少系统的能量损耗、增强数据传输能力以及提升工作效率具有重要的研究意义。此外,考虑到可重构机械臂长时间高强度工作在复杂危险的环境中,其系统中的零件不可避免会发生故障,这将严重影响系统的控制性能,甚至发生不可预估的后果。因此,如何在资源和能源受限的复杂环境中提高可重构机械臂系统的稳定性、对故障进行补偿并保证系统平稳运行是一个值得关注的问题。故针对可重构机械臂系统的抗饱和控制以及容错控制的探究,全文的具体研究内容如下:(1)考虑输入约束的可重构机械臂子系统动力学模型的建立考虑系统自身的结构属性,将可重构机械臂系统拆分为多个子系统分别建立动力学模型。采用关节力矩反馈技术并利用系统局部已知的模型信息,对可重构机械臂子系统建立具有输入约束的动力学模型。此外,针对多故障并发的可重构机械臂系统,在考虑模型不确定性的基础上进一步分析,为后续控制方法的深入研究打下了坚实的基础。(2)输入约束下可重构机械臂系统最优抗饱和跟踪控制考虑到可重构机械臂系统在实际应用中会出现执行器输入饱和这一现象,提出了一种基于事件触发机制的最优抗饱和控制方法。首先,采用双曲正切函数对系统的输入进行有效的限制,解决了由于输入过大而导致系统损坏这一问题,提高了系统运行的安全性。其次,通过对模型的估计和系统的状态以及控制律共同构建合适的值函数,并设计合理的触发条件。在自适应动态规划算法的思想上,通过建立的单评判神经网络对事件触发下的哈密顿-雅克比-贝尔曼方程近似求解,保证了可重构机械臂系统的稳定性,并通过实验验证了所提出控制算法的有效性。(3)多故障并发的可重构机械臂系统事件触发式分散自学习最优容错控制针对同时发生执行器故障和传感器故障的可重构机械臂系统,提出了一种非周期更新下的分散主动容错最优抗饱和控制方法,解决了可重构机械臂发生多故障时的容错控制问题,并满足系统的轨迹跟踪保持最优状态。首先,采用分散控制理论对子系统单独进行动力学建模。其次,在多故障并发时,采用微分同胚原理设计一阶滤波器,将传感器故障转换为执行器故障,通过构建的自适应观测器对突发故障进行实时观测和估计。随后,在考虑系统受输入约束的条件下,采用故障的观测值与系统状态、控制律搭建改进型的性能指标函数,将系统的主动容错控制问题转换为最优控制问题进行具体分析。最后,采用近似动态规划算法与非周期采样策略相结合,利用评判神经网络在线逼近哈密顿-雅可比-贝尔曼方程,解决了面向多故障并发的可重构机械臂系统分散主动容错最优控制问题。

关键词：可重构机械臂事件触发机制抗饱和控制最优控制容错控制

奇异摄动切换系统抗饱和控制及在液压伺服系统中的应用

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奇异摄动切换系统抗饱和控制及在液压伺服系统中的应用

作者：王聪聪中国矿业大学

学位级别：硕士

许多实际控制系统具有多时间尺度特性和切换特性,例如电力电子系统、液压伺服系统、生物网络等,这些系统可以被描述为奇异摄动切换系统(SPSSs)。由于执行器饱和是典型的非线性,传统的奇异摄动理论局限于光滑系统,现有的关于奇异摄动切... 详细信息

许多实际控制系统具有多时间尺度特性和切换特性,例如电力电子系统、液压伺服系统、生物网络等,这些系统可以被描述为奇异摄动切换系统(SPSSs)。由于执行器饱和是典型的非线性,传统的奇异摄动理论局限于光滑系统,现有的关于奇异摄动切换系统抗饱和控制的研究仍然有很多问题亟待解决。因此,本文研究奇异摄动切换系统抗饱和控制器设计和分析问题,主要研究内容如下:1.提出非线性奇异摄动切换系统的抗饱和控制方法。首先,设计抗饱和控制器,抗饱和控制器由动态状态反馈(DSF)控制器和抗饱和补偿器组成。其次,通过构造共同Lyapunov函数提出两种确定抗饱和增益的方法。(1)假设奇异摄动参数?已知的情况下,同时设计依赖于?的DSF控制器增益和抗饱和补偿器增益。(2)假设奇异摄动参数?未知但足够小的情况下,先设计不依赖于?的DSF控制器增益,然后再设计不依赖于?的抗饱和补偿器增益。这两种方法都可以通过求解凸优化问题,来获得最大化的稳定界和吸引域。最后,通过仿真验证所提方法的可行性和有效性。2.提出受扰奇异摄动切换系统的抗饱和控制方法。首先,针对系统受到外部干扰的情况,设计依赖于奇异摄动参数?的干扰观测器对干扰进行估计。其次,设计将干扰的估计值考虑在内的抗饱和控制器,然后利用H?理论和Lyapunov稳定性理论,通过求解线性矩阵不等式(LMI)得到控制器增益。最后,进行数值例子仿真,证明所设计的控制器可以使系统稳定,并具有干扰抑制能力。3.基于上述所提方法提出轧机液压伺服系统抗饱和控制方法。首先,建立基于奇异摄动理论的液压伺服系统的数学模型。其次,基于液压伺服系统设计干扰观测器和抗饱和控制器。最后,通过仿真来分析系统的稳定性和动态性能。

