《鲁棒控制》-7-非线性系统鲁棒控制
鲁棒控制
鲁棒控制理论中的H∞控制理论 （浙江大学宁波理工学院信息科学与工程分院自动化） 【摘要】首先简要的介绍了鲁棒控制中的H∞控制理论，并把其发展分为两个阶段，而后就上当已存在的H∞控制的主要成果进行了讨论和归纳，还指出了H∞控制理论尚未解决的问题。 【关键词】H∞控制理论；非线性系统；时滞；范数 1.概述 鲁棒控制（Robust Control）方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓鲁棒性，是指标称系统所具有的某一种性能品质对于具有不确定性的系统集的所有成员均成立，如果所关心的是系统的稳定性，那么就称该系统具有鲁棒稳定性；如果所关心的是用干扰抑制性能或用其他性能准则来描述的品质，那么就称该系统具有鲁棒性能。主要的鲁棒控制理论有：Kharitonov区间理论；H∞控制理论；结构奇异值理论u理论； 鲁棒控制理论是分析和处理具有不确定性系统的控制理论，包括两大类问题：鲁棒性分析及鲁棒性综合问题。鲁棒性分析是根据给定的标称系统和不确定性集合，找出保证系统鲁棒性所需的条件；而鲁棒性综合（鲁棒控制器设计问题）就是根据给定的标称模型和不确定性集合，基于鲁棒性分析得到的结果来设计一个控制器，使得闭环系统满足期望的性能要求。 2．H∞控制理论出现的背景及意义 1981年，加拿大著名学者Zames在其论文中引入了H∞范数作为目标函数进行优化设计，标志着H∞控制理论的诞生。Zames考虑了这样一个单入单出( SISO)系统的设计问题: 假设干扰信号属于某一有限能量的已知信号集，要求设计一个反馈控制器，使闭环系统稳定，且干扰对系统的影响最小。要解决这样的问题就必须在能够使闭环系统稳定的所有控制器中选出一个控制器使之相应的灵敏度函数的H∞范数最小。 虽然Zames 首先提出了H∞最优化问题，但是他没能给出行之有效的解法。
鲁棒控制系统设计
鲁棒控制设计报告 学院 专业 报告人
目录 1 绪论 (2) 1.1控制系统设计背景 (2) 1.2本文主要工作分配 (3) 2 一级倒立摆模型建立 (4) 2.1一级倒立摆的工作原理 (4) 2.2一级倒立摆的数学模型 (4) 3 H∞鲁棒控制器设计 (6) 3.1基于Riccati方程的H∞控制 (7) 3.2基于LMI的H∞控制 (7) 4 一级倒立摆系统的仿真 (9) 4.1一级倒立摆控制系统设计 (9) 4.2闭环控制系统仿真及分析 (10) 5 结论 (13)
1 绪论 1.1控制系统设计背景 一级倒立摆系统是一个典型非线性多变量不稳定系统，在研究火箭箭身的姿态稳定控制、机器人多自由度运动稳定设计、直升机飞行控制等多种领域中得到了广泛的应用，因此以倒立摆作为被控对象进行控制方法的研究具有重要的现实意义。为解决一级倒立摆系统的非线性、强耦合、多变量、自然不稳定问题，本文利用H∞鲁棒控制实现对一级倒立摆的控制。 Mg 图1.1 一级倒立摆系统结构图 本文采用的直线一级倒立摆的基本系统如图1.1所示，它是由沿直线导轨运动的小车以及一端固定于小车上的材质均匀的摆杆组成，它是一个不稳定的系统，当倒立摆出出现偏角θ后，如果不给小车施加控制力，倒立摆会倾倒。所以本文采用H∞鲁棒控制方法的目的是通过调节水平力F的大小控制小车的运动，使倒立摆处于竖立的垂直位置。控制指标为：倒立摆系统的从初始状态调节到小车停留在零点、并使摆杆的摆角为0的稳定状态。
1.2本文主要工作分配 第一章：对一级倒立摆系统的特点、结构以及控制要求进行阐述。 第二章：根据一级倒立摆的结构，利用机理建模法建立被控对象的精确数学模型，并在系统平衡点处进行线性化，得到系统简化的状态方程。 第三章：首先H∞鲁棒控制的基本原理，然后分别利用Riccati方程和LMI 方法设计H∞状态反馈控制器。 第四章：首先使用MATLAB计算基于Riccati方程的H∞状态反馈控制器和基于LMI的H∞状态反馈控制器，然后进行闭环控制系统的仿真并控制系统的性能分析。 第五章：对本次设计进行总结。
TITO系统的非线性鲁棒控制器参数整定
第21卷第21期 系统仿真学报?V ol. 21 No. 21 2009年11月Journal of System Simulation Nov., 2009 TITO系统的非线性鲁棒控制器参数整定 李东海1，徐益2，老大中2，宋跃进3，王宇楠2 (1.电力系统与发电设备控制与仿真国家重点实验室清华大学热能系，北京 100084； 2.北京理工大学宇航学院，北京 100081； 3.中国兵器工业集团二O七研究所，太原 030006) 摘要：基于Monte-Carlo实验研究了TITO (二输入二输出) 系统的非线性鲁棒控制器(NRC)参 数整定的规律。提出了以一种Monte-Carlo实验原理为基础的NRC参数整定规律研究方法。该方 法以ITAE值和超调量为控制系统性能指标，主要分析NRC参数取值变化对控制系统性能鲁棒性 的影响。以若干典型TITO非线性对象为例进行仿真研究，并在大量仿真试验结果的基础上，总结 出TITO系统的NRC参数整定的规律。 