一类不确定系统多约束下的鲁棒H_∞控制

研究了一类离散不确定系统区域稳定和方差约束的鲁棒H∞控制器的设计方法。通过设计状态反馈控制器,使闭环系统的极点被配置在给定的圆盘中,闭环传递函数的H∞范数小于所给定的一个正标量;同时,闭环系统每个状态的稳态方差不高于各自给定的上界。借助于广义的Riccati矩阵不等式、Lyapunov方程等,给出了控制器存在的充要条件,并给出了所期望控制器的解析式。仿真实例验证了该方法的可行性。     

方差约束了不确定线性离散时间系统的鲁棒H_∞控制(英文)

本文考虑具有H∞范数及方差约束的不确定线性离散时间系统的鲁棒控制器设计问题，即设计鲁律控制器，使闭环系统对所有可允的参数扰动保持渐近稳定，同时传递函数满足预先给定的H∞范数约束，且各状态的稳态方差值不大干预先给定值．结果表明，一种有效的代数方法可用来使不确定线性随机离散时间系统满足给定的H∞范数约束及方差约束．     

广义系统H∞可靠性控制

通过对更一般形式的执行器和传感器故障模型分析,研究了广义系统基于观测器的H∞可靠性控制器设计问题.利用带有约束的广义代数Riccati不等式(GARI),给出执行器故障情况下,广义系统H∞可靠性控制器存在的充要条件和设计方法,以及传感器故障情况下,广义系统H∞可靠性控制器存在的充分条件和设计方法.所设计的H∞可靠性控制器使得闭环广义系统容许且传递函数的H∞范数有界.同时,还将带广义约束的GARI转化成了线性矩阵不等式(LMI),进而简化了广义系统H∞可靠性控制器设计方法.     

基于观测器的具有反馈增益变化的广义系统H∞控制

介绍了一类广义系统H∞控制器的设计过程.通过设计基于观测器的具有反馈增益变 化的广义控制器,借助于带有广义约束的广义代数Riccati不等式(GARI),给出闭环广义系统 容许且传递函数的H∞范数有界的充要条件.通过解带有广义约束的GARI得到该控制器的设 计方法,并且控制器的参数矩阵只需使观测器容许.     

不确定随机时滞系统的鲁棒H∞保性能控制

讨论了一类具有时变时滞的不确定It类型随机系统的鲁棒H∞保性能控制问题. 运用Lyapunov-Krasovskii泛函方法, 设计使得闭环系统鲁棒随机指数均方稳定, 且具有给定H∞干扰抑制度 γ 的状态反馈保性能控制器. 控制器存在的充分条件以线性矩阵不等式(LMIs)的形式表示. 进一步, 通过求解具有LMIs约束的凸优化问题, 给出了不确定随机时滞系统的最优保性能控制器的设计方法. 最后通过一个数值例子验证了所提方法的有效性.     

不确定广义系统多约束指标的相容性

针对一类线性不确定广义系统,研究了容许性、H∞指标和状态方差相容条件下的输出反馈控制器的设计问题.首先建立了一个使闭环广义系统满足容许性和给定H∞指标的充要条件;然后利用quasi-Newton方法,将非线性矩阵不等式的可行解问题转化为求解最大特征值的最小问题,在广义系统容许的条件下,对具有指定H∞指标及相容状态方差约束的控制问题给出了满意控制设计方法,同时给出了方差约束指标的取值范围;最后,仿真结果表明了所提出方法的有效性,且更能保证系统的动态性能.     

时滞依赖不确定线性系统的鲁棒H_∞控制

针对一类不确定性不满足匹配条件的具有时滞依赖不确定线性系统,研究了鲁棒H∞控制器的设计问题.基于线性矩阵不等式方法,通过构造合适的Lyapunov函数,给出了鲁棒H∞状态反馈控制器存在的充分条件,并通过求解相应的线性矩阵不等式完成了控制器的设计.仿真结果表明,所设计的控制器对所有容许的不确定性不仅使闭环系统渐近稳定,又能保证闭环系统满足一定的H∞性能指标,具有较好的抑制扰动的效果.     

不确定系统鲁棒容错H_∞控制的LMI设计方法

针对不确定线性系统.研究了执行器失效情况下鲁棒容错H∞控制问题.基于连续增益故障模式.利用线性矩阵不等式LMI推导了系统H∞指标约束下鲁棒容错镇定的充要条件.分别给出了输出反馈和状态反馈H∞控制器的设计方法.通过引入变量代换.将求解输出反馈H∞指标约束的鲁棒容错控制器的可解条件转化为标准的LMI.所获得的控制器不仅能使故障系统鲁棒稳定,并且能达到给定的H∞性能指标.仿真实例验证了所提出设计方法的有效性.     

