離散非線性系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制方法研究.pdf

1、預(yù)測(cè)控制是基于離散系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的一類新型的計(jì)算機(jī)控制算法,由于其具有適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn),所以在控制界受到了廣泛的關(guān)注。本文基于預(yù)測(cè)控制理論,對(duì)帶有約束、不確定、時(shí)滯、擾動(dòng)等特性的離散非線性系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制,旨在提高離散非線性系統(tǒng)的控制性能,也探討了預(yù)測(cè)控制在自主水下機(jī)器人(AUV)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,豐富和發(fā)展了預(yù)測(cè)控制理論。論文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　第一,針對(duì)一類帶有擾動(dòng)、輸入約束和凸多面體不確定性的區(qū)間時(shí)滯離散非線

2、性系統(tǒng),基于線性矩陣不等式理論提出了一種魯棒模型預(yù)測(cè)控制方法。創(chuàng)新點(diǎn)是:為了獲得求解魯棒模型預(yù)測(cè)控制器的途徑,一方面利用線性矩陣不等式技術(shù)和min-max模型預(yù)測(cè)控制方法,將min-max最優(yōu)化求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化成具有線性矩陣不等式約束的凸優(yōu)化問(wèn)題上來(lái)。另一方面充分利用時(shí)滯的上下界信息構(gòu)造Lyapunov函數(shù)以得到控制器存在的充分條件。最后給出了控制算法的可行性分析和閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性證明。
　　第二,針對(duì)一類帶有內(nèi)動(dòng)態(tài)的不確定離散非線

3、性系統(tǒng),提出了一種滑模預(yù)測(cè)控制算法。創(chuàng)新點(diǎn)是:為及時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)匹配或不匹配的不確定性的影響和提高系統(tǒng)的魯棒性,使用了反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)。二次型指標(biāo)中包含可協(xié)調(diào)滑?？刂戚斎牒皖A(yù)測(cè)跟蹤誤差對(duì)性能指標(biāo)影響的控制量懲罰項(xiàng)。特別地,通過(guò)預(yù)測(cè)控制中的反饋校正技術(shù)可以消除滑模控制的抖振現(xiàn)象。內(nèi)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性是通過(guò)離散輸入-狀態(tài)穩(wěn)定理論來(lái)保證的?；ｎA(yù)測(cè)控制算法保證了閉環(huán)系統(tǒng)的所有信號(hào)都是有界的,并且在不確定項(xiàng)的界未知的情況下保證跟蹤誤差是魯棒穩(wěn)定的。

4、最后與傳統(tǒng)的高氏趨近律進(jìn)行了比較,說(shuō)明了本章提出的控制算法具有更強(qiáng)的魯棒性。
　　第三,針對(duì)一類帶有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的不確定非仿射離散系統(tǒng),基于預(yù)測(cè)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種自適應(yīng)輸出反饋控制器。創(chuàng)新點(diǎn)是:為了解決系統(tǒng)中的非仿射問(wèn)題,引入了離散的不動(dòng)點(diǎn)定理。不動(dòng)點(diǎn)定理的引入,既保證了控制器的存在性又減少了已有結(jié)果的約束條件。為了解決跟蹤誤差系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器來(lái)鎮(zhèn)定其線性部分、一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器來(lái)取消非仿射系統(tǒng)的逆誤

5、差,對(duì)誤差系統(tǒng)的線性部分和非線性部分的分離有效地降低了計(jì)算的復(fù)雜性。鑒于輸出反饋控制導(dǎo)致的跟蹤誤差的狀態(tài)不完全可測(cè),設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)估器來(lái)估計(jì)其值。最后應(yīng)用Lyapunov直接方法分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　第四,針對(duì)一類帶有輸入時(shí)滯的嚴(yán)格反饋離散非線性系統(tǒng),提出了基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)控制方法。創(chuàng)新點(diǎn)是:為簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)形式,利用微分同胚變換把嚴(yán)格反饋離散非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成具有三角結(jié)構(gòu)的非線性系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)了旨在解決系統(tǒng)未知的非線

6、性不確定性和輸入時(shí)滯的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器。該控制器充分利用預(yù)測(cè)控制的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)思想,把系統(tǒng)的輸入時(shí)滯問(wèn)題轉(zhuǎn)化為預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定性問(wèn)題,從而達(dá)到了消除時(shí)滯,實(shí)現(xiàn)同步跟蹤的目的。該方法為如何解決輸入時(shí)滯同步的控制設(shè)計(jì)方法提供了新的思路。另外,充分利用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)三角結(jié)構(gòu)的不確定非線性系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí),從而簡(jiǎn)化了僅僅辨識(shí)未知非線性函數(shù)帶來(lái)的控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題。
　　第五,針對(duì)時(shí)滯AUV水平面路徑跟蹤控制問(wèn)題進(jìn)行研究,提

7、出了一種預(yù)測(cè)控制算法。創(chuàng)新點(diǎn)是:為了補(bǔ)償AUV操作系統(tǒng)中的信號(hào)時(shí)滯,基于預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)控制器。同時(shí)設(shè)計(jì)了局部控制器,包括估計(jì)AUV受到環(huán)境干擾引起的水動(dòng)力系數(shù)和縱蕩、橫蕩及首搖角速度耦合產(chǎn)生的非線性不確定性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、鎮(zhèn)定AUV動(dòng)態(tài)系統(tǒng)線性部分的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器、補(bǔ)償環(huán)境擾動(dòng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的重構(gòu)誤差的魯棒控制器三部分。所提出的控制方法克服了過(guò)多測(cè)量裝置帶來(lái)的測(cè)量誤差和測(cè)量噪聲,并且不需要精確的系統(tǒng)模型,對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化、不確定