关键词：抗饱和控制奇异摄动切换系统吸引域干扰观测器液压伺服系统

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线性不稳定系统的抗饱和控制方法

线性不稳定系统的抗饱和控制方法

作者：马文玉杭州电子科技大学

学位级别：硕士

基于Liu、Ne(?)i(?)和Mareels对空间倒立摆的稳定化与跟踪控制问题研究中存在的输入饱和问题[13],以及Zaccarian、Teel、Ne(?)i(?)和Mareels等人二十多年的合作基础,总结了关于抗饱和控制研究的重大突破性成果[1,2,24],因此,本文跟随Zac... 详细信息

基于Liu、Ne(?)i(?)和Mareels对空间倒立摆的稳定化与跟踪控制问题研究中存在的输入饱和问题[13],以及Zaccarian、Teel、Ne(?)i(?)和Mareels等人二十多年的合作基础,总结了关于抗饱和控制研究的重大突破性成果[1,2,24],因此,本文跟随Zaccarian和Teel等抗饱和控制理论的创始人,针对空间倒立摆的稳定化与跟踪控制中的输入饱和问题,对其中的稳定化部分进行进一步研究。本课题主要研究了输入饱和线性不稳定系统的抗饱和控制的稳定化问题。本文在忽略输入饱和的情况下,对一个线性不稳定系统设计了一种保证闭环系统整体收敛速率的状态反馈H控制器,使闭环系统满足有限增益L稳定性,保证了闭环系统的整体收敛速率。但是,当输入饱和出现时,系统的瞬态性能就会受到影响,以致系统的稳定性被破坏,因此,提出了一种抗饱和控制的分析与设计方法,能够使系统在吸引域内维持较好的瞬态性能,然而,通过分析发现这种方法是通过略微牺牲吸引域来改善瞬态性能的,进而发现了在抗饱和控制器综合中存在着扩大吸引域与改善瞬态性能之间的折中问题。此外,为了客观地评价抗饱和控制器的补偿效果,本文提出了一种比较直观的抗饱和控制评价指标,通过数值仿真及分析验证了这种抗饱和控制方法的有效性。最后,将连续系统下的抗饱和控制方法扩展到了离散系统的情况,并给出了严谨的理论证明,通过数值仿真及分析验证了离散系统下的抗饱和控制方法的有效性。本文主要的创新点如下:第一,对存在外部干扰的线性系统的稳定化控制问题,利用输入-输出稳定性理论及收敛速率的概念,提出了一种保证收敛速率的状态反馈H控制器设计方法,使闭环系统是有限增益L稳定的。这种设计方法不仅保证了闭环系统的鲁棒性而且保证了系统的收敛速率。第二,对输入饱和线性不稳定系统的稳定化问题,设计抗饱和控制器使闭环系统渐进稳定。基于Lyapunov稳定性理论,证明了输入饱和使闭环系统从原本的全局渐进稳定转变为局部渐进稳定。提出了一种吸引域和发散域的估计方法,这种估计方法能够直观地反应输入饱和的幅值约束与吸引域大小的关系,并分析了输入饱和对系统稳定性及性能的影响。通过数值仿真及分析表明这种抗饱和控制方法是通过牺牲较小的吸引域来改善瞬态性能的,进而发现了在抗饱和控制综合中存在扩大吸引域和改善瞬态性能之间的折中问题。第三,对存在外部干扰的输入饱和线性不稳定系统的稳定化问题,为了在尽可能大的吸引域下改善输入饱和线性不稳定系统的瞬态性能,提出了一种新的抗饱和控制器设计方法,证明了闭环系统满足有限增益L稳定性,并提出了一种抗饱和控制的评价指标。通过数值仿真及分析验证了抗饱和控制设计方法的有效性。第四,对存在外部干扰的输入饱和离散线性不稳定系统的稳定化问题,将所提出的抗饱和控制器设计方法拓展到离散系统下的抗饱和控制器设计方法,并给出了严谨的证明过程,通过数值仿真及分析验证了离散系统的抗饱和控制器设计方法的有效性。

关键词：线性不稳定系统输入饱和状态反馈H∞控制抗饱和控制评价指标

考虑进气约束的高超声速飞行器建模与抗饱和控制

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考虑进气约束的高超声速飞行器建模与抗饱和控制