具有时延的参数不确定主动悬架广义H2/H∞控制

提出了一种新的综合考虑系统的输入时延和参数不确定性的广义H2/H∞混合控制器设计方法,并将其用于车辆主动悬架设计.假定作动器时延是一个已知其边界但不确定的恒定的量,且系统的小确定参数是范数有界的.针对悬架设计需求,分别用H∞和广义H2性能评价指标反映车身加速度和机械结构设计约束.通过定义一个李亚普诺夫函数来同时满足闭环系统的两个性能指标,将广义H2/H∞混合控制器设计转化为线性矩阵不等式的求解.用两自由度1/4车悬架模型进行仿真,结果表明:不论是否存在有界时延和车身参数变异,控制器始终能给出很好的控制效果.     

不确定离散时滞奇异系统的弹性H∞控制

针对一类状态和输入同时具有时滞的不确定离散时滞奇异系统,研究了该类系统的弹性H∞控制器的设计问题,其中不确定性存在于系统的状态矩阵和输入矩阵当中,且满足范数有界条件.利用Lyapunov函数理论,以线性矩阵不等式(LMI)形式给出了系统弹性H∞控制器存在的充分条件及设计方法,所设计的H∞控制器既保证了闭环系统对所有允许的不确定性,又能保证系统具有一定的H∞性能γ.最后,通过数值算例说明该方法的实效性.     

热工控制对象的不同控制方案的鲁棒性分析

针对热工控制对象模型的复杂性和参数不确定性,首先运用二步线性最小二乘法进行模型降阶,将对象模型降为二阶,然后对二阶模型设计定值控制器并进行控制器参数优化,包括:PID控制、鲁棒控制、内模控制和模糊控制的控制方法进行鲁棒稳定性分析、比较,得出分析结果.这一研究意义就在于,在理论分析及仿真试验的基础上找出最为适合热工控制对象参数时变这一特性的具有较强鲁棒性的控制器设计方案,对实际的工程应用进行指导.     

基于反步法的移动机器人鲁棒跟踪控制

以四轮移动机器人为研究对象,建立了机器人完整的数学模型,包括运动学模型、动力学模型以及驱动电机模型。在机器人数学模型的基础上,采用反步法的思想设计具有全局收敛特性的鲁棒轨迹跟踪控制器,设计中考虑了驱动电机模型使控制器更符合实际控制要求,并将其分解为运动学控制器、动力学控制器以及电机控制器三部分,降低了控制器设计的难度。构造了系统的李雅普诺夫函数,证明了该类型移动机器人在所得控制器作用下,能实现对给定轨迹的全局渐近追踪。仿真实验结果表明基于反步法的控制器是有效的。     

自抗扰实现飞翼布局无人机全包线飞行控制

本文以大展弦比飞翼布局无人机为研究对象,基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)理论设计了包含内环姿态控制和外环轨迹控制的全包线飞行控制器.在姿态控制中,提出一种抗时滞LADRC控制方法,可以有效解决控制延迟和执行机构动态特性引起的LADRC响应振荡;在轨迹控制中,考虑飞翼布局无人机的气动特性,分别设计了高度、航向、侧向偏离等常用飞行模态的跟踪控制器.仿真结果表明,在气动参数存在不确定性及强风干扰的全包线环境中连续飞行时,所设计的控制器具有较好的控制性能和较强的鲁棒特性.与常规全包线控制方案相比,本文设计的全包线飞行控制器待整定参数较少,参数整定过程相对简单,为进一步的工程应用提供了参考.     

Tuning of multi-loop PI controllers based on gain and phase margin specifications

In this paper, a single-iteration strategy is proposed for the design of a multi-loop PI controller to achieve the desired gain and phase margins for two-input and two-output (TITO) processes. To handle loop interactions, a TITO system is converted into two equivalent single loops with uncertainties drawn from interactions. The maximum uncertainty is estimated for the initial controller design in one loop and single-input and single-output (SISO) controller design is applied. This controller is substituted to other equivalent loop for design, and finally, the first loop controller is refined on knowledge of other loop controller. For SISO controller tuning, a new method is presented to determine the achievable gain and phase margins as well as the relevant controller parameters. Examples are given for illustration and comparison.     

A fuzzy logic based supervisory hierarchical control scheme for real time pressure control

This paper describes a supervisory hierarchical fuzzy controller （SHFC） for regulating pressure in a real-time pilot pressure control system. The input scaling factor tuning of a direct expert controller is made using the error and process input parameters in a closed loop system in order to obtain better controller performance for set-point change and load disturbances. This on-line tuning method reduces operator involvement and enhances the controller performance to a wide operating range. The hierarchical control scheme consists of an intelligent upper level supervisory fuzzy controller and a lower level direct fuzzy controller. The upper level controller provides a mechanism to the main goal of the system and the lower level controller delivers the solutions to a particular situation. The control algorithm for the proposed scheme has been developed and tested using an ARM7 microcontroller-based embedded target board for a nonlinear pressure process having dead time. To demonstrate the effectiveness, the results of the proposed hierarchical controller, fuzzy controller and conventional proportional-integral （PI） controller are analyzed. The results prove that the SHFC performance is better in terms of stability and robustness than the conventional control methods.     

