【摘要】：自上世紀(jì)中葉以來,現(xiàn)代控制理論方法得到空前的發(fā)展和完善,形成了眾多的分支與領(lǐng)域,基于模型的傳統(tǒng)控制理論過于依賴系統(tǒng)模型,而在建立被控對象數(shù)學(xué)模型的同時(shí)往往易引入系統(tǒng)模型不確定性的擾動。數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論與基于模型的控制理論優(yōu)勢互補(bǔ)、相互依存的關(guān)系,決定了發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論是當(dāng)前控制理論發(fā)展與應(yīng)用的必然要求。虛擬參考反饋校正理論是一類數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論,對其研究有著重要意義,具有不需建模、控制器結(jié)構(gòu)簡單及可將控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為參數(shù)辨識的優(yōu)點(diǎn),相比其它數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法,虛擬參考反饋校正法(VRFT)不需多次采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)迭代計(jì)算,只需一次性整定控制器參數(shù);另外一方面,與虛擬參考反饋理校正論優(yōu)點(diǎn)并存的是該方法屬于離線整定法、對復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)顯得麻煩及難以和其他控制方法相結(jié)合達(dá)到更好的控制效果。針對這些不足,論文對該方法進(jìn)行了深入的理論研究。1、論文針對非最小相位線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì),由于零極點(diǎn)對消可能導(dǎo)致系統(tǒng)或者控制器的不穩(wěn)定,提出了非最小相位系統(tǒng)的虛擬參考校正控制器設(shè)計(jì)。通過定義一個(gè)靈活性準(zhǔn)則,在不用辨識系統(tǒng)的全階模型情形下,理論證明了只需對該準(zhǔn)則函數(shù)最小化得到可調(diào)節(jié)的參考模型與系統(tǒng)具有相同的非最小相位零點(diǎn);根據(jù)辨識出的非最小相位零點(diǎn)重新設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的理想傳遞函數(shù),再用常規(guī)的虛擬參考反饋校正法設(shè)計(jì)控制器參數(shù);仿真驗(yàn)證了該方法對非最小相位系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的有效性。2、在基于觀測數(shù)據(jù)對未知線性系統(tǒng)二自由度控制器的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)參數(shù)非線性問題,提出了一種控制器參數(shù)的預(yù)測誤差辨識方法。采用虛擬參考校正法最小化準(zhǔn)則函數(shù),將控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為對控制器參數(shù)的辨識,通過對原輸入-輸出關(guān)系式進(jìn)行重參數(shù)化得到預(yù)測誤差辨識的標(biāo)準(zhǔn)形式;對兩類控制器未知參數(shù)矢量采用可分離迭代的非線性最小二乘辨識法來迭代求解;理論分析了算法收斂性及仿真算例驗(yàn)證了算法的有效性。3、針對非線性系統(tǒng)的復(fù)雜動態(tài)特性難以建立數(shù)學(xué)模型,提出了非線性前饋控制器與線性反饋控制器的二自由度控制器設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)計(jì)虛擬參考信號,將非線性前饋控制器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為非線性函數(shù)在某類基函數(shù)展開式下的參數(shù)辨識;在此基礎(chǔ)上,增加一線性控制器于反饋回路用以增強(qiáng)系統(tǒng)的跟蹤性能,采用遞推最小二乘法辨識線性控制器參數(shù)。對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)出需要保證非線性系統(tǒng)的輸出為有限增益穩(wěn)定時(shí)李普希茲系數(shù)滿足的條件,給出跟蹤誤差的上界;最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。4、由于傳統(tǒng)虛擬參考反饋校正理論主要利用離線數(shù)據(jù),不再能滿足時(shí)變系統(tǒng)控制需求,需進(jìn)一步對系統(tǒng)的在線數(shù)據(jù)利用及更新。針對線性時(shí)變系統(tǒng),提出了自適應(yīng)的虛擬參考反饋校正線性控制器設(shè)計(jì)方法。通過離線虛擬參考反饋校正法初始化控制器參數(shù);實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)控制對象兩端的觀測數(shù)據(jù)用以構(gòu)造濾波器及虛擬參考信號;利用濾波數(shù)據(jù)在線辨識虛擬控制器參數(shù)實(shí)時(shí)更新實(shí)際系統(tǒng)控制器參數(shù),達(dá)到時(shí)變系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)目的,并對控制器參數(shù)收斂性進(jìn)行了理論分析。針對復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng),提出了基于Volterra級數(shù)的自適應(yīng)虛擬參考反饋校正非線性控制器設(shè)計(jì)方法。構(gòu)造虛擬指令及虛擬參考反饋校正法性能指標(biāo),證明該性能指標(biāo)與全局性能指標(biāo)的等價(jià);基于Volterra級數(shù)網(wǎng)絡(luò)對非線性控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),,并確定了初始網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及初始權(quán)值,在此基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)的非線性最小均方法在線更新權(quán)值,適應(yīng)被控系統(tǒng)的變化;理論分析了閉環(huán)系統(tǒng)的收斂性,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。5、針對傳統(tǒng)內(nèi)�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)過度依賴于真實(shí)對象和內(nèi)部模型,主要依靠濾波器系數(shù)調(diào)節(jié)去整定控制器參數(shù)的代價(jià)必將會犧牲系統(tǒng)快速性,為規(guī)避真實(shí)對象的建模過程,使被控對象的建模與內(nèi)�？刂破髟O(shè)計(jì)可同步實(shí)現(xiàn),提出了基于虛擬參考反饋校正法的內(nèi)模控制,過程模型和內(nèi)�？刂破鞯那蠼膺M(jìn)而轉(zhuǎn)化為參數(shù)辨識過程。建立虛擬參考反饋校正法與內(nèi)模控制內(nèi)在聯(lián)系,推導(dǎo)出濾波器選取的具體表達(dá)式,通過濾波數(shù)據(jù)辨識未知參數(shù),采用漸近性理論推導(dǎo)內(nèi)�？刂浦袃深愇粗獏�(shù)的漸近方差矩陣式衡量辨識精度。并對所提方法有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
【圖文】：

