基于扰动观测器的延迟系统的滑模控制

来源 :山东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hqxt2009
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滑模控制的本质是一种不连续的变结构控制方式,旨在通过控制器的作用将任意初始位置的系统状态在有限时间内驱动到预设的滑模面上,并随后在滑模面上渐近地趋于平衡点.与传统控制方式相比,滑模控制方法具有良好的暂态性能、快速的响应能力,特别是对匹配扰动和不确定性具有完全的鲁棒性.因此,滑模控制在移动机器人控制、船舶控制、卫星姿态控制、飞行器控制、机械臂控制等领域有着广泛的应用.然而,在一些实际系统中,扰动项可能是未知或不可测的,此时滑模控制将无法进行设计和应用.因此,寻求一种可以获取未知扰动有效信息的方法是十分重要的.另一方面,考虑到时间延迟对于系统稳定性能的影响,研究延迟系统动力学行为则具有十分重要的理论意义和实用价值.基于以上分析,本文将扰动观测器引入滑模控制设计中,利用LyapunovKrasovskii方法和线性矩阵不等式(LMI)技术,系统地研究未知扰动下延迟系统的滑模控制方法和相关理论.全文主要研究工作和创新性概括如下:第一章,概述本课题的研究背景与意义,从基本原理和发展现状两方面对滑模控制做简单介绍,最后给出本文的主要工作安排.第二章,针对未知扰动下异构网络同步问题进行分析和研究.首先,设计基于扰动观测的滑模控制策略,研究异构混沌神经网络的同步问题.其中,设计扰动观测器来估计未知扰动的信息,并把信息传递给控制器;设计基于扰动观测的控制器,保证同步误差系统在滑模面上产生滑动模态;构造依赖于系统结构的滑模函数,有效降低由于系统结构不同所带来的复杂性.然后,通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii泛函和利用LMI技术,给出了保证混沌神经网络同步的若干充分条件.其次,基于同样的研究思路,本文还研究了存在延迟和未知扰动的异构复杂动态网络的全局渐近同步问题.所设计的滑模控制器不仅保证了积分滑模面的可达性,而且克服了控制通道中扰动的影响.最后,通过两个仿真例子说明结果的有效性.第三章,针对不匹配扰动下延迟系统的镇定问题进行分析和研究.首先,构造非线性扰动观测器对不匹配扰动进行补偿,其中考虑扰动为由线性系统所表示的谐波干扰.然后,设计基于扰动观测的滑模控制器保证非线性滑模面的有限时间可达性.结合系统状态和扰动误差构造耦合系统,通过构造Lyapunov-Krasovskii泛函和利用LMI技术,实现系统轨迹渐近地收敛于依赖谐波扰动的平衡态.最后,将理论结果应用于连续搅拌槽式反应器的产物浓度研究当中,通过数值仿真展示出理论结果的有效性.特别地,当系统中没有时间延迟时,考虑扰动是最终趋于常值的,设计依赖于扰动误差界的滑模控制器,这样不仅保证了系统轨迹有限时间内到达滑模面,还有效减弱了系统抖振.通过构造合适的Lyapunov函数,给出系统状态渐近趋于一个平衡动态的充分条件.最后,同样给出一个带有数值模拟的例子说明方法的合理性.第四章,针对未知扰动下非线性延迟系统的实用稳定性进行分析和研究.其中,虽然外部扰动的信息无法直接获取,但扰动的变化速率是有界的.首先,利用LMI技术和杨氏不等式,给出了系统状态有界的重要引理.通过设计非线性扰动观测器来获取扰动信息,并将信息传递给控制器.然后,设计基于扰动观测的事件触发滑模控制策略,保证了实用滑模的存在性,还实现了系统的鲁棒实用稳定性.该研究结果通过触发规则的设计不仅节约了控制成本,还减弱了系统抖振频率.最后,通过两个仿真实例验证了所提结果的有效性.
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