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多约束纯反馈非线性系统鲁棒自适应抗干扰控制

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中国科学：信息科学 2021年第4期51卷 633-647页

作者：陈龙胜杨辉华东交通大学电气与自动化工程学院南昌330013 南昌航空大学飞行器工程学院南昌330063

针对一类具有未知干扰和多约束的不确定纯反馈非线性系统,提出一种基于干扰观测器的鲁棒自适应抗干扰控制方案.该方法首先基于Butterworth低通滤波器和径向基神经网络设计非线性干扰观测器以实现对系统未知非线性函数和复合扰动的在线... 详细信息

针对一类具有未知干扰和多约束的不确定纯反馈非线性系统,提出一种基于干扰观测器的鲁棒自适应抗干扰控制方案.该方法首先基于Butterworth低通滤波器和径向基神经网络设计非线性干扰观测器以实现对系统未知非线性函数和复合扰动的在线精确逼近,并消除"代数环"问题.其次,为确保系统在状态受限、预设性能和输入饱和等多重约束的综合影响下能够对期望轨迹进行稳定跟踪,构造了一种新型的障碍Lyapunov函数,结合辅助有界函数、Nussbaum函数和一阶滑模微分器设计Backstepping控制器,并通过Lyapunov稳定理论分析闭环系统稳定性.最后,仿真结果验证了所提控制方法的有效性.

关键词：径向基神经网络非线性干扰观测器障碍Lyapunov函数多约束纯反馈非线性系统

基于神经网络的纯反馈非线性系统的有限时间智能跟踪控制算法研究

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基于神经网络的纯反馈非线性系统的有限时间智能跟踪控制算法研究

作者：朱强强山东师范大学

学位级别：硕士

21世纪,社会日新月异,科技飞速发展,各学科领域之间出现很强的交叉性。当前,工程应用系统的复杂度和耦合度都大幅提升。因此,以现代控制理论为基础、软件和硬件为载体的纯反馈非线性系统的智能控制研究拥有越来越广泛的应用前景。本文... 详细信息

21世纪,社会日新月异,科技飞速发展,各学科领域之间出现很强的交叉性。当前,工程应用系统的复杂度和耦合度都大幅提升。因此,以现代控制理论为基础、软件和硬件为载体的纯反馈非线性系统的智能控制研究拥有越来越广泛的应用前景。本文围绕“基于神经网络的纯反馈非线性系统的多种有限时间智能跟踪控制”这一多学科交叉的重要科学问题展开了较为深入的研究。随着现代工业生产对控制系统性能要求的不断提高,实际工程中的控制目标往往被期望在有限时间内实现。基于上述分析,本文在较为深入的研究了非线性系统理论和智能控制技术的基础上,分别给出了纯反馈非线性系统的实用有限/固定时间智能跟踪控制算法和预定义时间智能跟踪控制算法。进一步,解决了事件触发机制下的纯反馈非线性多智能体系统的自适应跟踪控制问题,提出了一种基于异形拉普拉斯矩阵设计方法的智能跟踪控制算法。本文的主要内容总结如下:(1)针对一类具有非仿射系统函数不可微特性的纯反馈非线性系统,提出了一种实用有限/固定时间智能跟踪控制算法。首先,本文采用一种新颖的解耦技术,消除了施加在系统函数上的限制性假设(诸如非仿射函数必须存在偏导数)。其次,针对所考虑的纯反馈非线性系统建立了一个实用的有限/固定时间稳定性框架,并将其应用于实际的单连杆机器人系统模型中。此外,为了更有效地节省通信资源,本文在原始控制信号和实际控制信号之间的传输信道中巧妙地引入了相对阈值事件触发机制。最后,通过两个仿真例子验证了所提出的实用有限/固定时间智能跟踪控制算法的可行性。(2)针对所考虑的纯反馈非线性系统,提出了一种新的切换阈值事件触发方法下的预定义时间智能跟踪控制算法。首先,本文设计了一种事件触发方法。与现有的研究成果不同,本文提出的事件触发方法能够更好的在控制器幅值较大时,解决传统事件触发机制容易产生过大脉冲的问题。其次,针对所考虑的纯反馈非线性系统建立了一个实用的预定义时间及性能稳定性框架。通过把有限时间微分器和径向基函数神经网络技术相结合,解决了Backstepping设计过程中的“复杂性爆炸”问题。构造的预定义时间及性能控制器不仅能够在预定义时间内使系统状态达到稳定,而且可以保证跟踪误差在预定义时间内达到预定义精确度。最后,通过仿真例子验证了该算法的有效性。(3)针对纯反馈非线性多智能体系统,提出了一种异形拉普拉斯矩阵设计方法,并基于此设计方法提出一种智能跟踪控制算法。首先,针对一个一般的纯反馈非线性智能体系统建立了一个自适应稳定性框架,并将其应用于所考虑的大规模纯反馈非线性多智能体系统。其次,在基于Backstepping的设计框架中,利用神经网络的特殊性质滤除了设计过程中的额外信号。同时,引入事件触发机制降低了控制信号的传输频率。此外,针对所考虑的多智能体系统提出了一种新的异形拉普拉斯矩阵方法,解决了多智能体系统的跟踪误差设计过程中领导者增益形式(跟踪误差第二项中的系数)未统一的问题。根据所提出的协同自适应稳定性框架,证明了所考虑的纯反馈非线性多智能体系统中信号的有界性。最后,通过仿真例子验证了所提出算法的有效性。

