具有控制能量約束和模型不確定性的優(yōu)化控制研究.pdf

1、大部分的控制系統(tǒng)是基于反饋原理的，性能限制研究的一個(gè)重要任務(wù)在于探討對(duì)于一定的控制對(duì)象在一定的條件下采用反饋控制機(jī)制系統(tǒng)可以達(dá)到的最優(yōu)控制性能。許多最優(yōu)控制設(shè)計(jì)都暗含一個(gè)假設(shè)，即輸入控制對(duì)象的控制能量可以是無(wú)窮大的，然而由于執(zhí)行器的飽和特性實(shí)際系統(tǒng)所能提供的控制能量只能是個(gè)有限值。如果在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不考慮控制能量的約束，那么設(shè)計(jì)的控制律就很難保證實(shí)際系統(tǒng)具有所期望的性能。再有，關(guān)于控制理論和方法的文獻(xiàn)中，許多研究都假設(shè)設(shè)計(jì)者有一個(gè)控制

2、對(duì)象的標(biāo)稱模型，基于這一標(biāo)稱模型運(yùn)用各種不同的設(shè)計(jì)方法可得到一個(gè)很好的標(biāo)稱控制器。然而，標(biāo)稱模型不可能是實(shí)際控制對(duì)象的精確描述，期望的標(biāo)稱性能實(shí)際中很少可以實(shí)現(xiàn)。由標(biāo)稱控制器控制實(shí)際對(duì)象所得系統(tǒng)的性能可能會(huì)很差，甚至是不穩(wěn)定的。 本文分別對(duì)存在控制能量約束時(shí)、存在模型不確定性時(shí)以及控制能量約束和模型不確定性并存時(shí)線性反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制問(wèn)題進(jìn)行了探討。 本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新成果包括： (1)針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中控制

3、能量只能是有限值的實(shí)際情況，本文將控制能量引入性能指標(biāo)，定義了一個(gè)由敏感度函數(shù)和控制敏感度函數(shù)表示的包含跟蹤誤差和控制能量在內(nèi)的積分平方性能指標(biāo)，然后應(yīng)用譜分解方法最小化性能指標(biāo)，對(duì)兩類穩(wěn)定的典型控制對(duì)象分別導(dǎo)出相應(yīng)的優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)方法，可使系統(tǒng)在控制能量存在約束時(shí)獲得最優(yōu)的控制性能。 (2)針對(duì)工業(yè)過(guò)程中兩類典型時(shí)滯過(guò)程，本文通過(guò)最小化跟蹤誤差和控制能量在內(nèi)的積分平方性能指標(biāo)，給出了具有控制能量約束時(shí)相應(yīng)PID控制器的解析設(shè)計(jì)

4、方法，可以用來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)的跟蹤性能和控制能量方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。 (3)過(guò)程控制領(lǐng)域中不穩(wěn)定過(guò)程的控制難度比較大，其模型中不穩(wěn)定極點(diǎn)的存在使得控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定非常困難；而純滯后和非最小相位零點(diǎn)(右半s平面零點(diǎn))的同時(shí)存在極大地限制了系統(tǒng)可以達(dá)到的最佳性能。本文探討了控制能量存在約束時(shí)不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制問(wèn)題，導(dǎo)出了控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可用來(lái)給出鎮(zhèn)定不穩(wěn)定系統(tǒng)所需最小的控制能量和系統(tǒng)可以達(dá)到的最優(yōu)跟蹤性能。 (4)模型不確定性對(duì)期

5、望的系統(tǒng)性能具有很大的影響，本文將優(yōu)化方法運(yùn)用于魯棒控制器的設(shè)計(jì)，基于相對(duì)隨機(jī)模型誤差定義了一個(gè)加權(quán)的敏感度誤差函數(shù)用來(lái)測(cè)量實(shí)際的系統(tǒng)性能和期望的系統(tǒng)性能之間的距離，然后通過(guò)調(diào)節(jié)標(biāo)稱的控制器以最小化加權(quán)的敏感度誤差函數(shù)在整個(gè)頻段上的方差，導(dǎo)出了魯棒控制的設(shè)計(jì)方法，可使系統(tǒng)對(duì)模型不確定性具有良好的魯棒性。 (5)在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，存在控制能量約束和模型不確定性需要同時(shí)考慮的情形。本文定義了一個(gè)平均意義上的包含跟蹤誤差和控制能量