基于先進(jìn)辨識(shí)的控制策略研究及其應(yīng)用.pdf

1、在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析中，建模、控制和狀態(tài)估計(jì)構(gòu)成了其三大重要組成部分。在經(jīng)典控制理論中，由于涉及到的控制對(duì)象一般為單輸入單輸出系統(tǒng)，所以傳遞函數(shù)便成為描述控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律最適用的模型之一。系統(tǒng)辨識(shí)的主要工作集中于發(fā)展基于最小二乘法、曲線擬合和極大似然估計(jì)等點(diǎn)估計(jì)理論的辨識(shí)算法。系統(tǒng)辨識(shí)作為控制理論中的重要組成部分，為控制設(shè)計(jì)提供模型基礎(chǔ)，同時(shí)系統(tǒng)辨識(shí)理論可滲透于先進(jìn)控制理論中，僅根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。因此，本課題在系統(tǒng)辨識(shí)理論

2、的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)辨識(shí)的角度研究先進(jìn)控制方法，針對(duì)精密伺服控制系統(tǒng)和無人機(jī)航跡規(guī)劃，展開對(duì)系統(tǒng)辨識(shí)和先進(jìn)控制理論在其中的應(yīng)用研究。
　　 針對(duì)精密伺服控制系統(tǒng)中的典型產(chǎn)品一轉(zhuǎn)臺(tái)，研究利用系統(tǒng)辨識(shí)的方法對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中的三環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行辨識(shí)估計(jì)。在開環(huán)條件下轉(zhuǎn)臺(tái)速度環(huán)傳遞函數(shù)的遞推辨識(shí)中，引入遞推辨識(shí)奇異值分解算法，可獲得較好的數(shù)值特性，能提高系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)辨識(shí)的精度；對(duì)于輸入和輸出觀測(cè)信號(hào)中都帶有外界干擾的白噪聲時(shí)，采用非線性可分離

3、的最小二乘法可獲得模型參數(shù)的一致性估計(jì)。而當(dāng)輸出觀測(cè)噪聲為有色噪聲時(shí)，在輔助變量算法的基礎(chǔ)上結(jié)合偏差補(bǔ)償算法進(jìn)行推廣得到偏差補(bǔ)償輔助變量辨識(shí)算法；對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)位置閉環(huán)系統(tǒng)的辨識(shí)，聯(lián)合自回歸滑動(dòng)平均模型辨識(shí)的輔助變量法和用于狀態(tài)空間模型的子空間辨識(shí)方法，得到閉環(huán)子空間最優(yōu)輔助變量辨識(shí)法。
　　 針對(duì)精密伺服控制中被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型未知時(shí)控制器的設(shè)計(jì)問題，研究一種模型參考自適應(yīng)控制-基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬參考反饋校正控制。該方法有效地解決閉環(huán)

4、系統(tǒng)中未知對(duì)象模型下參數(shù)化控制器的設(shè)計(jì)，將控制器設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化過程；針對(duì)閉環(huán)非線性系統(tǒng)中的控制器為-非線性函數(shù)，采用虛擬參考反饋校正控制的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)此時(shí)控制器的輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)造-基于輸出數(shù)據(jù)的線性仿射函數(shù)，通過最小化逼近誤差，利用系統(tǒng)辨識(shí)的參數(shù)估計(jì)方法求取線性仿射函數(shù)中可調(diào)參數(shù)權(quán)值。研究虛擬參考反饋校正控制在轉(zhuǎn)臺(tái)位置環(huán)跟蹤回路中的應(yīng)用，由虛擬參考反饋校正控制得到的PID參數(shù)可使得PID控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改進(jìn)，具有

5、跟蹤不同頻率信號(hào)的能力；針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)中的非線性摩擦力矩，采用非線性函數(shù)的線性仿射函數(shù)逼近，便于控制之前的建模。
　　 針對(duì)精密伺服控制對(duì)外部干擾的抑制問題，考慮閉環(huán)系統(tǒng)中對(duì)象模型存在不確定性因素，從系統(tǒng)辨識(shí)的角度研究內(nèi)模控制中的內(nèi)部模型參數(shù)的遞推辨識(shí)，并對(duì)內(nèi)模控制系統(tǒng)中的閉環(huán)試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)；在考慮外部干擾作用下，引入內(nèi)模H無窮控制達(dá)到抑制外部干擾的目的。根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)理的分析，采用內(nèi)模H無窮控制策略對(duì)其速率回路的校正器進(jìn)行設(shè)計(jì)，表明

6、該方法可用于同時(shí)對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)先指定的控制性能指標(biāo)。
　　 針對(duì)滾動(dòng)時(shí)域控制的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中，需要使用到輸出預(yù)測(cè)值的顯式表達(dá)式。根據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)中的子空間辨識(shí)理論，利用狀態(tài)空間形式下過去和現(xiàn)在的輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造將來時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值，為聯(lián)合系統(tǒng)辨識(shí)和控制器設(shè)計(jì)，在子空間辨識(shí)的基礎(chǔ)上，研究了一種新穎的滾動(dòng)時(shí)域子空間預(yù)測(cè)控制。該控制方法可自動(dòng)校正模型預(yù)測(cè)控制中的系統(tǒng)參數(shù)，克服了傳統(tǒng)的線性二次高斯最優(yōu)控制中繁瑣

7、的設(shè)計(jì)過程，且不依賴于任何控制器的先驗(yàn)信息。在考慮帶有約束條件時(shí)，利用橢球優(yōu)化算法來迭代地產(chǎn)生一系列體積逐漸減小的橢球序列，該序列最終能收斂到一個(gè)最優(yōu)解，在算法的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了橢球優(yōu)化算法達(dá)到收斂時(shí)所需要迭代次數(shù)的一個(gè)上界，可以用于顫振的主動(dòng)抑制；從優(yōu)化問題解存在的最優(yōu)性角度考慮非線性系統(tǒng)的滾動(dòng)時(shí)域控制，分別從有或無集合約束條件下，利用凸優(yōu)化理論中的可分離定理推導(dǎo)出該優(yōu)化問題是否存在全局最優(yōu)解的充要條件。針對(duì)無人機(jī)航跡規(guī)劃中的數(shù)學(xué)優(yōu)化問題