关键词：智能跟踪控制算法纯反馈非线性系统有限/固定时间跟踪控制多智能体事件触发机制

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一类纯反馈非线性系统的动态面控制

控制理论与应用 2014年第9期31卷 1262-1267页

作者：刘勇华湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室湖南湘潭411201

针对一类非仿射输入纯反馈非线性系统,提出了一种动态面控制算法.不同于运用中值定理,该算法通过引入一个辅助系统,将原系统转化为输入仿射系统,结合动态面控制与反推设计法,消除了反推法中"计算膨胀"问题.所设计控制器保证了闭环系统... 详细信息

针对一类非仿射输入纯反馈非线性系统,提出了一种动态面控制算法.不同于运用中值定理,该算法通过引入一个辅助系统,将原系统转化为输入仿射系统,结合动态面控制与反推设计法,消除了反推法中"计算膨胀"问题.所设计控制器保证了闭环系统所有信号半全局一致最终有界,且通过选择合适的设计参数可使跟踪误差收敛到原点的一个小邻域内.一个仿真实例进一步验证了所提控制算法的有效性.

关键词：纯反馈非线性系统非线性系统动态面控制反推设计

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事件触发驱动的纯反馈非线性系统自抗扰控制

事件触发驱动的纯反馈非线性系统自抗扰控制

作者：司雪峰南京邮电大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

一类非仿射纯反馈非线性系统的自耦PID控制原理

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一类非仿射纯反馈非线性系统的自耦PID控制原理

作者：刘文珏长沙理工大学

学位级别：硕士

非仿射纯反馈非线性系统广泛存在于工业控制领域,研究该类系统的控制问题具有重要的理论意义和应用价值。针对一类非仿射非线性纯反馈系统的控制难题,使用了一种自耦PID（Auto Coupling Proportional Integral Differential,ACPID）协... 详细信息

非仿射纯反馈非线性系统广泛存在于工业控制领域,研究该类系统的控制问题具有重要的理论意义和应用价值。针对一类非仿射非线性纯反馈系统的控制难题,使用了一种自耦PID（Auto Coupling Proportional Integral Differential,ACPID）协同控制新方法,本文的主要研究工作如下:1)将任意非仿射纯反馈非线性系统已知或未知动态、内部不确定性、时变不确定性、外部扰动等一切复杂因素定义为总扰动,进而将任意复杂的非仿射纯反馈非线性系统映射为积分串联型的未知线性系统,其目的是淡化复杂非线性系统与线性系统分类的概念,统一复杂非线性系统与线性系统的控制理论方法;2)根据积分串联型的未知线性系统建立了在总扰动反相激励下的受控误差系统,并根据自耦PID控制理论思想设计了自耦PID控制器,建立了自耦PID闭环控制系统,分析了自耦PID控制系统的鲁棒稳定性和抗总扰动鲁棒性;3)为了避免动态期间因积分控制力与比例控制力过大而引起超调与振荡现象,研究了基于绝对误差变化率的自适应速度因子模型,有效解决了动态品质与稳态性能之间不协调的矛盾;4)为了验证自耦PID控制方法的有效性,针对一类非仿射纯反馈非线性复杂系统的控制问题进行了系列仿真实验,仿真结果表明了自耦PID控制方法的有效性,与现有控制理论方法相比,自耦PID控制理论方法不仅具有快的响应速度、高的稳态精度、强的抗扰动能力,而且自耦PID控制器结构简单、只有一个速度因子需要镇定,便于实际应用。本文的主要创新点如下:1)通过引入总扰动概念,淡化了任意非线性系统与线性系统控制的本质区别;2)根据自耦PID控制理论思想,统一了非线性系统与线性系统的控制理论方法;3)建立了基于速度因子的PID整定规则,有效解决了 PID增益鲁棒性差与抗扰动鲁棒性差的问题。

