本文關(guān)鍵詞：非光滑控制理論及其在飛行器系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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【摘要】：非光滑控制器不僅可以提高閉環(huán)系統(tǒng)的收斂速度和抗干擾性能,而且具有更廣泛的應(yīng)用范圍.近年來非光滑控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題受到越來越多的關(guān)注,但是仍有許多亟待解決的問題.本論文主要在非線性系統(tǒng)的通用有限時(shí)間觀測(cè)器的設(shè)計(jì)、上三角非線性大系統(tǒng)的全局分散鎮(zhèn)定、下三角非線性隨機(jī)系統(tǒng)的有限時(shí)間輸出反饋鎮(zhèn)定、小行星探測(cè)器有限時(shí)間軟著陸控制、六自由度空間飛行器編隊(duì)飛行系統(tǒng)的有限時(shí)間控制以及空間飛行器的有限時(shí)間姿態(tài)跟蹤控制方面進(jìn)行了研究.主要研究結(jié)果和貢獻(xiàn)如下：一、針對(duì)一類可能受干擾和未知參數(shù)影響的不確定非線性系統(tǒng),給出了一種通用有限時(shí)間觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法.首先,根據(jù)干擾所滿足的假設(shè)條件對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)擴(kuò)張.其次,通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換、齊次系統(tǒng)理論和非光滑控制分析方法來設(shè)計(jì)通用有限時(shí)間觀測(cè)器,使得原系統(tǒng)中的未測(cè)量狀態(tài)、未知參數(shù)、所受干擾及其各階導(dǎo)數(shù)都能夠在有限時(shí)間內(nèi)估計(jì)出來.最后,利用通用有限時(shí)間觀測(cè)器對(duì)一類水輪機(jī)系統(tǒng)中的未測(cè)量狀態(tài)、未知參數(shù)、干擾進(jìn)行估計(jì)值,并基于通用有限時(shí)間觀測(cè)器和非光滑控制設(shè)計(jì)方法解決了水輪機(jī)系統(tǒng)的有限時(shí)間輸出反饋調(diào)節(jié)問題.二、針對(duì)一類帶有非Lipschitz連續(xù)非線性項(xiàng)的不確定上三角非線性大系統(tǒng),給出了全局分散控制器的設(shè)計(jì)方法.首先,利用增加冪積分方法為系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的標(biāo)稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)非光滑控制器,使得各個(gè)標(biāo)稱子系統(tǒng)在非光滑控制器的作用下是全局漸近穩(wěn)定的,并證明了在所給出的非光滑分散控制器作用下整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是局部漸近穩(wěn)定的.其次,基于嵌套飽和技術(shù)將得到的分散控制器飽和化.最后,證明在飽和分散控制器的作用下,按照從下到上的方式,通過調(diào)整飽和度,使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)是全局漸近穩(wěn)定的.三、針對(duì)一類p-規(guī)范型下三角非線性隨機(jī)系統(tǒng),給出了全局有限時(shí)間輸出反饋控制方法.首先,基于增加冪積分方法和齊次系統(tǒng)理論以遞歸的方式為非線性隨機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)降階的齊次狀態(tài)觀測(cè)器和控制器.其次,利用齊次占優(yōu)方法來處理系統(tǒng)中的漂移項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng),證明了所給出的輸出反饋控制器可以確保閉環(huán)系統(tǒng)是全局有限時(shí)間依概率穩(wěn)定的.數(shù)值仿真算例表明了所給控制方法的有效性和合理性.四、針對(duì)一類以小行星為中心用二維動(dòng)態(tài)方程描述的探測(cè)器著陸系統(tǒng),提出了基于視線角的有限時(shí)間軟著陸控制方法.首先,根據(jù)系統(tǒng)多變量、非線性和強(qiáng)耦合的特點(diǎn),將著陸小行星的動(dòng)態(tài)誤差系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)：位置誤差子系統(tǒng)和視線角誤差子系統(tǒng).其次,利用齊次系統(tǒng)理論為視線角誤差子系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器,使得視線角誤差子系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)收斂.最后,利用齊次系統(tǒng)理論為退化的位置誤差子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有限時(shí)間控制器,嚴(yán)格的理論分析表明所給的設(shè)計(jì)方法能夠確保整個(gè)動(dòng)態(tài)誤差系統(tǒng)是有限時(shí)間穩(wěn)定的.五、針對(duì)一類六自由度空間飛行器編隊(duì)飛行系統(tǒng),提出了三種有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)方法.首先,基于非奇異終端滑模控制方法,給出了一種局部有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)方法.其次,利用通用有限時(shí)間觀測(cè)器來估計(jì)系統(tǒng)中的擾動(dòng),基于非奇異終端滑�？刂破骱屠猛ㄓ糜邢迺r(shí)間觀測(cè)器技術(shù)得到的前饋補(bǔ)償項(xiàng)給出了一種復(fù)合的有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)方法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地削減系統(tǒng)的抖動(dòng).最后,基于切換控制方法、連續(xù)非奇異終端滑�？刂品椒ê屯ㄓ糜邢迺r(shí)間觀測(cè)器技術(shù),給出了一種全局有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)方法.六、針對(duì)一類空間飛行器姿態(tài)系統(tǒng),提出了基于連續(xù)有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的有限時(shí)間姿態(tài)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)方法.首先,針對(duì)一類受高階非線性干擾的系統(tǒng),基于齊次系統(tǒng)系統(tǒng)理論和飽和技術(shù)理論給出了一種連續(xù)有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法,理論分析表明在該連續(xù)有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器下干擾及其各階導(dǎo)數(shù)都可以在有限時(shí)間內(nèi)估計(jì)出來.此外,基于給出的連續(xù)有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器給出了空間飛行器姿態(tài)系統(tǒng)的一種連續(xù)有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)方法,使得空間飛行器在有限時(shí)間內(nèi)可以精確跟蹤上期望的姿態(tài).數(shù)值仿真結(jié)果說明了所給控制方法的可行性.