关键词：NRC；控制系统；参数整定；Monte-Carlo方法；鲁棒性 中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2009) 21-6786-08 Study on Parameters Tuning Rule of Nonlinear Robust Controller for TITO Systems LI Dong-hai1, XU Yi2, LAO Da-zhong2, SONG Yue-jin3, WANG Yu-nan2 (1. State Key Laboratory of Power Systems, Dept of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. School of Aerospace Scientific Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 3. Research Institute 207, North Industries Group, Taiyuan 030006, China) Abstract: Parameters Tuning Rule of Nonlinear Robust Controller (NRC) for TITO (Two-Input-Two-Output) Systems was studied based on Monte-Carlo method. The research scheme for NRC tuning rule was provided. This scheme made ITAE index and overshot as the control performance criteria, mainly analyzed the relation between parameters and robustness of the control system. Taking several typical TITO nonlinear plants as examples, simulation research was made. Based on the results, the parameters tuning rule of NRC for TITO systems was concluded. Key words: NRC; control system; parameters tuning; Monte-Carlo method; robustness 引言 实际情况中，控制对象往往具有参数时变、未知大扰动、多变量耦合、难以精确建模等特点。这类非线性对象的控制问题一直是研究的热点。另一方面，研究控制器的参数整定技术也同样具有十分重要的工程实践意义。因为现代过程工业中的分散控制系统往往包含数百个控制器，快速精准地确定控制器参数关系到整个分散控制系统能否正常工作，也决定了各种控制器能否投入到实际应用中去。 在多变量控制器参数整定方面前人已经作了很多专门的研究。文献[1]基于H∞性能指标，提出了一种多变量PI 控制器参数的整定方法.，通过引入新状态变量将PI控制器参数整定问题转化为设计静态输出反馈控制器的问题。文献[2]基于内模控制原理，导出了一种多变量系统的PID控制器参数整定方法。文献[3-4]将遗传算法应用于多入多出系统的PID参数整定。文献[5]基于广义预测控制思想提出了一种离散多变量PID参数整定方法。文献[6]将单变量PID极 收稿日期：2009-06-22 修回日期：2009-07-27 基金项目：国家重点实验室基金 (610103001) 作者简介：李东海(1963-), 男, 副教授, 研究方向为复杂热力系统控制和非线性控制策略；老大中(1957-), 男, 副教授, 研究方向为推进系统测试仿真技术；徐益(1982-), 男, 硕士, 研究方向为推进系统设计, 控制与仿真技术。点配置自整定方法扩展到多变量专家极点配置方法，用于多变量PID控制系统的自整定，取得了满意的效果。文献 [7]提出了一种加权多变量反馈和零极点配置方法，用于PID参数整定。文献[8]提出一种多变量PID自整定控制算法，通过设计静态矩阵预补偿器将p×p的多变量系统转化为p个自整定的单变量PID控制器。文献[9]通过多变量IMC控制器的简单反馈形式的Maclaurin级数展开,得到了多变量PID 参数的计算通式。文献[10]提出了一种基于DNA方法的多变量PID设计思路。文献[11]分析了模糊逻辑控制器参数取值与控制性能之间的关系。文献[12]则提出了一种多变量控制器在线自整定方法。 基于非线性分散控制理论设计的非线性鲁棒控制器(以下简称NRC)具有很强的鲁棒性，适用于参数变化范围宽，干扰作用大的非线性系统。它结构简单，易于实现，不依赖于对象的精确数学模型，而且有严格的理论推导来保证闭环系统的稳定[13]。通过在机器人[14-16]、水轮发电机组[17]和直升机[18]方面的仿真研究，实际验证了NRC具有较强的鲁棒性和适应性，显现出NRC广阔的应用前景。 虽然NRC已经应用到了许多方面，但其参数整定仍没有现成的理论和规律可循。尤其是多变量NRC的参数整定更是缺乏经验和依据。本文参考已有的多变量控制器参数整定思路，提出一种基于Monte-Carlo实验的NRC参数整定
鲁棒控制综述
鲁棒控制综述 课程目标 1.了解鲁棒控制研究的基本问题 2.掌握鲁棒控制的基础知识和基本概念 3.明确鲁棒控制问题及其形式化描述 4.掌握几种鲁棒稳定性分析与设计方法 5.掌握状态空间H∞控制理论 6.了解鲁棒控制系统的μ分析与μ综合方法 7.初步了解非线性系统鲁棒控制方法 8.掌握时滞系统的鲁棒控制稳定性分析 控制系统就是使控制对象按照预期目标运行的系统。 大部分的控制系统是基于反馈原理来进行设计的 反馈控制已经广泛地应用于工业控制、航空航天和经济管理等各个领域。 不确定性 在实际控制问题中，不确定性是普遍存在的 所描述的控制对象的模型化误差 可能来自外界扰动 因此，控制系统设计必须考虑不确定性带来的影响。 控制系统设计的任务 对于给定的控制对象和传感器，寻找一个控制器，使反馈控制系统能够在实际工作环境中按预期目标运行 ●实际控制对象就是具体的装置、设备或生产过程 ●通过各种建模方法，可以建立实际控制对象的模型 ●针对控制对象的模型，应用控制理论提供的设计方法设计出控制器，对实际控制对 象实施控制 ●控制系统的控制效果在很大程度上取决于实际控制对象模型的准确性 ●在控制系统设计中采用的模型与实际控制对象存在着一定的差异，即存在着模型不 确定性 ●控制系统的运行也受到周围环境和有关条件的制约 ●例如，在图1-1中，传感器噪声ｎ和外部扰动ｄ分别来自控制系统本身和控制系统 所处的环境，它们往往是一类未知的扰动信号 ●这种扰动不确定性对控制系统的运动将产生的影响 控制系统设计中需要考虑的不确定性 （1）来自控制对象的模型化误差； （2）来自控制系统本身和外部的扰动信号 ●需要一种能克服不确定性影响的控制系统设计理论 ●这就是鲁棒控制所要研究的课题 1.1.2 控制系统设计的基本要求 在控制系统设计中，往往把图1-1所示的反馈控制系统更一般化，考虑如图1-3所示的单位反馈控制系统，其中P是控制对象，C是控制器。
