非线性系统自适应模糊动态面输出反馈控制

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近些年来,因为科学水平的上升,实际系统、控制目标和被控对象逐渐变得复杂,许多新的控制方法应运而生。针对非线性系统,现如今较为有效的控制方法为模糊控制。因为对于复杂的系统,变量数目较多,被控对象具有模型不确定性,同时也可能存在互联情况,传统控制往往难以十分确切的描述系统的动态。模糊逻辑控制器包括四个部分:模糊化、模糊推理、规则库和解模糊。此外,随着模糊控制理论的持续演进,其在现实中的应用也不断受到更加广泛的关注。其中研究最为广泛的是模糊逻辑系统控制方法,针对这种控制方法,其重要好处是在针对非线性系统进行稳定性分析和设计控制方法时,可以运用学者的经验知识,然而缺点是缺乏一致的对于系统稳定情况的分析手段,这是FLS分析方法面临的一大挑战。本论文的主要研究内容为非线性系统自适应模糊动态面输出反馈控制。通过结合Backstepping控制方法,Lyapunov-Krasovskii泛函以及模糊逻辑系统方法和动态面技术,针对具有严格反馈结构的时延非线性系统,具有纯反馈结构的互联非线性系统,和全状态约束的非线性系统设计控制器并且研究系统的稳定性。具体研究内容将从三部分展开:第一部分将研究针对严格反馈的具有时延非线性的模糊自适应跟踪控制。将Backstepping用于典型下三角结构严格反馈系统。对于系统的每一阶构造虚拟控制量,然后逐步反推导得出真正的控制变量。即为针对系统中的第i个方程,构造合适的Lyapunov函数,进而设计虚拟控制器。基于Backstepping控制方法以及Lyapunov-Krasovskii泛函,对具有严格反馈结构的时延非线性系统进行模糊自适应控制器设计。其中,选取适宜的Lyapunov-Krasovskii泛函抵消系统中的未知时延项,通过模糊逻辑系统的万能逼近原理逼近未知非线性部分,最后通过Backstepping方法设计自适应模糊控制器。对系统稳定性进行分析,用Matlab进行数值仿真,验证方法的有效性。第二部分将研究针对纯反馈非线性系统的自适应模糊动态面输出反馈控制。相对于严格反馈结构,纯反馈结构在实际中更为普遍,因为具有纯反馈结构的非线性系统带有非仿射特性,会难以用Backstepping控制方法来设计控制器,因而少有研究。所以本文研究对于具有非仿射纯反馈结构的非线性系统,设计一种自适应模糊动态面控制方法,运用中值定理将不确定的具有非仿射结构的输入函数进行分解,使纯反馈结构转化为严格反馈结构。动态面控制技术能够有效消除应用Backstepping方法过程中的“微分爆炸”问题。通过Lyapunov稳定性定理,构造合适的Lyapunov函数,分析闭环系统所有变量的有界性和系统稳定性,并给出证明,最后用Matlab进行数值仿真,验证方法的有效性。第三部分将研究针对全状态约束的非线性系统自适应模糊控制。研究全状态约束的物理意义和数学处理方法,并且依然以Backstepping控制方法为技术框架,分析系统稳定性和变量有界性,基于自适应模糊控制方法设计控制器,最后用Matlab进行数值仿真,验证方法的有效性。
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