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原文传递事件触发重置控制器研究及其在水面无人艇轨迹跟踪控制系统中的应用

论文题名：	事件触发重置控制器研究及其在水面无人艇轨迹跟踪控制系统中的应用
关键词：	水面无人艇;轨迹跟踪;间断连续系统;事件触发;模型预测
摘要：	水面无人艇在诸多领域具有重要的应用价值，近年来，水面无人艇的轨迹跟踪控制技术已成为水面机器人学的国际研究热点。同时，随着计算机和网络技术的飞速发展，通信网络在工程领域中广泛应用。但是，通信通道的有限容量对系统控制的实时性能是很大的挑战。因此，减少水面无人艇传感器和控制器之间的数据传输是非常有价值的问题。且由于水面无人艇自身结构和任务的复杂性等原因，需考虑模型的不确定性和控制输入的受限等问题。重置控制系统属于一种特殊的间断连续混杂系统，其可以克服线性反馈控制设计的局限性。作为非线性补偿器，重置控制器可以确保系统的稳定性和鲁棒性。因此，在水面无人艇的轨迹跟踪控制中应用重置控制具有重要意义。综合考虑上述因素，本文主要探究基于事件触发与混杂系统的重置控制器设计及其在水面无人艇轨迹跟踪控制上的应用，以减少水面无人艇系统传感器和控制器之间的传输，同时保证理想的闭环行为。具体的研究内容如下：　　（1）利用间断连续混杂系统双时间与双输入特性，定义了一类新型的具有良好轨迹跟踪性能的反馈控制器，即基于PCHS的重置控制器。并给出了基于PCHS的事件触发重置控制系统的整体架构。　　（2）对基于PCHS的重置控制器的重置律进行了研究，给出了两种重置控制策略设计。首先提出了一种基于瞬态响应性能的重置控制策略。所设计的重置控制器主要基于一阶重置单元模型，除跟踪误差之外，引入了跟踪误差的导数信息来构造重置机制，从而促使跟踪误差的导数的正负性与跟踪误差的正负性趋于相反，达到降低系统超调和减少稳定时间的性能目标。其次，提出了一种基于稳定性能的重置控制策略，针对受扰动系统，根据Lyapunov函数表达式，设计重置机制和重置值，保证了从扰动到输出有限增益(L)2稳定，且该重置控制系统的(L)2增益小于等于其基系统的(L)2增益，改进(L)2增益稳定性能，提高(L)2干扰衰减能力。　　（3）设计和研究了基于事件触发及混杂系统的轨迹跟踪控制器。其中重置机制和事件触发机制分开设计，从而保证控制性能的提高和通信资源占用的减少。分别设计了静态事件机制和动态事件机制，并结合基于瞬态响应性能的重置策略，对闭环系统进行了稳定性分析。此外，将其应用于水面无人艇轨迹跟踪控制系统中，验证了所提出的轨迹跟踪控制器的有效性。　　（4）针对一类非线性系统构造了基于模型预测的事件触发模糊重置控制。所提出的事件触发模糊重置控制器基于离散采样输出，大大减少了通信资源的占用。考虑到系统状态无法测量时，引入了T-S模糊观测器来构造基于观测器的控制器，以保证系统的输入到状态稳定性。此外，重置律的设计基于模型预测策略，该方法通过预测重置瞬间的系统状态，最小化二次代价函数来求得重置后的值。最后针对水面无人艇系统，在数值仿真中将该控制器与输出反馈模糊控制器和一阶模糊重置控制器的响应性能进行比较，验证了所提出方法的有效性。
作者：	张抒宇
专业：	控制理论与控制工程
导师：	王浩平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2021