详情

原文传递饱和控制系统理论及应用研究

论文题名：	饱和控制系统理论及应用研究
关键词：	执行器饱和;非线性控制;抗饱和控制;线性矩阵不等式;不确定性;船舶航向控制
摘要：	执行器饱和特性广泛地存在于现实控制系统中，但传统的控制理论又常漠视之，直至发生多起灾难事故后才引起学者关注。饱和是硬非线性，具有不光滑特性，它的加入增加了系统分析与设计的复杂性。目前对于执行器幅度饱和的系统研究已取得了许多成果，但对于更难于分析的执行器幅度与速率饱和的系统研究工作却很少。在实际工程中，除了系统存在的执行器饱和外，还存在由于系统建模参数及运行环境的变化等一系列因素造成的系统模型不确定，以及当被控对象进行大范围运动时，系统模型存在的光滑非线性，这些实际问题在进行控制系统设计时都应予以相应的考虑。由于船舶航向控制的操舵系统存在幅度与速率饱和，进行控制器设计时必须给予考虑和很好的处理。然而目前已有的船舶航向控制器设计结果中，一直没有给出很好解决此问题的办法。　　对于存在执行器饱和的系统，全局稳定是很难得到保证的，大部分工作集中在系统局部分析，因此本文针对含执行器幅度饱和的线性系统，改进了局部鲁棒稳定性和性能的分析方法，并针对具有特殊形式的含执行器幅度与速率饱和的系统，完善了现有的抗饱和控制理论，从理论上保证了含抗饱和补偿器的闭环系统的代数环良定性，即系统动力学方程解的存在性及唯一性。采用的主要处理手段有：饱和特性的凸包处理方法，结果具有更低的保守性；借助椭球体和参考集估计系统吸引域的大小：采用线性微分包含处理系统模型中的光滑不确定非线性项;通过引入幅度与速率饱和(MRS)模型和状态变量增广法处理了执行器的幅度与速率饱和；且将所有控制问题转化为线性矩阵不等式(LMI)或双线性矩阵不等式(BMI)约束的(凸)优化问题，便于用MATLAB优化求解。　　主要研究内容：　　对四类饱和控制系统进行了理论研究并给出相应的结论，且将其中一类系统的理论研究结果应用于船舶航向控制的实际中，很好的解决了航向控制中的舵角与舵角速率饱和问题。　　 (1).对于幅度饱和的反馈矩阵有摄动的线性系统进行稳定性分析，采用凸包方法处理饱和，基于二次Lyapunov函数，给出了判定闭环系统收缩不变椭球的充分性条件，通过选取多面体参考集，进行最大吸引域估计，且将此问题转化为LMI约束的凸优化问题。　　 (2).对于幅度饱和的参数不确定线性系统进行保成本控制，用凸包方法处理饱和，基于二次Lyapunov和非二次Lyapunov函数，分别给出保证系统鲁棒稳定与鲁棒性能的充分性条件，且将控制器设计问题分别转化为LMI和/或BMI约束的优化问题。　　 (3).对于一类幅度与速率饱和且执行器满足一定动力学特性的线性系统进行静态抗饱和控制。通过采用状态变量增广法，将幅度与速率饱和问题转化为幅度饱和问题，基于二次Lyapunov函数，采用多面体微分包含和范数有界微分包含，分别给出系统同时满足稳定性和最佳性能的充分性条件，且将抗饱和补偿器设计问题转化为LMI约束的凸优化问题。　　 (4).对于一类幅度与速率饱和的不确定非线性系统进行静态抗饱和控制。首先采用线性微分包含处理系统模型中的不确定非线性项；之后通过引入MRS模型，将幅度与速率饱和问题转化为幅度饱和问题。给出了闭环系统代数环良定性的充要条件，并将其化作LMI约束，从而去除了代数环良定性假设。基于二次Lyapunov函数，采用范数有界微分包含，给出了闭环系统同时满足鲁棒稳定与鲁棒性能的充分性条件，且将抗饱和补偿器设计问题转化为LMI约束的凸优化问题。　　 (5).进行船舶航向保持控制器设计，基于线性船舶运动学模型，采用静态抗饱和控制方法，很好地解决了舵角速率饱和问题。　　 (6).进行船舶转向控制器设计，基于不确定非线性船舶运动学模型，给出了转向静态抗饱和控制器的设计，通过与转向饱和有限时间控制器仿真比较，更好地说明抗饱和控制器很好地解决了舵角与舵角速率饱和问题，提高了系统的控制性能。　　最后是全文总结及展望。
作者：	周丽明
专业：	控制理论与控制工程
导师：	刘胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文