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非线性控制系统是当今最活跃的一个研究领域,但仍缺少系统的和有效的处理方法。模糊控制技术具有控制器设计简便、适用于许多非线性系统等特点,20世纪80年代以来在控制理论和工程实践方面获得了很大的发展,但缺乏严格的稳定性证明。对于控制系统来说,稳定性是一个最基本的性能要求。现代控制理论已建立起成体系、内容丰富的稳定性理论,但关于模糊控制系统的稳定性的研究,目前还不十分深入,关于镇定的研究也不多见。
变结构控制的优点在于其滑动模态具有快速性和鲁棒性,且系统只有在滑动阶段才具有对参数摄动和外界干扰的不敏感性。然而,滑模控制也存在抖振的缺点。因此如何消除抖振也是滑模控制的研究的重要课题。
基于以上分析,把滑模控制与模糊控制结合起来,利用滑模控制的快速性和鲁棒性与模糊控制的柔化和智能作用优势互补,来改善系统的动态品质,是本文研究的方向。本文的主要工作概括如下:
研究了离散系统的全程滑模控制问题和不确定离散系统的滑模控制律的改进问题。滑模控制的优点是,当系统到达滑动模态时,对参数不确定项和外部干扰具有鲁棒性,因此如何缩短系统运动到达阶段和设计具有鲁棒性的控制律是要研究的重要课题。所以在第一个问题中,针对不确定离散系统,选择切换函数,使系统轨线一开始就落在切换面上,缩短了到达运动阶段,并通过控制律的构造将系统运动保持在切换流形附近,使系统运动始终具有理想滑模的优良性能。在第二个问题中,针对传统的滑模控制是利用不确定项的界来设计控制律的,具有很大的保守性的缺点,通过对采样周期区间和不确定项的变化率分析,提出了在不同的区间,对不确定项采用不同的逼近的方法,克服了由传统控制方法所产生的抖振和保守性的缺点。
考虑了一类不确定时滞系统的鲁棒观测器设计问题。对于一般的线性系统,传统观测器设计方法是构造龙伯格观测器,即通过选择适当的观测器增益向量使得状态误差系统渐近稳定。但是,当系统中含有非线性项和时滞状态项时,状态估计问题就变得十分困难。针对以上问题,设计了滑模观测器,且所研究的时滞项是时变的。通过在观测器的设计中引入前馈补偿项,抵消了时滞项和不确定项的影响,实现了对不确定时滞系统的观测。
针对包含参数不确定项的非线性离散系统,研究了基于T-S模型的模糊鲁棒镇定控制问题。为了更精确地逼近原系统,在T-S模型中添加了参数不确定项,并且通过构造线性矩阵不等式,把对系统的镇定问题转化为求解线性矩阵不等式的问题。最后通过对著名的truck-trailer算例进行仿真说明方法的可行性。基于该问题,还研究了一类时滞非线性离散系统的模糊鲁棒镇定问题,是对上一问题的深入和推广。
尝试将模糊控制与滑模控制理论相结合,设计具有全局稳定性的模糊控制器。首先研究了一类不确定连续系统基于动态补偿的模糊滑模控制器设计问题。利用动态补偿器和不等式技巧给出了较少保守性的滑模稳定性条件;用切换函数信息建立模糊控制规则,并将其转化为模糊数模型,把通常模糊规则中运动误差和误差变化率信息压缩为一种信息,简化了模糊规则和模糊推理的难度;基于模糊数模型构造了模糊滑模控制律,提出的双二次函数插值解模糊算法大大简化了控制律的分析和求解计算。其次研究了一类不确定离散系统的模糊滑模控制问题。所利用的T-S模型的前件部分由传统的模糊语言变量组成,后件部分是由局部的状态空间来逼近给定系统。全局模糊逻辑控制器有两部分组成。一部分是针对每个局部线性状态的局部补偿器。另一部分是由滑模控制理论构造的监督控制器。所设计的方法能够充分利用模糊逻辑控制和滑模控制方法的优点。基于以上设计过程,全局闭环系统的跟踪性能和鲁棒性能得到显著改善,而且控制器的设计由确定性系统推广到不确定系统。并将该问题推广到一类非线性时滞系统的模糊滑模控制的研究,提高了闭环系统的鲁棒性能和快速性。
最后对全文作出总结,并提出了下一步研究的方向。