非线性系统的鲁棒自适应控制
非线性系统的鲁棒自适应控制 Robust Adaptive Control of Uncertain Nonlinear Systems 郝仁剑3120120359 摘要：本文以非线性系统的控制问题为背景，介绍了多种经典的非线性系统的控制方法以及研究进展，分析了各种控制方法存在的优点和不足。着重介绍了鲁棒自适应控制在非线性系统中的应用，结合该领域的近期研究进展和实际应用背景，给出对鲁棒自适应控制的进一步研究目标。 关键词：非线性系统鲁棒控制自适应控制 1.前言 任何实际系统都具有非线性特性，非线性现象无处不在。严格地说，线性特性只是其中的特例，但是非线性系统与线性系统又具有本质的区别。由于非线性系统不满足叠加原理，因此非线性特性千差万别，这也给非线性系统的研究带来了很大的困难。同时，对于非线性系统很难求得完整的解，一般只能对非线性系统的运动情况做出估计。众所周知，控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两个发展阶段。在第二次世界大战前后发展起来的经典控制理论应用拉普拉斯变换等工程数学工具来分析系统的品质。它广泛地应用于单输入单输出、线性、定常、集中参数系统的研究中。随着控制对象的日益复杂以及人们对控制系统精度的不断提高，经典控制理论的局限性就暴露出来了。在20世纪50年代，Bellman根据最优原理创立了动态规划。同时庞特里亚金等学者创立了最大值原理。后来，Kalman提出了一系列重要的概念，如可观性，可控性，最优线性二次状态反馈，Kalman滤波等。这些理论和概念的提出大大促进了现代控制理论的发展。控制系统的设计都需要以被控对象的数学模型为依据，然而对于任何被控对象不可能得到其精确的数学模型，如在建立机器人的数学模型时，需要做一些合理的假设，而忽略一些不确定因数。不确定性的必然存在也正促使了现代控制理论中另一重要的研究领域——鲁棒控制理论的发展。Zmaes关于小增益定理的研究以及Kalman关于单输入单输出系统LQ调节器稳定裕量的分析为鲁棒控制理论的发展产生了重要的影响。特别是Zmaes1981年发表的论文[1]标志H∞控制理论的起步。1984年Francis和Zmaes基于古典插值理论提出H∞问题的初步解法。Glover运用Hankel算子理论给出了H∞问题的解析解。Doyle在状态空间上对Glover解法进行整理和归纳。至此H∞控制理论体系初步形成。同时，Doyle首次提出结构化奇异值的概念，后来形成了μ解析理论。另外一种重要的控制器设计方法是基于Lyapunov函数的方法。在进行鲁棒控制器的设计时，一般都假设系统的不确定性属于一个可描述集，比如增益有界，且上界己知等。一般来说，鲁棒控制是比较保守的控制策略。对所考虑集合内的个别元素，该系统并不是最佳控制。对于具有参数不确定性的一类系统，自适应控制技术被提了出来，如模型参考自适应控制和自校正控制等。在实际应用中，由于被控对象具有未建模动态，过程噪声或扰动的统计特性远比设计时所设想的情况更复杂，以及持续激励条件和严正实条件等“理想条件”被打破，这都会导致自适应控制算法的失稳。于是自适应控制的鲁棒性课题，即鲁棒自适应控制受到了广泛的关注。大量的工程实践表明，对于复杂的工业对象和过程，引入自适应策略能够提高控制精度，提高生产效率，降低成本。近年来，非线性自适应控制技术取得突破性的发展，控制器的结构化设计技术也正日益得到广泛的研究与应用。
线性系统大作业1
研 究 生 课 程 论 文 (2014-2015学年第一学期) 线性系统的基本特性 研究生：
线性系统理论的研究对象为线性系统。线性系统是最为简单和最为基本的一类动态系统。线性系统理论是系统控制理论中研究最为充分、发展最为成熟和应用最为广泛的一个分支。线性系统理论中的很多概念和方法，对于研究系统控制理论的其他分支，如非线性系统理论、最优控制理论、自适应控制理论、鲁棒控制理论、随机控制理论等，同样也是不可缺少的基础。 线性系统的一个基本特征是其模型方程具有线性属性即满足叠加原理。叠加原理是指，若表系统的数学描述为L ，则对任意两个输入变量u 1和u 2以及任意两个非零有限常数c 1和c 2必成立关系式： 11221122()()()L c u c u c L u c L u +=+ 对于线性系统，通常还可进一步细分为线性时不变系统（linear time-invariant systems)和线性时变系统（linear time-varying systems)两类。 线性时不变系统也称为线性定常系统或线性常系数系统。其特点是，描述系统动态过程的线性微分方程或差分方程中，每个系数都是不随时间变化的函数。从实际的观点而言，线性时不变系统也是实际系统的一种理想化模型，实质上是对实际系统经过近似化和工程化处理后所导出的一类理想化系统。但是，由于线性时不变系统在研究上的简便性和基础性，并且为数很多的实际系统都可以在一定范围内足够精确地用线性时不变系统来代表，因此自然地成为线性系统理论中的主要研究对象。 线性时变系统也称为线性变系数系统。其特点是，表征系统动态过程的线性微分方程或差分方程中，至少包含一个卷数为随时间变化的函数。在视实世界中，由于系统外部和内部的原因，参数的变化是不可避免的，因此严格地说几乎所有系统都属于时变系统的范畴。但是，从研究的角度，只要参数随时间