【關(guān)鍵詞】：非光滑控制 非線性系統(tǒng) 增加冪積分 齊次占優(yōu)方法 輸出反饋 干擾 空間飛行器系統(tǒng) 有限時(shí)間干擾觀測(cè)器 有限時(shí)間控制 有限時(shí)間穩(wěn)定
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V249.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-29
• 1.1 非光滑控制的研究意義13-18
• 1.2 非光滑控制理論簡(jiǎn)介18-23
• 1.2.1 強(qiáng)穩(wěn)定性和有限時(shí)間穩(wěn)定性的定義及判定定理18-21
• 1.2.2 齊次性理論介紹21-23
• 1.3 非光滑控制方法概述23-27
• 1.3.1 非光滑狀態(tài)反饋鎮(zhèn)定23-25
• 1.3.2 非光滑狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)及輸出反饋控制25-26
• 1.3.3 非光滑控制在典型系統(tǒng)中的應(yīng)用26-27
• 1.4 本文的主要工作27-28
• 1.5 一些基本不等式28-29
• 第二章 通用有限時(shí)間觀測(cè)器的設(shè)計(jì)29-40
• 2.1 引言29-31
• 2.2 預(yù)備知識(shí)和問題描述31-32
• 2.3 通用有限時(shí)間觀測(cè)器的設(shè)計(jì)32-34
• 2.4 通用有限時(shí)間觀測(cè)器在水輪機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用34-37
• 2.4.1 水輪機(jī)系統(tǒng)的通用有限時(shí)間觀測(cè)器設(shè)計(jì)35
• 2.4.2 有限時(shí)間輸出反饋調(diào)節(jié)控制器的設(shè)計(jì)35-37
• 2.5 仿真驗(yàn)證37-39
• 2.6 本章小結(jié)39-40
• 第三章 不確定上三角非線性大系統(tǒng)的全局分散鎮(zhèn)定40-63
• 3.1 引言40-42
• 3.2 預(yù)備知識(shí)42-43
• 3.3 上三角非線性大系統(tǒng)的全局分散控制器的設(shè)計(jì)43-59
• 3.3.1 局部分散控制器的設(shè)計(jì)43-48
• 3.3.2 全局分散控制器的設(shè)計(jì)48-59
• 3.4 數(shù)值仿真59-61
• 3.5 本章小結(jié)61
• 附錄 A61-63
• 第四章 下三角非線性隨機(jī)系統(tǒng)的全局有限時(shí)間輸出反饋鎮(zhèn)定63-85
• 4.1 引言63-65
• 4.2 預(yù)備知識(shí)和問題描述65-67
• 4.3 全局有限時(shí)間輸出反饋鎮(zhèn)定67-76
• 4.3.1 標(biāo)稱系統(tǒng)的全局有限時(shí)間輸出反饋控制器的設(shè)計(jì)67-73
• 4.3.2 非線性隨機(jī)系統(tǒng)全局有限時(shí)間輸出反饋控制器的設(shè)計(jì)73-76
• 4.4 數(shù)值仿真76-79
• 4.5 本章小結(jié)79-80
• 附錄80-85
• 第五章 基于視線角有限時(shí)間軟著陸小行星的控制85-97
• 5.1 引言85-86
• 5.2 預(yù)備知識(shí)和問題描述86-88
• 5.3 有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)88-93
• 5.3.1 視線角誤差子系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)89
• 5.3.2 位置誤差子系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)89-93
• 5.4 數(shù)值仿真93-96
• 5.5 本章小結(jié)96-97
• 第六章 六自由度飛行器編隊(duì)飛行系統(tǒng)的有限時(shí)間控制97-119
• 6.1 引言97-99
• 6.2 預(yù)備知識(shí)和問題描述99-103
• 6.2.1 相對(duì)位置方程99-100
• 6.2.2 相對(duì)姿態(tài)方程100-101
• 6.2.3 問題描述101-103
• 6.3 主要結(jié)果103-112
• 6.3.1 非奇異終端滑�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)103-105
• 6.3.2 基于有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)105-108
• 6.3.3 全局有限時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)108-112
• 6.4 數(shù)值仿真112-116
• 6.5 本章小結(jié)116-119
• 第七章 基于有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的飛行器姿態(tài)跟蹤控制119-133
• 7.1 引言119-121
• 7.2 預(yù)備知識(shí)和問題描述121-122
• 7.3 有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)122-126
• 7.4 基于有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的姿態(tài)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)126-129
• 7.4.1 問題描述126-127
• 7.4.2 復(fù)合有限時(shí)間姿態(tài)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)127-129
• 7.5 實(shí)驗(yàn)仿真129-132
• 7.6 本章小結(jié)132-133
• 第八章 本文工作總結(jié)與展望133-137
• 8.1 結(jié)論133-135
• 8.2 展望135-137
• 參考文獻(xiàn)137-153
• 附錄一 攻讀博士學(xué)位期間研究成果153-155
• 附錄二 致謝155

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