连续非线性系统的鲁棒模糊跟踪控制及其在电站中速磨煤机上的应用

摘要

在过去的十几年时间里，非线性系统的跟踪控制问题受到众多专家学者的重视，并取得了许多重要的成果。然而到目前为止，大多数非线性系统的跟踪控制方案都无法对给定的轨迹进行渐近跟踪，而且很难综合考虑非线性模型中的不确定性及H2和H∞等性能指标。有少数方案通过采用自适应控制等算法可对给定轨迹进行渐近跟踪控制，但是这些方案往往使得控制系统的实时性变差。 针对以上问题，本文以保证跟踪控制系统的综合性能指标为中心，在保证系统实时性的前提下提出多种基于T-S模糊模型的跟踪控制方案。所提出的控制方案可使连续非线性系统(简称非线性系统)在包含参数不确定性的情况下很好地跟踪给定参考轨迹，与此同时消除外界干扰对系统的影响并保证闭环系统的内部稳定性。以电站中速磨煤机(简称中速磨)为应用对象，采用所提出的控制方案设计其跟踪控制系统，达到改善控制性能的目标。本文的主要工作概括如下： 1.提出非线性系统的模糊渐近跟踪控制方案。将需要跟踪的给定轨迹及被控对象所受外界干扰的内模嵌入到控制系统中，抵消跟踪轨迹与外界干扰的传递函数中包含的不稳定极点，从而使非线性系统的输出可以渐近跟踪给定轨迹并抑制扰干扰。为了使控制系统可应用于状态变量不可测量的情况，设计了模糊跟踪控制器对应的模糊观测器。接着分析了跟踪控制器及其观测器稳定的充分条件及跟踪控制器和观测器分步设计后系统整体稳定的充分条件。然后讨论了对跟踪控制系统进行简化设计的方法。 2.提出非线性系统满足H∞抗干扰性能指标的鲁棒模糊跟踪控制方案。与非线性系统的模糊渐近跟踪控制方案相比，此方案考虑了T-S模糊模型中的逼近误差及控制系统的H∞抗干扰性能指标。使得受外界特性未知扰动影响的非线性系统的输出可以很好地跟踪给定轨迹。针对状态变量不可直接测量的情况，设计了H∞鲁棒模糊控制器对应的模糊观测器，进一步地，给出了H∞鲁棒模糊跟踪控制器和对应观测器稳定及整个H∞鲁棒模糊跟踪控制系统稳定的充分条件。 3.提出非线性系统的混合H2/H∞鲁棒模糊跟踪控制方案。与非线性系统的H∞鲁棒模糊跟踪控制方案相比，该方案考虑了系统的H2性能指标及T-S模糊模型中子系统输出方程的逼近误差，更完整地描述了实际的非线性系统。混合H2/H∞鲁棒模糊跟踪控制方案能很好地跟踪给定轨迹，而且满足对特性未知干扰抑制程度的H∞性能指标与控制过程中的H2优化性能指标。所证明的控制器及整个跟踪控制系统的稳定性定理则从理论上保证了所提控制方案的正确性。 4.提出非线性系统的鲁棒模糊渐近跟踪控制方案。将非线性系统所包含的不确定性体现为T-S模型中的参数不确定性。将系统所需跟踪的轨迹及外界干扰的内模加入控制系统中，从而对给定轨迹进行渐近跟踪并近似完全抑制干扰对系统的影响，改善了系统的抗干扰的性能。接着，对跟踪控制器及其观测器的稳定性进行了分析并给出了保证鲁棒模糊跟踪控制系统整体稳定的充分条件。 5.在对中速磨的运行机理分析的基础上，改进其已有的非线性数学模型。基于这个改进后的模型，提出了中速磨的T-S模糊模型，从而便于设计其控制器。所提出的T-S模糊模型由几个线性子模型所组成，采用遗传算法可以辨识得到子模型所包含的系数从而获得整个T-S模糊模型。该T-S模糊模型完全等价于改进后的中速磨的非线性数学模型。对一台实际运行的中速磨进行模糊建模，得到的T-S模糊模型真实地反映了中速磨的运行状况，验证了所提模型的有效性。 6.对鲁棒模糊跟踪控制系统的设计过程进行了分析与归纳。在此基础上开发了中速磨的鲁棒模糊跟踪控制系统设计软件，方便现场工程师开发控制系统并对其进行仿真试验。然后在中速磨出口变量的参考轨迹为典型的阶跃信号和复杂信号的情况下分别对鲁棒模糊跟踪控制系统进行了仿真，结果表明控制系统具有良好的跟踪控制性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、主要符号说明

