發(fā)布時(shí)間：2020-06-30 01:10

【摘要】：在非線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)面控制方法中，輸入端非線性環(huán)節(jié)會影響閉環(huán)輸出信號的跟蹤性能。因此，如何設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)面控制算法來提高閉環(huán)非線性系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能成為控制領(lǐng)域的研究課題之一。本文研究了幾類非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)面控制問題，針對帶有未知非線性環(huán)節(jié)的非線性系統(tǒng)，利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、有限時(shí)間觀測器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器來觀測系統(tǒng)狀態(tài)和未知擾動(dòng)信號，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了輸出反饋動(dòng)態(tài)面控制器、基于跟蹤微分器和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的動(dòng)態(tài)面控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)面控制器、自適應(yīng)魯棒動(dòng)態(tài)面控制器等。針對電機(jī)伺服系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)和擾動(dòng)問題，提出了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的改進(jìn)動(dòng)態(tài)面控制方案。本文的具體工作如下： 1.研究了帶有輸入端未知死區(qū)的純反饋形式非線性系統(tǒng)的輸出精確跟蹤魯棒控制問題。通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，傳統(tǒng)反饋控制問題中的狀態(tài)未測量問題得到解決，同時(shí)在線估計(jì)了由系統(tǒng)未知函數(shù)和輸入死區(qū)導(dǎo)致的總的不確定性。為了應(yīng)用分離性定理，設(shè)計(jì)了有限時(shí)間狀態(tài)觀測器來獲得系統(tǒng)狀態(tài)和總的不確定性。然后，通過結(jié)合跟蹤微分器，研究了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)面方法來消除“復(fù)雜性爆炸”問題并保證系統(tǒng)輸出信號的跟蹤性能。由于跟蹤微分器是一種快速精確的信號濾波器，當(dāng)用來代替動(dòng)態(tài)面中的一階濾波器時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能顯著提高。整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的L穩(wěn)定性由李雅普諾夫方法和初始化技術(shù)給出，保證了跟蹤誤差的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。通過仿真算例得出了令人滿意的結(jié)果，說明了所提出控制方案的有效性。 2.研究了輸入端帶有滯環(huán)非線性環(huán)節(jié)的嚴(yán)格反饋形式的非線性系統(tǒng)，用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和跟蹤微分器來改進(jìn)傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)面方法并提出一種新的自適應(yīng)魯棒控制策略。為了處理系統(tǒng)不確定性，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器用來代替函數(shù)逼近器在反步法的每一步在線估計(jì)和補(bǔ)償未知系統(tǒng)函數(shù)�；跀U(kuò)張狀態(tài)觀測器的有限時(shí)間收斂并結(jié)合跟蹤微分器，實(shí)現(xiàn)了被控非線性系統(tǒng)輸出信號的精確跟蹤。跟蹤微分器在對虛擬穩(wěn)定化信號精確濾波的同時(shí)可獲得其微分信號，從而避免了算法中對同一虛擬控制信號的重復(fù)微分。因此，跟蹤微分器不僅能解決控制的“復(fù)雜性爆炸”問題，而且提高了閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。仿真結(jié)果表明，在保證系統(tǒng)瞬態(tài)性能方面，所提出的自適應(yīng)魯棒動(dòng)態(tài)面控制算法要優(yōu)于文獻(xiàn)中基于函數(shù)逼近器的自適應(yīng)算法。 3.研究了一類多輸入多輸出不確定性非線性系統(tǒng)的保證預(yù)測性能的自適應(yīng)輸出反饋動(dòng)態(tài)面控制問題。設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器并改進(jìn)動(dòng)態(tài)面方法實(shí)現(xiàn)了多個(gè)控制目標(biāo)。第一，實(shí)現(xiàn)了輸出反饋控制，設(shè)計(jì)了具有快速收斂性能的有限時(shí)間回聲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器來在線獲得系統(tǒng)狀態(tài)。因此傳統(tǒng)狀態(tài)反饋中存在未測量的狀態(tài)得到實(shí)時(shí)估計(jì)，未知函數(shù)由回聲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近。然后，通過在動(dòng)態(tài)面設(shè)計(jì)的每一步中用高階滑模微分器來代替一階濾波器,提出了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)面方法。因此，減小了濾波器性能對整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。而且，輸入到狀態(tài)的穩(wěn)定性分析能夠保證整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的所有信號是半全局最終一致有界的。特別地，保證系統(tǒng)跟蹤性能的性能函數(shù)使得跟蹤誤差收斂到原點(diǎn)附近一個(gè)緊集中。兩個(gè)仿真算例的仿真結(jié)果說明了所提出控制方法的有效性。 4.研究了具有未建模動(dòng)態(tài)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性與跟蹤控制問題，提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)抗擾控制方法。為了實(shí)現(xiàn)輸出反饋，設(shè)計(jì)了基于高階滑模微分器的狀態(tài)擴(kuò)張觀測器來在線觀測未測量的速度信號，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)面控制器。而且，高階滑模微分器用來改進(jìn)傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)面控制方法。設(shè)計(jì)的控制器解決了傳統(tǒng)PID控制器中快速性與超調(diào)量之間的沖突，能夠解決一大類具有未知擾動(dòng)的實(shí)際系統(tǒng)的控制問題。此外，包括摩擦和擾動(dòng)力矩的未知函數(shù)由切比雪夫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)律由李雅普諾夫穩(wěn)定性方法給出。在理論分析中，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能由性能函數(shù)來保證。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制方法的有效性。 5.基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，本文研究了電機(jī)伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒動(dòng)態(tài)面控制算法，包括伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)和四電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中存在多種影響控制性能的非線性因素。首先，分析了四電機(jī)伺服系統(tǒng)的齒隙和摩擦非線性環(huán)節(jié)并給出了對象的數(shù)學(xué)模型。然后，針對帶有參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)的電機(jī)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)有限時(shí)間擴(kuò)張狀態(tài)觀測器來估計(jì)系統(tǒng)總的不確定性。利用在線獲得的擾動(dòng)估計(jì)信號，根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒動(dòng)態(tài)面控制器，保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及所有信號的有界性。而且，通過參數(shù)初始化技術(shù)能夠保證跟蹤過程的瞬態(tài)性能。最后，在三種不同的實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)魯棒動(dòng)態(tài)面算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP273
【圖文】：

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圖 5.1 四電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)械系統(tǒng)的控制框圖不失一般性，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的每個(gè)子系統(tǒng)的電磁動(dòng)態(tài)方程[20]被描述為, 1, ,ii i iaei i ai ai ai im t adIK L I udK iRntT I (中， , 分別表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的角位置（rad）和角速度(rad/s)。iu 是每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2734633