非线性系统学习控制理论的发展与展望
非线性系统学习控制理论的发展与展望 谢振东谢胜利刘永清 摘要：论述了学习控制的基本理论问题，给出了学习与学习控制系统的基本定义，着重讨论了学习控制方法产生的历史背景、目前非线性系统学习控制的研究状况，提出了一些有待继续研究的问题. 关键词：非线性系统；学习控制；发展与展望 文献标识码：A Development and Expectation for Learning Control Theory of Nonlinear Systems XIE Zhendong，XIE Shengli and LIU Yongqing （Depatrment of Automatic Control Engineering, South China University of Technology． Guangzhou, 510640, P.R.China） Abstract：In this paper, the problem for the basic theory of learning control is discussed. After giving the basic definition of learning and learning control, we mainly discuss the background of learning control and the research status for learning control of nonlinear systems, and put forward some problems need to be researched. Key words：nonlinear systems; learning control; development and expectation▲ 1 非线性系统学习控制的研究背景(Research background for learning control theory of nonlinear systems) 1.1 引言(Introduction) 对于高速运动机械手的控制，Uchiyama提出一个思想［1］：不断重复一个轨线的控制尝试，并以此修正控制律，能达到较好的控制效果.日本学者Arimoto［2］等人根据这种思想于1984年针对机器人系统的控制研究，提出了迭代学习控制这一新颖方法.这种控制方法只是利用控制系统先前的控制经验，根据测量系统的实际输出信号和期望信号来寻求一个理想的输入，使被控对象产生期望的运动.而“寻找”的过程就是学习的过程，在学习的过程中，只需要测量系统的输出信号和期望信号，不象适应控制那样，对系统要进行复杂的参数估计［3，4］，也不象一般控制方法那样，不能简化被控对象的动力学描述.特别是在一类具有较强的非线性耦合和较高的位置重复精度的动力学系统(如工业机器人、数控机床等)中，学习控制有着很好的应用，如T.Sugie［5］,M.Katic［6］,H.Park［7］的工作.迭代学习控制方法提出后，受到了控制界的广泛关注，人们不仅针对各种机器人系
鲁棒控制理论综述
鲁棒控制理论综述 作者学号： 摘要：本文首先介绍鲁棒控制理论涉及的两个基本概念（不确定性和鲁棒）和发展过程，然 H控制理论，最后指出鲁棒控制研后叙述鲁棒控制理论中两种主要研究方法：μ理论、∞ 究的问题和扩展方向。 H控制理论 关键词：鲁棒控制理论，μ理论，∞ 一、引言 自从系统控制（Systems and Control）作为一门独立的学科出现，对于系统鲁棒性的研究也就出现了。这是由这门学科的特色和研究对象决定的。对于世界上的任何系统。由于系统本身复杂性或是人们对其认识的不全面，在系统建立模型时，很难用数学语言完全描述刻画。在这样的背景下，鲁棒性的研究也就自然而然地出现了。 二、不确定性与鲁棒 1、不确定性 谈到系统的鲁棒性，必然会涉及系统的不确定性。由于控制系统的控制性能在很大程度上取决于所建立的系统模型的精确性，然而，由于种种原因实际被控对象与所建立的模型之间总存在着一定的差异，这种差异就是控制系统设计所面临的不确定性。这种不确定性通常分为两类：系统内部的不确定性和系统外部的不确定性。这样，就需要一种能克服不确定性影响的控制系统设计理论。这就是鲁棒控制所要研究的课题。 2、鲁棒 “鲁棒”一词来自英文单词“robust”的音译，其含义是“强壮”或“强健”。所谓鲁棒性（robustness）,是指一个反馈控制系统在某一特定的不确定性条件下具有使稳定性、渐近调节和动态特性这三方面保持不变的特性，即这一反馈控制系统具有承受这一类不确定性的能力。具有鲁棒性的控制系统称为鲁棒控制系统。在工程实际控制问题中，系统的不确定性一般是有界的，在鲁棒控制系统的设计中，先假定不确定性是在一个可能的范围内变化，然后在这个可能的变化范围内进行控制器设计。鲁棒控制系统设计的思想是：在掌握不确定性变化范围的前提下，在这个界限范围内进行最坏情况下的控制系统设计。因此，如果设计的控制系统在最坏的情况下具有鲁棒性，那么在其他情况下也具有鲁棒性。 三、发展历程 鲁棒控制系统设计思想最早可以追溯到1927年Black针对具有摄动的精确系统的大增益反馈设计。由于当时不知道反馈增益和控制系统稳定性之间的确切关系，所以设计出来的控制系统往往是动态不稳定的。早期的鲁棒研究主要集中在Bode图，1932年Nyquist提出了基于Nyquist曲线的频域稳定性判据，使得反馈增益和控制系统稳定性之间的关系明朗化。1945年Bode讨论了单输入单输出（SISO）反馈系统的鲁棒性，提出了利用幅值和相位稳定裕度来得到系统能容许的不确定范围。这些方法主要用于单输入单输出系统而且这些关于鲁棒控制的早期研究主要局限于系统的不确定性是微小的参数摄动情形，尚属灵敏度分析的范畴，从数学上说是无穷小分析思想，并且只是停留在理论上。20世纪六七十年代，鲁棒控制只是将SISO系统的灵敏度分析结果向MIMIO进行了初步的推广[1]，与此同时，状态空间理论引入控制论后，系统控制取得了很大的发展，鲁棒问题也显得更加重要，其中就要提到两篇对现代鲁棒控制理论的建立有重要影响的文章：一篇是Zames在1963年关于小增益定理的论文[2]，另一篇是1964年Kalman关于单入单输出系统LQ调节器稳定裕量分析的研究报告[3]。鲁棒控制这一术语第一次在论文中出现是在1971年Davion的论文[4]，而首先将鲁棒控制写进论文标题的是Pearson等人于1974年发表的论文[5]。当然，鲁棒控制能够
