飽和約束控制系統(tǒng)-抗積分溢滿及其激發(fā)機(jī)制.pdf

1、本論文考慮執(zhí)行器輸入受限系統(tǒng)。該類系統(tǒng)是一類應(yīng)用范圍廣，物理意義強(qiáng)的常見系統(tǒng)?？紤]到物理可實(shí)現(xiàn)性，每個(gè)系統(tǒng)本質(zhì)上都有約束限制，但傳統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論控制器的設(shè)計(jì)方法中，通常假定系統(tǒng)的控制器的輸入不受約束，忽略了執(zhí)行器飽和的存在。但是這些方法所設(shè)計(jì)的控制輸入如果超出了實(shí)際執(zhí)行器所能承受的工作范圍，系統(tǒng)的閉環(huán)性能可能急劇退化，甚至?xí)頌?zāi)難性的結(jié)果。因此，具有執(zhí)行器飽和的控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值，在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、尤其是

2、航空航天界，受到越來越多的關(guān)注。抗積分溢滿是一種有效的處理輸入飽和的控制方法。但目前關(guān)于具有執(zhí)行器飽和的抗積分溢滿控制系統(tǒng)及激發(fā)機(jī)制方面的研究成果并不多見。
　　 本論文針對(duì)輸入受限系統(tǒng)中抗積分溢滿控制方法存在的若干問題進(jìn)行了探討，重點(diǎn)是研究抗積分溢滿系統(tǒng)在輸入飽和情況下的吸引域估計(jì)方法和干擾抑制問題。傳統(tǒng)的抗積分溢滿是執(zhí)行器到達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，立即激發(fā)保護(hù)機(jī)制，根據(jù)執(zhí)行器信號(hào)幅值大小產(chǎn)生一個(gè)抗積分器溢滿信號(hào)，將此信號(hào)加入控制器。最

3、近Sajjadi-Kia和Jabbari等人在此基礎(chǔ)上提出了延遲激發(fā)機(jī)制，這一機(jī)制的核心思想是通過在系統(tǒng)中加入一個(gè)新的人工構(gòu)造的環(huán)節(jié)，該保護(hù)環(huán)的限定幅值要大于物理器件的實(shí)際限定幅值的大小，用以達(dá)到延緩系統(tǒng)的激發(fā)保護(hù)機(jī)制的效果。該方法能顯著改善跟蹤性能。
　　 在本文中，考慮到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提出提前進(jìn)入飽和狀態(tài)的控制框架，即通過在系統(tǒng)中加入一個(gè)新的人工構(gòu)造的環(huán)節(jié)，區(qū)別于延遲激發(fā)的控制策略，該保護(hù)環(huán)的幅值要小于物理器件的實(shí)際大小，

4、并分別針對(duì)靜態(tài)補(bǔ)償器和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器以及多重激發(fā)激發(fā)機(jī)制的靜態(tài)反饋和動(dòng)態(tài)反饋情況進(jìn)行考慮，使用優(yōu)化(L)2增益和擴(kuò)大吸引域的方法來設(shè)計(jì)反饋增益陣。仿真結(jié)果表明，該類“提前”激發(fā)或“多重激發(fā)（同時(shí)包含超前激發(fā)和延遲激發(fā)）”機(jī)制在應(yīng)用于輸入受限約束系統(tǒng)時(shí)，能有效的提高系統(tǒng)跟蹤性能和擴(kuò)大系統(tǒng)的吸引域，是一種極具潛力的激發(fā)機(jī)制，能獲得更佳的控制性能。具體工作如下:
　　 1.傳統(tǒng)的靜態(tài)反饋抗積分溢滿控制框圖中，當(dāng)飽和來臨時(shí)，保護(hù)環(huán)節(jié)被立即激

5、發(fā)，該方法設(shè)計(jì)直觀，但會(huì)犧牲系統(tǒng)的暫態(tài)性能，本論文提出超前激發(fā)的控制框圖，并給出了(L)2增益設(shè)計(jì)方法。通過典型的電路控制實(shí)例，對(duì)比了立即激發(fā)，延遲激發(fā)和超前激發(fā)的三種啟動(dòng)機(jī)制的暫態(tài)特性，揭示出超前激發(fā)會(huì)使得系統(tǒng)暫態(tài)性能顯著改善的特性。這里，論文還詳細(xì)討論了靜態(tài)反饋情況下的(L)2增益設(shè)計(jì)方法。
　　 2.考慮到靜態(tài)反饋補(bǔ)償在某些情況下會(huì)出現(xiàn)求解不可行，而動(dòng)態(tài)反饋只需要開環(huán)穩(wěn)定作為可行解存在的充分條件，論文進(jìn)一步提出動(dòng)態(tài)反饋下超

6、前激發(fā)的抗積分溢滿設(shè)計(jì)框圖，給出了動(dòng)態(tài)(L)2增益設(shè)計(jì)方法，通過同一典型電路控制實(shí)例，對(duì)比了三種激發(fā)機(jī)制的暫態(tài)特性，揭示出對(duì)于動(dòng)態(tài)反饋的抗積分溢滿機(jī)制中，超前激發(fā)會(huì)使得系統(tǒng)暫態(tài)性能顯著改善的特性。仿真結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)反饋能顯著降低靜態(tài)反饋的保守性，且這一方法所得結(jié)果要優(yōu)于延遲激發(fā)，更優(yōu)于立即激發(fā)，尤其是對(duì)于跟蹤大幅值信號(hào)情況時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為明顯。
　　 3.進(jìn)一步通過仿真揭示了靜態(tài)反饋抗積分溢滿框架下，超前激發(fā)獲得的吸引域要大于延遲激

7、發(fā)和立即激發(fā)，且延遲激發(fā)結(jié)果也大于立即激發(fā)。論文給出了靜態(tài)補(bǔ)償情況下三種激發(fā)方式下通過迭代求解LMI的擴(kuò)大吸引域的設(shè)計(jì)方法。另外論文中還分別考慮開環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)和開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)的情況。
　　 4.考慮了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償超前激發(fā)下估計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)吸引域的問題，提出了動(dòng)態(tài)反饋下超前激發(fā)的控制框圖，仿真實(shí)例表明，超前激發(fā)有潛力獲得比延遲激發(fā)和立即激發(fā)更大的吸引域。最后求解反饋補(bǔ)償增益陣的優(yōu)化問題可以歸結(jié)為求解BMI的問題，而該BMI的問題可以通過迭代

8、求解LMI來進(jìn)行求解。
　　 5.傳統(tǒng)的抗積分溢滿激發(fā)方式中，只包含了單個(gè)抗積分溢滿補(bǔ)償環(huán)節(jié)，且在飽和來臨時(shí)馬上激發(fā)。而在我們最新的結(jié)果中，不僅出現(xiàn)對(duì)延遲激發(fā)和超前激發(fā)的框架進(jìn)行單回路抗積分溢滿補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法，也已經(jīng)有同時(shí)設(shè)計(jì)兩重反饋補(bǔ)償增益，分別對(duì)延遲激發(fā)和超前激發(fā)進(jìn)行反饋補(bǔ)償?shù)目蚣?。進(jìn)一步，論文中還考慮了具有多回路多重激發(fā)的抗積分溢滿補(bǔ)償器設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)了三個(gè)反饋增益，即分別在執(zhí)行器達(dá)到飽和，執(zhí)行器達(dá)到飽和之后和執(zhí)行器達(dá)到飽和