基于块状结构模型的非线性自适应控制方法研究

摘要

块状结构模型是一类具有特定结构的典型非线性模型，由非线性静态环节和线性动态环节以不同的次序串联而成。学者们热衷于非线性块状结构模型的研究是由于该类系统能较好地反映工业过程的特点，可以描述一大类非线性过程。同时，该类非线性系统的一个显著优点是非线性静态部分与线性动态部分的分离。相比于传统意义上的非线性动态系统，这一特殊的结构降低了非线性辨识和控制的难度。 本文的研究目的就是在参数化Hammerstein、Wiener和Hammerstein-Wiener块状结构模型的基础上，通过可测的系统输入输出信号和已知的模型结构特点，对被控对象设计自适应控制器。这些算法的提出是基于自校正控制方法改进而来的。在合理的假设条件下，本文还分析了各算法的闭环系统稳定性和系统输出跟踪特性。此外，非常有代表性的工业过程仿真实验也验证了各算法的有效性。本文的主要工作可以概括如下: 1.针对Hammerstein型非线性系统中存在的不稳定零点、非高斯噪声干扰以及未建模动态，通过构建合理的指标函数、设计加权递推算法在线估计不确定的系统参数以及将未建模动态的在线估计值引入到反馈控制中，提出了用于控制不确定Hammerstein块状结构模型的鲁棒自适应控制算法。在经典自适应控制理论的启发下，证明了闭环系统的稳定性。方法的有效性在几组仿真例子中得到了验证，特别是在一个仿真的化工反应过程中体现了其应用价值。此外，针对一类带有输入死区非线性的特殊Hammerstein模型，提出了死区补偿控制算法，并讨论了一组仿真的电机转速控制问题。 2.针对Wiener型非线性系统中存在的不稳定零点、非高斯噪声干扰、未建模动态以及显著变化的非线性映射关系，基于径向基函数神经网络Wiener模型，通过构建一个在线不断调整的滑平面指标、设计加权递推算法在线估计不确定的系统参数和未建模动态的上界、实时求解更合理的加权多项式系数以及将未建模动态的在线估计值引入到反馈控制中，提出了用于控制不确定Wiener块状结构模型的鲁棒间接自适应变结构控制算法。基于时间变换的概念，证明了闭环系统的稳定性。方法的有效性在几组仿真例子中得到了验证，特别是在两组仿真的化工反应过程中体现了其应用价值。 3.与相对简单的Hammerstein模型和Wiener模型不同，含有输入输出两部分非线性块的Hammerstein-Wiener模型无法借鉴双线性模型思想来参数化。针对这个问题，基于关键项分离法，给出新的参数化Hammerstein-Wiener模型，设计加权递推算法在线估计不确定的系统参数和不可测的中间变量，并依据估计值推导出基于确定性等价原则的控制律。由于信息矩阵中包含估计信号，本文对现有的自适应控制理论分析框架做了相应修改，并证明了闭环系统的局部稳定性。此外，还讨论了一些关键问题的改进方法，比如，如何扩大局部稳定域、如何应用于有色噪声干扰的情况等。方法的有效性在几组仿真例子中得到了验证。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2块状结构模型的研究现状

1．2．1 Hammerstein模型自适应控制研究现状

1．2．2 Wiener模型自适应控制研究现状

1．2．3 Hammerstein-Wiener模型自适应控制研究现状

1．3预备知识

1．3．1线性模型

1．3．2递推参数估计算法

1．3．3自适应控制器设计

1．3．4基本引理

1．4本文的主要研究内容

第二章基于Hammerstein模型的鲁棒自适应控制方法

2．1引言

2．2问题描述

2．3自适应控制策略

2．3．1控制指标函数

2．3．2递推估计算法

2．3．3控制律设计

2．3．4控制策略实施步骤

2．4稳定性分析

2．5仿真实验

2．6带有输入死区的Hammerstein模型的自适应控制方法

2．7本章小结

第三章基于Wiener模型的鲁棒自适应变结构控制方法

3．1引言

3．2问题描述

3．3自适应控制策略

3．3．1确定的滑平面指标

3．3．2递推估计算法

3．3．3控制律设计

3．3．4控制策略实施步骤

3．4稳定性分析

3．5仿真实验

3．6本章小结

第四章基于Hammerstein-Wiener模型的自适应控制方法

4．1引言

4．2问题描述

4．3自适应控制策略

4．3．1系统参数化的基本思想

4．3．2递推估计算法

4．3．3控制律设计

4．3．4控制策略实施步骤

4．4稳定性分析

4．5关键问题讨论

4．5．1对于假设4．4的讨论

4．5．2对于假设4．5的讨论

4．5．3对于输出跟踪误差特性的讨论

4．5．4有色噪声干扰的情况

4．6仿真实验

4．7本章小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文及参与项目情况

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