非线性系统自适应鲁棒控制器设计
第３７卷第３期一一一一一一一一一一一哈一尔一滨一工一程一大一学一学一报一一一一一一一一一一Ｖｏｌ．３７?．３ ２０１６年３月一一一一一 一一 一一一 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ一一一一一一一一一一一Ｍａｒ．２０１６ 非线性系统自适应鲁棒控制器设计 焦鑫，江驹 （南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２０００１６） 摘一要：针对非线性系统模型参数具有不确定性的问题，利用二型模糊逻辑控制器特别适合于解决不确定性问题的优点和特点，提出二型模糊自适应滑模控制方法，设计了具有自适应和鲁棒性的非线性系统控制器三首先对非线性系统进行精确线性化，然后选取合适的滑模面，并设计了二型模糊逻辑系统，通过李亚普诺夫稳定性理论分析，得到自适应控制律三通过仿真实例验证，对比分析并验证了该控制方法能够克服不确定性参数的干扰，从而更好地控制非线性系统，使其具有一定的自适应性和鲁棒性三 关键词：自适应鲁棒控制器；非线性系统；不确定性；二型模糊逻辑系统；自适应性；滑模控制ｄｏｉ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１４１１０２０ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．ｕ．２０１５１２２４．１４０５．００２．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＰ２７３一文献标志码：Ａ一文章编号：１００６?７０４３（２０１６）０３?４０２?０６ Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｎａｄａｐｔｉｖｅｒｏｂｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ ＪＩＡＯＸｉｎ，ＪＩＡＮＧＪｕ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２０００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｕｎｃｅｒｔａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙ?ｓｌｉｄｉｎｇ?ｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎａｄａｐｔｉｖｅｒｏｂｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｓ．Ｗｅｂａｓｅｄｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｅｓｐｅｃｉａｌｌｙａｄａｐｔｅｄｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｕｎｃｅｒ?ｔａｉｎｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｆｏｒｔｈｉｓｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄ，ｗｅｆｉｒｓｔｐｒｅｃｉｓｅｌｙｌｉｎｅａｒｉｚｅｄｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｎ，ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｅｌｅｃｔｅｄａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｓｕｒｆａｃｅｓｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｏｒａｐｉｄ?ｌｙｓｔａｂｉｌｉｚｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｅａｌｓｏｄｅｓｉｇｎｅｄａｄａｐｔｉｖｅｌａｗｓｂｙｄｉｒｅｃｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅＬｙａｐｕｎｏｖａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｃａｎｏｖｅｒｃｏｍｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓａｎｄｂｅｔｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｕｓｍａｋｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｍｏｒｅａｄａｐｔｉｖｅａｎｄｒｏｂｕｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｄａｐｔｉｖｅｒｏｂｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；ｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｓｙｓｔｅｍ；ａｄａｐｔｉｖｉｔｙ；ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ 收稿日期：２０１４?