具有加权因子的PID型模糊控制器分析及设计

为了降低模糊控制器的设计难度, 提高控制性能, 以二维模糊控制器为基础, 设计了一种具有加权因子的PID型模糊控制器, 并提出了基于普通PID控制器参数整定模糊控制器参数的方法。首先, 基于模糊控制器的解析结构推导, 从理论上证明了该类PID型模糊控制器是一个全局二维多值继电器与一个局部具有变结构PID控制器的组合; 然后, 基于平衡点处该类PID型模糊控制器与普通PID控制器之间的等效关系, 建立了模糊控制器系统化的参数设计方法; 最后, 仿真实验验证了本设计的有效性。     

On the use of bifurcation analysis for robust controller tuning for nonlinear systems

This paper presents a new approach to robust controller tuning for nonlinear systems. The main idea is to apply numerical bifurcation analysis to the closed-loop process, using the controller tuning parameters, the set points, and parameters describing model uncertainty (parametric as well as unmodeled dynamics) as bifurcation parameters. By analyzing the Hopf bifurcation and saddle-node bifurcation loci, bounds on the controller parameters are identified. These bounds depend upon the type as well as the degree of mismatch that exists between the plant and the model used for controller design.The method is illustrated by tuning a state feedback linearizing controller for an unstable reactor as well as by comparing a proportional-integral (PI) controller and a state feedback linearizing controller applied to a continuously operated fermenter. The feedback linearizing controller can result in better performance than the PI controller if a very accurate model of the process is known and if the operating conditions vary over a significant range. However, stability properties of systems controlled by feedback linearizing controllers can degrade significantly as the mismatch between the plant and the model increases. This is illustrated in the fermenter example by showing that bounds on the tuning parameter of the feedback linearizing controller are significantly tighter than the ones for the PI controller.     

基于变频干扰的前馈-反馈控制器设计

针对存在变频干扰的三容水箱液位系统的开环不稳定、大惯性、大时滞等特性,结合常规PID控制和前馈控制的优点,提出一种前馈-反馈复合控制方案：添加以变频器扰动量为对象的纯比例前馈补偿器与常规PID反馈控制器复合控制调节器的输出,以抵消变频干扰和其他扰动对被控对象的影响。运用智能仪表在组态环境下的实验结果表明：与常规PID控制系统所得的数据相比较,前馈-反馈控制系统有明显的优势,超调量小而且滞后时间小等特点;既保证了系统稳态效果,又提高了系统的动态性能。     

Controller synthesis for safety and reachability via approximate bisimulation

In this paper, we consider the problem of controller design using approximately bisimilar abstractions with an emphasis on safety and reachability specifications. We propose abstraction-based approaches to controller synthesis for both types of specifications. We start by synthesizing a controller for an approximately bisimilar abstraction. Then, using a concretization procedure, we obtain a controller for our initial system that is proved “correct by design”. We provide guarantees of performance by giving estimates of the distance of the synthesized controller to the maximal (i.e., the most permissive) safety controller or to the time-optimal reachability controller. Finally, we use these techniques, combined with discrete approximately bisimilar abstractions of switched systems developed recently, for switching controller synthesis.     

具有H_∞跟踪性能的机器人自适应PID控制

针对非线性不确定机器人系统的轨迹跟踪控制问题,提出一种鲁棒自适应PID控制算法.该控制器由主控制器和监督控制器组成.主控制器以常规PID控制为基础,基于滑模控制思想设计PID参数的自适应律,根据误差实时修正PID参数.基于Lyapunov函数设计的监督控制器补偿自适应PID控制器与理想控制器之间的差异,使系统具有设定的H_∞的跟踪性能.最后,两关节机器人的仿真实验结果表明了算法的有效性.

Abstract：

A robust adaptive PID control algorithm is proposed for trajectory tracking of robot manipulators with nonlinear uncertainties.The controller is composed of a main controller and a supervisory controller.The main controller is designed based on the traditional PID controller.The parameters of the PID controller are updated online according to the system running errors with the adaptation law based on the sliding mode control.The supervisory controller is proposed to compensate the error between the adaptive PID controller and the ideal controller in the sense of the Lyapunov function with the specified H_∞ tracking performance.Finally, the simulation results based on a two-joint robot manipulator show the effectiveness of the presented controller.