关键词：非仿射非线性系统纯反馈非线性系统自耦PID控制速度因子抗扰动鲁棒性

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一类纯反馈非线性系统的反推近似滑模控制

计算机仿真 2016年第9期33卷 358-363页

作者：汪涛胡剑波李飞郑磊空军工程大学装备管理与安全工程学院陕西西安710038

在非线性控制系统的优化过程中,针对一类含有未知函数项和外界干扰的不确定纯反馈非线性系统,提出了一种自适应反推近似滑模变结构控制方法。基于中值定理和隐函数定理将未知非仿射输入函数进行分解,使其含有显式的控制输入,利用神经网... 详细信息

在非线性控制系统的优化过程中,针对一类含有未知函数项和外界干扰的不确定纯反馈非线性系统,提出了一种自适应反推近似滑模变结构控制方法。基于中值定理和隐函数定理将未知非仿射输入函数进行分解,使其含有显式的控制输入,利用神经网络逼近未知非线性函数,动态面控制技术解决了反推设计中对虚拟控制反复求导而导致的"微分爆炸"问题。提出的自适应近似滑模控制方案削弱了传统滑模控制中的抖振现象,取消了不确定干扰上界先验已知条件。最后,从理论上证明了所设计的控制器能够保证闭环系统所有信号半全局一致终结有界,为控制系统性能优化提供了有效方法。

关键词：纯反馈非线性系统动态面控制反推设计近似滑模

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几类纯反馈非线性系统的H∞控制研究

几类纯反馈非线性系统的H∞控制研究

作者：曹小洁辽宁科技大学

学位级别：硕士

众所周知,控制系统总是会不可避免的受到外部干扰的影响,而这将会影响系统的稳定性和控制精度,因此考虑系统在受到外部干扰时的稳定性尤其重要。故本文结合了backstepping技术,Lyapunov稳定性理论、神经网络控制理论和H控制理论研究了... 详细信息

众所周知,控制系统总是会不可避免的受到外部干扰的影响,而这将会影响系统的稳定性和控制精度,因此考虑系统在受到外部干扰时的稳定性尤其重要。故本文结合了backstepping技术,Lyapunov稳定性理论、神经网络控制理论和H控制理论研究了几类纯反馈非线性系统的H控制问题。本文的主要内容分为以下三部分:1.针对一类带有外部扰动和量化输入的随机纯反馈非线性系统,提出了基于backstepping的自适应神经有界H量化控制方法。设计过程中首先采用中值定理将非仿射函数转化为仿射形式,用RBF神经网络逼近打包的未知非线性函数,并且使用Gronwall不等式处理稳定性分析中的常数项,从而设计了该系统的H控制器。所设计的控制器能够保证系统中所有信号有界,且系统对外部干扰具有H性能,一个仿真实例证明了所提方案的有效性。2.针对一类带有任意切换信号、量化输入以及外部扰动的纯反馈非线性随机切换大系统,借助有界H的概念,公共Lyapunov函数方法和Gronwall不等式,提出了系统的分散自适应有界H量化控制方案。所设计的控制器能够保证闭环系统中所有信号在任意切换的条件下是半全局一致最终有界的,且系统对外部干扰具有H性能。仿真实验证明了所提控制方案的可行性。3.研究一类纯反馈非线性互联大系统的结构在线扩展问题,即考虑在线加入一个新的纯反馈非线性子系统使原结构系统扩展。基于backstepping技术提出一种大系统在线结构扩展的鲁棒H自适应神经分散关联镇定控制方法。在原结构系统控制器保持不变的前提下,利用神经网络自适应技术设计新加入子系统的分散控制律和自适应律,将新加入子系统后原结构系统产生的互联部分放在新子系统的控制器里来处理,并结合H控制理论获得新扩展子系统的鲁棒H自适应分散关联镇定控制器。该控制器可以保证新加入的子系统及整个扩展后的闭环大系统中所有信号是一致最终关联有界的,且系统对外部干扰具有H性能。仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

关键词：纯反馈非线性系统自适应控制 H∞控制量化输入 backstepping技术

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具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制

具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制

作者：赖晓唤浙江理工大学

学位级别：硕士

压电执行器具有输出功率大、带宽高、响应速度快等优点,因此广泛应用于精密定位和测量领域。但压电材料中固有的迟滞非线性会损害系统性能,甚至造成不稳定。因此针对迟滞特性的建模和控制是精密领域的一大研究热点。纯反馈非线性系统是... 详细信息