１１?１０．网络出版日期：２０１５?１２?２４．基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３０４２２３）；江苏省普通高校 研究生科研创新基金资助项目（ＣＸＺＺ１３＿０１７０）；南京航空航天大学校博士学位论文创新与创优基金资助项目（ＢＣＸＪ１３?０６）． 作者简介：焦鑫（１９８６?），女，博士研究生； 江驹（１９６３?），男，教授，博士生导师． 通信作者：焦鑫，Ｅ?ｍａｉｌ：ｊｉａｏｘｉｎ＿ｍｅｎｇｑｕ＠１６３．ｃｏｍ． 一一对非线性系统进行控制器设计时，往往会涉及模型参数不确定的问题，控制器设计的好坏直接决定系统性能和安全［１?２］三例如，飞行器在高空飞行时，由于大气参数和气动参数具有不确定性［３］，如果飞行控制器不能很好的适应环境，缺乏一定的鲁棒性，那么飞行器的安全性将得不到保证［４?５］三 近年来，国内外学者针对这一问题进行了一定的研究三文献［６］利用神经网络参数的在线调整和动态非线性阻尼控制设计了飞行控制器，使飞行控制系统能够跟踪给定信号，具有一定的鲁 棒性三文献［７］将多输入系统看作多分布子系统，提出一种自律鲁棒自适应分散控制的新方法，结合直接反馈线性化和最优控制，给出了自律最优鲁棒自适应分散控制的设计方法三文献［８］利用确定性鲁棒控制方法对参数摄动的最坏情况进行研究，提出一种基于概率估计的Ｈ￥鲁棒控制方法，设计出的控制器具有较大的保守性和较高的控制成本三文献［９］结合高增益的反馈控制和基于在线优化跟踪控制器的前馈控制针对具有约束条件和不确定性的ＭＩＭＯ系统设计了自适应鲁棒控制器三 本文针对非线性系统模型参数不确定问题提出基于二型模糊自适应滑模控制的控制方法，该方法利用二型模糊逻辑控制器特别适合于解决不确定性问题的优点和特点［１０?１１］，选取合适的滑模面，作为二型模糊控制系统的输入，经过降
船舶航向非线性系统的H_鲁棒控制与仿真
第29卷第1期 Vo l 29,No 1 西华大学学报(自然科学版) Journa l o fX i h ua Un i v ersity N atural Sc i e nce 2010年1月 J an .2010文章编号:1673 159X (2010)01 0009 04 收稿日期:2009 10 12 作者简介:喻 洲(1985 ),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向为非线性鲁棒控制; 船舶航向非线性系统的H 鲁棒控制与仿真 喻 洲,吴汉松,袁 雷 (海军工程大学电气与信息工程学院,湖北武汉430033) 摘 要:针对船舶航向非线性控制系统的数学模型,在考虑船舶操舵伺服机构特性的情况下,基于状态反馈线性化方法,采用闭环增益成形算法设计出了船舶航向鲁棒控制器。利用M atl ab /S i m u li nk 工具箱进行仿真,结果表明,所设计的鲁棒控制器与采用极点配置法设计的鲁棒镇定控制器相比,具有较好的控制性能,对风浪干扰也具有很强的鲁棒性。 关键词:船舶航向控制;非线性系统;闭环增益成形;鲁棒性 中图分类号:TP273;U 664 文献标识码:A H I RC and Si m ulation of Nonli near Shi p A utopilot Syste m YU Zhou ,WU H an song ,YUAN Lei (Colle g e of E lectrical and Informati on Eng i neering ,N aval U ni .of Engineer i ng,W uhan 430033China ) Abstrac t :The re l a tionsh i p bet w een t he m aneuve r of a shi p and t he characteristi cs o f t he rudder w as stud ied usi ng a non li near m od e.l A robust con tro ll er for ship course was proposed by c l o sed loop gain shapi ng a l gor it h m based on t he state feedback li neariza tion m ethod .T he si m u l a ti on results obta i ned from t he si m u l a ti on so ft w are Si m uli nk ofM atl ab show that the desi gned contro ller ism ore effec ti ve t han the controller based on po le placem ent . K ey word s :sh i p course contro,l nonli near syste m,closed l oop ga i n shapi ng ,robustness 控制策略是船舶运动控制学的主要研究对象。从20世纪20年代PI D 控制律应用于船舶航向控制 系统以来,由于航行安全、节能、降低船员劳动强度等需求,航向控制一直受到人们的高度重视。