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文( ) ( ) ( ) ( )1 11 11 1 N NT T Tnl nlt tt t t u t UN Nθ = = = Φ Φ Φ ∑ ∑ 分別定義為(1 ) ( ) , (1 ) ( )Tnl nl nlU u =u N Φ N 過程中，需已知式(3.54)的基函數(shù)族。但若基函數(shù)族在未知情形下，為解決該問題，可引入上節(jié)中提出的用支持向量機(jī)近似替換由線性rammian 矩陣。由于設(shè)計(jì)的非線性控制器總存在一定的偏差，所以( )l t 并不一定完全等于系統(tǒng)的控制信號 u ( t )，為消除該誤差 ( )e= t u蹤性能。在設(shè)計(jì)好非線性控制器的基礎(chǔ)上，如圖 3.3 增加一個(gè)線性將對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。制器的設(shè)計(jì)控制器linK 的設(shè)計(jì)采用直接數(shù)據(jù)驅(qū)動中的虛擬參考反饋校正思想，集觀測序列來校正該線性控制器。將圖 3.3 所示的閉環(huán)反饋系統(tǒng)抽取分僅包含線性控制器linK 和非線性系統(tǒng)對象模塊 S 的閉環(huán)部分結(jié)構(gòu)

( )( ) 1 ( ) ( )C zK zC z G z= 5.21）的第 2 個(gè)式子同樣能得到上式，從而建立了內(nèi)�？刂婆c標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)�？刂破� C ( z )與閉環(huán)控制器 K ( z )應(yīng)該要滿足于式（5.22）�？蓪κ�(5.2( )( ) 1 ( ) ( )K zC zK z G z=+兩式中含有的內(nèi)部模型 G ( z )采用前一節(jié)所提方法估計(jì)。但估計(jì)模型中的驗(yàn)證，由內(nèi)�？刂婆c閉環(huán)控制等價(jià)性可轉(zhuǎn)換為一般反饋控制的參數(shù)驗(yàn)證參數(shù)檢驗(yàn)控制結(jié)構(gòu)中存在的待辨識模型將應(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，此辨識整個(gè)傳統(tǒng)內(nèi)模的控制器設(shè)計(jì)過程中起著重要作用。為此本節(jié)主要是對所區(qū)間進(jìn)行檢驗(yàn)的思路來研究內(nèi)�？刂浦袃�(nèi)部模型參數(shù)辨識精度問題。分析了內(nèi)�？刂婆c標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)反饋控制二者之間可通過某些基本的代數(shù).3 所示的標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)圖進(jìn)一步將其描述成如下的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP273

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本文編號：2544301