输入受限系统的鲁棒控制器设计及干扰抑制

摘要

所有的实际控制系统都存在着物理或者出于安全方面的防护约束。这些约束代表着实际控制系统中最普遍存在的非线性。尽管线性控制理论早已发展成熟，然而，实际系统中普遍存在的约束限制了它的实际应用。忽视输入约束将极大地恶化系统性能，甚至导致系统不稳定，以至于引起重大事故。对控制工程师和控制理论研究者来说，输入受限问题不但具有重要的实际意义，在理论上也极具挑战，近年来引起了广泛关注。在避免输入饱和发生的前提下，本文主要研究了输入受限系统的鲁棒控制器设计及干扰抑制问题，取得的主要成果可归纳为如下五个方面：
　　1)研究了输入受限NCBC系统的小增益控制器的设计问题。首先，基于Sylvester方程的解，给出了输入受限NCBC系统的小增益控制器的参数化设计方法。其次，将小增益控制器设计方法推广到了广义输入受限NCBC系统，基于广义Sylvester方程的解给出了广义输入受限NCBC系统的小增益控制器的参数化设计方法。
　　2)针对不稳定系统利用正不变集研究了输入受限系统的控制器设计问题。首先利用特征结构配置参数化方法得到控制器增益矩阵的参数化表达式，其次，将正不变集的存在条件转化为设计自由度的约束条件，其含有的满足一定约束的参量为控制系统设计提供了部分自由度。在控制系统设计中可充分利用该参数化方法提供的这些设计自由度，来满足某些系统性能指标要求。此控制器设计方法作为后续研究的鲁棒控制器设计及干扰抑制问题的基础。此外，还给出了扩大系统吸引域的方法。
　　3)研究了具有幅值有界外部扰动输入受限系统的干扰抑制问题。首先，利用特征结构配置参数化方法得到控制器增益矩阵的参数化表达式，然后，将系统具有外部扰动时正不变集的存在条件转化为设计参数的约束条件，同时给出了系统所能容忍的最大干扰集的估计。其次，将所提出的方法应用于四自由度主动磁悬浮轴承系统，首先为四自由度主动磁悬浮轴承系统建立了数学模型，然后根据实际中系统的控制输入所受的约束，应用给出的外部扰动输入受限系统控制器的设计方法，为四自由度主动磁悬浮轴承系统设计控制器，最后的仿真结果表明了该方法有效。
　　4)研究了结构不确定输入受限系统的鲁棒控制器设计问题。首先是对不确定系统所对应的标称系统设计状态反馈控制器，得到系统控制器增益矩阵的参数化表达式，然后通过利用其提供的设计自由度使得在不确定集合的顶点上满足鲁棒性约束条件得到鲁棒控制器。其次，将所提出的鲁棒控制器设计方法应用于pH过程控制系统，得到的鲁棒控制器能够满足系统的动态性能和鲁棒性能的要求，最后通过仿真结果表明，此设计方法不但简单而且有效。
　　5)研究了具有幅值有界外部扰动不确定输入受限系统的干扰抑制问题。首先是对不确定系统所对应的标称系统设计状态反馈控制器，得到系统控制器增益矩阵的参数化表达式，其次通过利用其提供的设计自由度使得在不确定集合的顶点上满足鲁棒性约束条件得到鲁棒控制器，同时给出了不确定系统所能容忍的最大干扰集的估计。

目录

输入受限系统的鲁棒控制器设计及干扰抑制

ROBUST CONTROLLER DESIGN AND DISTURBANCE ATTENUATION FOR LINEAR SYSTEMS WITH CONSTRAINED INPUT

摘要

Abstract

符号约定与缩略词

Contents

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 基本问题及研究现状

1.3 本文的主要内容和安排

第2章 输入受限NCBC系统的控制器设计

2.1引言

2.2输入幅度受限NCBC系统的控制器设计

2.3输入幅度和比率受限NCBC系统的控制器设计

2.4本章小结

第3章 广义输入受限NCBC系统的控制器设计

3.1 引言

3.2 广义输入幅度受限NCBC系统的控制器设计

3.3 广义输入幅度和比率受限NCBC系统的控制器设计

3.4 本章小结

第4章 输入受限系统的状态反馈控制器设计

4.1 引言

4.2 输入受限系统的状态反馈控制器设计

4.3 系统吸引域的扩大

4.4 输入幅度和比率受限系统的状态反馈控制器设计

4.5 本章小结

第5章 输入受限系统的干扰抑制

5.1 引言

5.2 输入幅度受限系统的干扰抑制

5.3 在四自由度主动磁悬浮轴承系统中的应用

5.4 输入幅度和比率受限系统的干扰抑制

5.5 本章小结

第6章 不确定输入受限系统的鲁棒控制器设计

6.1 引言

6.2 不确定输入受限系统的鲁棒控制器设计

6.3 在pH控制过程中的应用

6.4 本章小结

第7章 不确定输入受限系统的干扰抑制

7.1 引言

7.2 不确定输入受限系统的干扰抑制

7.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

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致谢

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