基于預(yù)測(cè)控制策略的離散滑?？刂蒲芯?pdf

1、滑?？刂?SMC)理論從其出現(xiàn)至今已有半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間，然而其研究成果尚還主要集中在連續(xù)系統(tǒng)的分析與綜合中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及和數(shù)字控制器、執(zhí)行器的廣泛使用，對(duì)離散滑?？刂评碚撆c應(yīng)用的研究越來越受到科研工作者和工程應(yīng)用人員的關(guān)注。本論文針對(duì)傳統(tǒng)SMC需要較大的控制力驅(qū)使?fàn)顟B(tài)到達(dá)滑模面、系統(tǒng)魯棒性的強(qiáng)弱依賴于不確定項(xiàng)上界等不足，在離散滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)中引入預(yù)測(cè)控制(MPC)策略。以一般線性系統(tǒng)及幾類典型的非線性系統(tǒng)為對(duì)象，考慮系統(tǒng)的

2、鎮(zhèn)定問題和跟蹤問題，通過借用模型算法控制和廣義預(yù)測(cè)控制思想，構(gòu)造不同的滑模預(yù)測(cè)模型(SMPM)，采用合適的滑模參考軌跡，運(yùn)用反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計(jì)了適用于不同系統(tǒng)的預(yù)測(cè)滑模控制器。理論分析和仿真研究驗(yàn)證了預(yù)測(cè)滑?？刂葡啾扔趥鹘y(tǒng)滑模控制的優(yōu)越性，直升機(jī)高度和水箱液位的預(yù)測(cè)滑?？刂茖?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說明了論文中所提方法的有效性和實(shí)用性。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括： 1.針對(duì)由CARIMA(Controlled Auto-R

3、egressiVe Integrated Moving Average)模型所描述的一類系統(tǒng)，提出了一種廣義預(yù)測(cè)滑?？刂扑惴?。該算法的設(shè)計(jì)分四個(gè)部分：首先，在給出了期望滑模面之后，建立了一個(gè)基丁系統(tǒng)伴隨矩陣的SMPM，用以預(yù)測(cè)滑模的未來信息；其次，為了驅(qū)使SMPM的輸出平滑地到達(dá)滑模面，設(shè)計(jì)了合適的滑模參考軌跡；再次，通過定義一個(gè)與SMPM輸出相關(guān)的函數(shù)作為性能指標(biāo)，并基于滾動(dòng)優(yōu)化，得到了增量形式的廣義預(yù)測(cè)滑?？刂坡?；最后，結(jié)合參數(shù)辨識(shí)

4、方法，用以在線辨識(shí)CARIMA模型參數(shù)。由于基于CARIMA.模型的廣義預(yù)測(cè)控制算法能夠方便地處理控制時(shí)滯，我們的算法也能方便地推廣到控制時(shí)滯系統(tǒng)。 2.針對(duì)一般離散線性系統(tǒng)，考慮給定運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤問題。為了對(duì)匹配和不匹配不確定項(xiàng)都具有強(qiáng)魯棒性，且得到優(yōu)化的控制量，把MPC結(jié)合到SMC中。借用全程滑模的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)出新穎的SMPM；基于一階慣性環(huán)節(jié)，構(gòu)造了滑模參考軌跡，進(jìn)而保證良好的趨近模態(tài)；使用反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化觀點(diǎn)，系統(tǒng)的不確

5、定項(xiàng)，無論其是否滿足匹配條件，均能及時(shí)得到補(bǔ)償；二次型指標(biāo)中包含了控制量的懲罰項(xiàng)，可以協(xié)調(diào)滑模預(yù)測(cè)跟蹤誤差和控制輸入對(duì)性能指標(biāo)的影響；求解二次型指標(biāo)得到了非切換型的滑?？刂破鳎蚨到y(tǒng)中不存在抖振：嚴(yán)格的理論分析證明了閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。 3.針對(duì)過程模型可分離為線性部分和非線性部分的系統(tǒng)，將非線性反饋通道沿著在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)已知的某參考軌跡線性化，得到了系統(tǒng)的時(shí)變線性模型。為系統(tǒng)指定了合適的滑模面之后，根據(jù)所得時(shí)變線性系統(tǒng)的標(biāo)稱

6、模型，設(shè)計(jì)出SMPM。通過反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化，得出了無約束情況下的系統(tǒng)優(yōu)化控制解。理論分析證明閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)有界變化律的匹配和不匹配不確定項(xiàng)具有強(qiáng)魯棒性。數(shù)值仿真說明相比于傳統(tǒng)高氏趨近律DSMC方法，所提算法使得閉環(huán)系統(tǒng)具有更強(qiáng)魯棒性和更快的收斂速度，同時(shí)不存在抖振。當(dāng)解存在時(shí)，所提方法適用于帶約束系統(tǒng)。由于將系統(tǒng)非線性模型轉(zhuǎn)換成了時(shí)變線性模型，系統(tǒng)的優(yōu)化問題是一個(gè)二次規(guī)劃問題，而不是非線性規(guī)劃問題，因而人人減少了計(jì)算量。 4.針對(duì)

7、下三角規(guī)范型離散非線性系統(tǒng)，考慮SMC設(shè)計(jì)問題。在保證滑模面具有期望性能之后，通過為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)變SMPM，利用反饋校正修正SMPM以實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定項(xiàng)的及時(shí)補(bǔ)償。使用滾動(dòng)優(yōu)化，我們得出了優(yōu)化的預(yù)測(cè)滑模控制器。理論證明閉環(huán)系統(tǒng)具有魯棒穩(wěn)定性，不需要不確定項(xiàng)的上界已知，且在采樣時(shí)間較小或系統(tǒng)不確定性和外部干擾變化較慢時(shí)，準(zhǔn)滑模帶寬可以很小。數(shù)值仿真表明，所提算法相比于傳統(tǒng)高氏趨近律DSMC方法，閉環(huán)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性，狀念收斂更快，控制信號(hào)峰

8、值更小以及不存在抖振。 5.針對(duì)一類離散不確定非線性耦合系統(tǒng)，提出了預(yù)測(cè)滑模控制算法。受遞歸滑模思想的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種SMPM。考慮到模型失配問題，利用預(yù)測(cè)滑模輸出值和實(shí)測(cè)滑模值之間的差值來對(duì)SMPM進(jìn)行反饋校正，進(jìn)而應(yīng)用滾動(dòng)優(yōu)化，導(dǎo)出非切換型的滑?？刂破鳌；５目蛇_(dá)性通過迫使滑模預(yù)測(cè)值跟蹤期望的滑模參考值來實(shí)現(xiàn)。由于滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正的引入，及時(shí)補(bǔ)償了不確定項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)的影響，從而保證了閉環(huán)系統(tǒng)具有強(qiáng)魯棒性。魯棒分析證明了即使當(dāng)不