声明

第一章 绪论

1.1概述

1.2非线性控制的国内外研究进展与现状

1.2.1非线件系统的反馈精确线性化

1.2.2非线性系统的变结构控制

1.2.3非线性系统的模糊控制

1.2.4非线性系统的鲁棒控制

1.3不确定非线性系统的模糊跟踪控制

1.3.1不确定非线性系统的鲁棒模糊控制

1.3.2不确定非线性系统的模糊跟踪控制

1.4电站中速磨的控制系统及其存在的问题

1.5课题来源及研究意义

1.6本文的主要工作及内容安排

第二章 非线性系统的模糊跟踪控制

2.1引言

2.2内模控制原理

2.3模糊状态反馈跟踪控制系统

2.3.1非线性系统的模糊T-S模型

2.3.2模糊状态反馈跟踪控制系统

2.3.3跟踪控制系统的区域极点配置及其稳定性分析

2.4模糊跟踪控制系统的状态观测器

2.5分步设计模糊跟踪控制系统的稳定性分析

2.6模糊跟踪控制器设计的简化方法

2.6.1输入矩阵相同时控制系统的简化设计

2.6.2输入矩阵不同时控制系统的简化设计

2.7仿真实例

2.8本章小结

第三章 H∞鲁棒模糊状态反馈跟踪控制

3.1引言

3.2问题描述

3.2.1非线性系统的Ⅰ型模糊T-S模型

3.2.2基于Ⅰ型模糊模型的状态反馈跟踪控制系统

3.3H∞模糊跟踪控制系统及其稳定性分析

3.4H∞模糊观测器及其稳定性分析

3.5带有模糊观测器的H∞模糊跟踪控制系统的稳定性

3.6仿真实例

3.7本章小结

第四章 混合H2／H∞鲁棒模糊跟踪控制

4.1引言

4.2问题描述

4.2.1非线性系统的Ⅱ型模糊T-S模型

4.2.2基于Ⅱ型模糊模型的状态反馈跟踪控制系统

4.3混合H2／H∞模糊跟踪控制器设计

4.3.1非线性系统的H2及H∞性能指标

4.3.2混合H2／H∞模糊跟踪控制系统设计

4.4基于模糊观测器的混合H2／H∞跟踪控制器设计

4.5仿真实例

4.6本章小结

第五章 不确定非线性系统的鲁棒模糊跟踪控制

5.1引言

5.2不确定非线性对象的鲁棒模糊跟踪控制器设计

5.2.1不确定非线性系统的模糊T-S模型

5.2.2鲁棒模糊状态反馈跟踪控制系统

5.2.3鲁棒跟踪控制系统的稳定性分析

5.3鲁棒模糊状态观测器设计

5.4带有模糊观测器的鲁棒模糊跟踪控制系统的稳定性

5.5仿真实例

5.6本章小结

第六章 中速磨的T-S模糊建模及仿真

6.1引言

6.2中速磨的运行机理分析及其非线性数学模型改进

6.2.1中速磨的结构及运行特性

6.2.2中速磨的非线性微分方程模型及其改进

6.3中速磨的T-S模糊建模

6.3.1中速磨的T-S模糊模型

6.3.2 T-S模糊模型和原非线性数学模型的等价性

6.3.3基于遗传算法的模型参数辨识

6.4仿真研究

6.5本章小结

第七章 中速磨的鲁棒模糊跟踪控制系统设计及仿真

7.1引言

7.2中速磨的鲁棒模糊跟踪控制系统设计

7.2.1中速磨鲁棒模糊跟踪控制系统实现的DCS平台

7.2.2大型发电机组中速磨模糊控制系统设计及仿真

7.3控制系统仿真结果

7.3.1参考轨迹为阶跃信号时的仿真

7.3.2参考轨迹为复杂信号时的仿真

7.4本章小结

第八章 总结与展望

8.1全文总结

8.2进一步工作展望

参考文献

攻读博士学位期间公开发表的学术论文

攻读博士学位期间完成的科研项目

攻读博士学位期间登记的软件著作权

致谢