但是船舶在大洋航行时受风、海浪、海流等各种环境因素干扰,以及船舶的船型、装载、航速、吃水等各种工况影响,船舶运动表现出非线性、不确定性、大滞后等复杂的动态特性[1 2] 。因此,设计船舶航向不确定非线性系统的鲁棒控制策略是船舶控制领域的一个研究热点。 本文针对考虑舵机特性的船舶航向非线性系统模型设计鲁棒控制器,通过状态反馈精确线性化方法得到系统的线性模型,并基于闭环增益成形算法,导出了H 鲁棒控制律。研究表明,所设计的鲁棒控制器与采用极点配置的方法来设计的鲁棒镇定控制器相比,具有较好的控制性能,能够使船舶航向有效跟踪并对系统的不确定性和干扰具有较强的鲁棒性。 1 系统的数学描述 在船舶自动舵设计中,船舶操纵系统模型一般采用线性的野本(N o mo to)方程 T ! + =K (1) 式中, 为舵角; 为航向角;T 为时间常数;k 为增益。该方程只适用于小舵角和低频动舵情况。在某些操纵条件下,例如舵角较大时,船舶存在严重的非线性特性,就不能忽略力和力矩泰勒级数展开式中的非线性项,这时上述模型就不适宜。为了更加准确地描述实际情况,提高模型描述精度,式(1)中的 以非线性项H ( )代之,用以描述船舶非线性操纵特性: H ( )= 0+ 1 + 2 2 + 3 3 (2)式中, i (i =0,1,2,3)为Norr b i n 系数。对于具有对称船体的船舶, 0和 2为0;对于稳定的船舶, 1=1;对于不稳定的船舶, 1= 1;而 3的值可由
对鲁棒控制的认识
对鲁棒控制的认识 姓名：赵呈涛 学号： 092030071 专业：双控
鲁棒控制（RobustControl）方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构、大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。如果所关心的是系统的稳定性，那么就称该系统具有鲁棒稳定性；如果所关心的是用干扰抑制性能或用其他性能准则来描述的品质，那么就称该系统具有鲁棒性能。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。 鲁棒控制的早期研究，主要针对单变量系统（SISO）的在微小摄动下的不确定性，具有代表性的是Zames提出的微分灵敏度分析。然而，实际工业过程中故障导致系统中参数的变化，这种变化是有界摄动而不是无穷小摄动，因此产生了以讨论参数在有界摄动下系统性能保持和控制为内容的现代鲁棒控制。现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法，其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。 鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围,一些算法不需要精确的过程模型，但需要一些离线辨识。鲁棒控制理论是分析和处理具有不确定性系统的控制理论，包括两大类问题：鲁棒性分析及鲁棒性综合问题。鲁棒性分析是根据给定的标称系统和不确定性集合，找出保证系统鲁棒性所需的条件；而鲁棒性综合（鲁棒控制器设计问题）就是根据给定的标称模型和不确定性集合，基于鲁棒性分析得到的结果来设计一个控制器，使得闭环系统满足期望的性能要求。主要的鲁棒控制理论有： （1）Kharitonov区间理论； 控制理论； （2）H ∞ （3）结构奇异值理论μ理论。 下面就这三种理论做简单的介绍。 1 Kharitonov区间理论 1.1参数不确定性系统的研究概况 对参数不确定性系统的研究源于20世纪20年代。Black采用大回路增益的反馈控制技术来抑制真空管放大器中存在的严重不确定性，由于采用大回路增益,所以设计的系
鲁棒控制原理及应用举例
鲁棒控制原理及应用举例 摘要：本文简述了鲁棒控制的由来及其发展历史，强调了鲁棒控制在现代控制系统中的重要性,解释了鲁棒控制、鲁棒性、鲁棒控制系统、鲁棒控制器的意义，介绍了鲁棒控制系统的分类以及其常用的设计方法，并对鲁棒控制的应用领域作了简单介绍，并举出实例。 关键词：鲁棒控制鲁棒性不确定性设计方法现代控制系统 经典的控制系统设计方法要求有一个确定的数学模型。在建立数学模型的过程中，往往要忽略许多不确定因素：如对同步轨道卫星的姿态进行控制时不考虑轨道运动的影响，对一个振动系统的控制过程中不考虑高阶模态的影响等。但经过以上处理后得到的数学模型已经不能完全描述原来的物理系统，而仅仅是原系统的一种近似。对许多要求不高的系统，这样的数学模型已经能够满足工程要求。然而，对于一些精度和可靠性要求较高的系统，如导弹控制系统设计，若采用这种设计方法，就会浪费了大量的人力物力在反复计算数弹道、调整控制器参数以及反复试射上。因此，为了解决不确定控制系统的设计问题，科学家们提出了鲁棒控制理论。由于鲁棒控制器是针对系统工作的最坏情况而设计的，因此能适应所有其它工况，所以它是解决这类不确定系统控制问题的有力工具。 鲁棒控制（Robust Control）方面的研究始于20世纪50年代。上世纪60年代，状态空间结构理论的形成，与最优控制、卡尔曼滤波以及分离性理论一起，使现代控制理论成了一个严密完整的体系。随着现代控制理论的发展，从上世纪80年代以来，对控制系统的鲁棒性研究引起了众多学者的高度重视。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。 通常说一个反馈控制系统是鲁棒的，或者说一个反馈控制系统具有鲁棒性，就是指这个反馈控制系统在某一类特定的不确定性条件下具有使稳定性、渐进调节和动态特性保持不变的特性，即这一反馈控制系统具有承受这一类不确定性影响的能力。设被控系统的数学模型属于集合D，如果系统的某些特性对于集合U中的每一对象都保持不变，则称系统具有鲁棒性。鲁棒性又可以分为鲁棒稳定性、鲁棒渐进调节和鲁棒动态特性。鲁棒稳定性是指在一组不确定性的作用下仍然能够保证反馈控制系统的稳定性；鲁棒渐进调节是指在一组不确定性的影响下仍然可以实现反馈控制系统的渐进调节功能；鲁棒动态特性通常称为灵敏度特性，即要求动态特性不受不确定性的影响。 所谓鲁棒控制，使受到不确定因素作用的系统保持其原有能力的控制技术。鲁棒控制的主要思想是针对系统中存在的不确定性因素，设计一个确定的控制律，使得对于系统中所有的不确定性，闭环系统能保持稳定并具有所期望的性能。
