非线性系统动态面控制及其在伺服系统中的应用

发布时间：2020-06-30 01:10

【摘要】：在非线性系统动态面控制方法中，输入端非线性环节会影响闭环输出信号的跟踪性能。因此，如何设计动态面控制算法来提高闭环非线性系统的瞬态和稳态性能成为控制领域的研究课题之一。本文研究了几类非线性系统的动态面控制问题，针对带有未知非线性环节的非线性系统，利用系统的结构特性，设计扩张状态观测器、有限时间观测器和神经网络观测器来观测系统状态和未知扰动信号，在此基础上设计了输出反馈动态面控制器、基于跟踪微分器和扩张状态观测器的动态面控制器、神经网络动态面控制器、自适应鲁棒动态面控制器等。针对电机伺服系统中的非线性环节和扰动问题，提出了多电机驱动伺服系统的改进动态面控制方案。本文的具体工作如下： 1.研究了带有输入端未知死区的纯反馈形式非线性系统的输出精确跟踪鲁棒控制问题。通过设计扩张状态观测器，传统反馈控制问题中的状态未测量问题得到解决，同时在线估计了由系统未知函数和输入死区导致的总的不确定性。为了应用分离性定理，设计了有限时间状态观测器来获得系统状态和总的不确定性。然后，通过结合跟踪微分器，研究了一种改进的动态面方法来消除“复杂性爆炸”问题并保证系统输出信号的跟踪性能。由于跟踪微分器是一种快速精确的信号滤波器，当用来代替动态面中的一阶滤波器时，闭环控制系统的性能显著提高。整个闭环系统的L稳定性由李雅普诺夫方法和初始化技术给出，保证了跟踪误差的瞬态和稳态性能。通过仿真算例得出了令人满意的结果，说明了所提出控制方案的有效性。 2.研究了输入端带有滞环非线性环节的严格反馈形式的非线性系统，用扩张状态观测器和跟踪微分器来改进传统动态面方法并提出一种新的自适应鲁棒控制策略。为了处理系统不确定性，扩张状态观测器用来代替函数逼近器在反步法的每一步在线估计和补偿未知系统函数。基于扩张状态观测器的有限时间收敛并结合跟踪微分器，实现了被控非线性系统输出信号的精确跟踪。跟踪微分器在对虚拟稳定化信号精确滤波的同时可获得其微分信号，从而避免了算法中对同一虚拟控制信号的重复微分。因此，跟踪微分器不仅能解决控制的“复杂性爆炸”问题，而且提高了闭环系统的控制性能。仿真结果表明，在保证系统瞬态性能方面，所提出的自适应鲁棒动态面控制算法要优于文献中基于函数逼近器的自适应算法。 3.研究了一类多输入多输出不确定性非线性系统的保证预测性能的自适应输出反馈动态面控制问题。设计神经网络观测器并改进动态面方法实现了多个控制目标。第一，实现了输出反馈控制，设计了具有快速收敛性能的有限时间回声神经网络观测器来在线获得系统状态。因此传统状态反馈中存在未测量的状态得到实时估计，未知函数由回声神经网络来逼近。然后，通过在动态面设计的每一步中用高阶滑模微分器来代替一阶滤波器,提出了一种改进的动态面方法。因此，减小了滤波器性能对整个闭环系统稳定性的影响。而且，输入到状态的稳定性分析能够保证整个闭环系统的所有信号是半全局最终一致有界的。特别地，保证系统跟踪性能的性能函数使得跟踪误差收敛到原点附近一个紧集中。两个仿真算例的仿真结果说明了所提出控制方法的有效性。 4.研究了具有未建模动态的多电机驱动伺服系统的稳定性与跟踪控制问题，提出了一种神经网络主动抗扰控制方法。为了实现输出反馈，设计了基于高阶滑模微分器的状态扩张观测器来在线观测未测量的速度信号，并以此为基础设计动态面控制器。而且，高阶滑模微分器用来改进传统的动态面控制方法。设计的控制器解决了传统PID控制器中快速性与超调量之间的冲突，能够解决一大类具有未知扰动的实际系统的控制问题。此外，包括摩擦和扰动力矩的未知函数由切比雪夫神经网络来逼近，网络权值自适应律由李雅普诺夫稳定性方法给出。在理论分析中，闭环系统的稳态和瞬态性能由性能函数来保证。最后，实验结果验证了所提出控制方法的有效性。 5.基于扩张状态观测器，本文研究了电机伺服系统的自适应鲁棒动态面控制算法，包括伺服转台系统、双电机驱动伺服系统和四电机驱动伺服系统，这些系统中存在多种影响控制性能的非线性因素。首先，分析了四电机伺服系统的齿隙和摩擦非线性环节并给出了对象的数学模型。然后，针对带有参数摄动和外部扰动的电机伺服系统的数学模型，设计有限时间扩张状态观测器来估计系统总的不确定性。利用在线获得的扰动估计信号，根据李雅普诺夫稳定性理论设计自适应鲁棒动态面控制器，保证了闭环系统的稳定性及所有信号的有界性。而且，通过参数初始化技术能够保证跟踪过程的瞬态性能。最后，在三种不同的实验平台上验证了所提出的自适应鲁棒动态面算法的有效性。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP273
【图文】：

框图,闭环,动态,非线性系统

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伺服机械,电机驱动,控制框图,驱动电机

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【参考文献】