压电执行器具有输出功率大、带宽高、响应速度快等优点,因此广泛应用于精密定位和测量领域。但压电材料中固有的迟滞非线性会损害系统性能,甚至造成不稳定。因此针对迟滞特性的建模和控制是精密领域的一大研究热点。纯反馈非线性系统是一类比严格反馈非线性系统更具普遍性,更能代表实际系统的复杂非线性系统。由于纯反馈非线性系统往往含有非仿射特性,因此很难实现虚拟控制律和实际控制律的设计。考虑以上情况,针对具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制课题的研究具有重要的理论意义和应用价值。围绕这一课题,基于压电执行器的迟滞特性,开展了迟滞建模和具有迟滞特性的纯反馈系统自适应控制的研究。具体研究内容如下:（1）建立了压电执行器非对称迟滞特性的改进Bouc-Wen模型。考虑压电执行器中迟滞非线性的非对称特性,针对传统Bouc-Wen模型不能用于描述迟滞非对称性这一问题,通过引入一个非对称项到传统模型中来解决上述问题。该模型引入的非对称项能够保证迟滞中间变量有界,为后续的控制器设计提供重要的理论前提。并与其他改进Bouc-Wen模型进行对比,从中能看出该模型参数少、易于控制的优点。根据压电执行器实验平台采集的实验数据和改进粒子群优化算法,通过仿真证明了该改进模型的有效性。（2）建立了基于椭圆曲线的压电执行器率相关迟滞特性模型。与其他数学建模方法相比,椭圆方程由一组参数即可确定模型,因此简化了建模过程。该方法分为迟滞主环和次环两部分进行。在主环方面,通过约束圆锥形式的椭圆曲线来描述主环,利用最佳椭圆拟合算法来辨识椭圆曲线与实验数据。在次环方面,通过对主环进行变换,然后构建次环参数与主环参数之间的关系式。利用上述关系式可以调整次环的角度和形状,从而在主环信息的基础上,实现次环建模。通过实验,基于椭圆曲线的建模方法对主环和次环都有较高的辨识精度,证明了该方法的有效性。（3）设计了具有迟滞特性的纯反馈非线性系统自适应控制器。其中迟滞非线性采用上述第一点提出的改进Bouc-Wen模型来描述。利用纯反馈非线性系统的非仿射函数,将其直接替代状态变量到反推设计的坐标变换中。通过这一替代,省略了纯反馈非线性系统到严格反馈非线性系统的变换过程,避免了变换带来的循环设计和多余不确定项的问题,简化了控制器的设计。基于李雅普诺夫理论进行了闭环系统的稳定性分析。通过仿真案例和实验结果说明了该控制方案的有效性和优越性。针对上述迟滞建模方法和纯反馈非线性系统控制方案,本文开展了研究,并通过Matlab/Simulink仿真和dSPACE DS1103平台实验结果,验证了建模方法的有效性和控制方案的可行性,对实际的建模和控制应用有一定的参考价值。

关键词：压电执行器非对称迟滞率相关迟滞纯反馈非线性系统非仿射函数自适应控制

纯反馈切换非线性系统的自适应神经控制器设计

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纯反馈切换非线性系统的自适应神经控制器设计

作者：秦甜渤海大学

学位级别：硕士

近年来,切换非线性系统因其复杂的属性及其在实际工程中广泛的应用,使得该类系统一直都是控制领域中一个热门的研究课题。虽然吸引了不同研究背景人员的兴趣和关注,但切换非线性系统仍有许多难题需要研究解决。本文针对几类切换纯反馈... 详细信息

近年来,切换非线性系统因其复杂的属性及其在实际工程中广泛的应用,使得该类系统一直都是控制领域中一个热门的研究课题。虽然吸引了不同研究背景人员的兴趣和关注,但切换非线性系统仍有许多难题需要研究解决。本文针对几类切换纯反馈非线性系统,结合Backstepping技术和自适应神经网络控制技术,研究了相应控制器的设计方法以及闭环系统的稳定性和收敛性问题。主要工作如下:针对一类带有反冲滞后的纯反馈切换随机非线性系统,首先构造一个放射变量避免使用中值定理来拆分系统,并通过加入一个额外的低通滤波器处理项数爆炸问题。然后,结合自适应Backstepping技术和神经网络技术,提出自适应神经网络控制方法,来保证闭环系统的稳定性和收敛性。仿真实例验证了控制方法的有效性。针对一类带有时滞和量化输入的纯反馈切换非线性系统,首先应用函数分离技术进行变量分离,通过构造适当的Lyapunov-Krasoviskii泛函处理系统中的时滞项。然后,结合Backstepping技术、双曲正切函数、自适应神经网络控制技术及动态面控制技术,提出自适应神经网络控制方法,保证闭环系统的稳定性和收敛性。仿真实例说明了控制法则的有效性。纯反馈切换非线性系统的控制问题研究还处在起步阶段,本文初步研究了几类纯反馈切换非线性系统的自适应控制设计问题。目前,还有许多相关控制设计问题亟待解决,例如此类系统的输出反馈控制、约束控制以及互联纯反馈系统的控制设计等。

关键词：切换系统纯反馈非线性系统 Backstepping技术神经网络控制