鲁棒控制系统设计
` 鲁棒控制设计报告 学院 专业 报告人
目录 1 绪论 (3) 1.1控制系统设计背景 (3) 1.2本文主要工作分配 (4) 2 一级倒立摆模型建立 (5) 2.1一级倒立摆的工作原理 (5) 2.2一级倒立摆的数学模型 (5) 3 H∞鲁棒控制器设计 (8) 3.1基于Riccati方程的H∞控制 (9) 3.2基于LMI的H∞控制 (9) 4 一级倒立摆系统的仿真 (11) 4.1一级倒立摆控制系统设计 (11) 4.2闭环控制系统仿真及分析 (12) 5 结论 (15)
1 绪论 1.1控制系统设计背景 一级倒立摆系统是一个典型非线性多变量不稳定系统，在研究火箭箭身的姿态稳定控制、机器人多自由度运动稳定设计、直升机飞行控制等多种领域中得到了广泛的应用，因此以倒立摆作为被控对象进行控制方法的研究具有重要的现实意义。为解决一级倒立摆系统的非线性、强耦合、多变量、自然不稳定问题，本文利用H∞鲁棒控制实现对一级倒立摆的控制。 Mg 图1.1 一级倒立摆系统结构图 本文采用的直线一级倒立摆的基本系统如图1.1所示，它是由沿直线导轨运动的小车以及一端固定于小车上的材质均匀的摆杆组成，它是一个不稳定的系统，当倒立摆出出现偏角θ后，如果不给小车施加控制力，倒立摆会倾倒。所以本文采用H∞鲁棒控制方法的目的是通过调节水平力F的大小控制小车的运动，使倒立摆处于竖立的垂直位置。控制指标为：倒立摆系统的从初始状态调节到小车停留在零点、并使摆杆的摆角为0的稳定状态。
1.2本文主要工作分配 第一章：对一级倒立摆系统的特点、结构以及控制要求进行阐述。 第二章：根据一级倒立摆的结构，利用机理建模法建立被控对象的精确数学模型，并在系统平衡点处进行线性化，得到系统简化的状态方程。 第三章：首先H∞鲁棒控制的基本原理，然后分别利用Riccati方程和LMI 方法设计H∞状态反馈控制器。 第四章：首先使用MATLAB计算基于Riccati方程的H∞状态反馈控制器和基于LMI的H∞状态反馈控制器，然后进行闭环控制系统的仿真并控制系统的性能分析。 第五章：对本次设计进行总结。
提高控制系统的鲁棒性与适应性
提高控制系统的鲁棒性与适应性 1、含义 鲁棒性:控制器参数变化而保持控制性能的性质。 适应性:控制器能适应不同控制对象的性质。 控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使品质指标保持不变的性能。鲁棒性是英文robustness一词的音译，也可意译为稳健性。鲁棒性原是统计学中的一个专门术语,70年代初开始在控制理论的研究中流行起来,用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。在实际问题中，系统特性或参数的摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面，一个是由于量测的不精确使特性或参数的实际值会偏离它的设计值（标称值），另一个是系统运行过程中受环境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此，鲁棒性已成为控制理论中的一个重要的研究课题，也是一切类型的控制系统的设计中所必需考虑的一个基本问题。对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统，所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性和不变性原理有着密切的联系，内模原理的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。 2、控制系统设计要求（指标） （1）、结构渐近稳定性 以渐近稳定为性能指标的一类鲁棒性。如果控制系统在其特性或参数的标称值处是渐近稳定的，并且对标称值的一个邻域内的每一种情况它也是渐近稳定的，则称此系统是结构渐近稳定的。结构渐近稳定的控制系统除了要满足一般控制系统设计的要求外，还必须满足另外一些附加的条件。这些条件称为结构渐近稳定性条件，可用代数的或几何的语言来表述，但都具有比较复杂的形式。结构渐近稳定性的一个常用的度量是稳定裕量，包括增益裕量和相角裕量，它们分别代表控制系统为渐近稳定的前提下其频率响应在增益和相角上所留有的储备。一个控制系统的稳定裕量越大，其特性或参数的允许摄动范围一般也越大，因此它的鲁棒性也越好。 （2）、结构无静差性 以准确地跟踪外部参考输入信号和完全消除扰动的影响为稳态性能指标的一类鲁棒性。如果控制系统在其特性或参数的标称值处是渐近稳定的且可实现无静差控制（又称输出调节，即系统输出对参考输入的稳态跟踪误差等于零），并且对标称值的一个邻域内的每一种情况它也是渐近稳定和可实现无静差控制的，那么称此控制系统是结构无静差的。使系统实现结构无静差的控制器通常称为鲁棒调节器。在采用其他形式的数学描述时，鲁棒调节器和结构无静差控制系统的这些条件的表述形式也不同。鲁棒调节器在结构上有两部分组成，一部分称为镇定补偿器，另一部分称为伺服补偿器。镇定补偿器的功能是使控制系统实现结构渐近稳定。伺服补偿器中包含有参考输入和扰动信号的一个共同的动力学模型，因此可实现对参考输入和扰动的无静差控制。对于呈阶跃变化的参考输入和扰动信号，它