具有执行器饱和系统的控制器设计理论及应用研究

第38卷第1期辽宁工业大学学报(自然科学版)V ol.38, No.1 2018年 2 月Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Feb. 2018收稿日期：2017-10-13作者简介：张华扬(1988-)，男，河北衡水人，硕士生。

DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2018.01.003含有执行器饱和的网络化切换模糊系统的事件触发控制张华扬，王铁超（辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001）摘 要：针对含有执行器饱和的网络化切换模糊系统，提出了基于事件触发的系统状态反馈问题。

运用事件触发机制和并行分布式补偿算法，设计了状态反馈控制器。

基于多Lyapunov函数理论和平均驻留时间方法，通过线性矩阵不等式给出了使闭环系统指数稳定的充分条件。

最后，用一个数值例子验证了所给出方法的可行性。

关键词：网络化切换模糊系统；执行器饱和；平均驻留时间中图分类号：TP273.4 文献标识码：A文章编号：1674-3261(2018)01-0008-05Event-triggered Control for Networked Switched Fuzzy Systemswith Actuator SaturationZHANG Hua-yang, WANG Tie-chao（College of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）Abstract: This paper studies the event-triggered state feedback control problems for a class of switched fuzzy systems with actuator saturation. By using the event-triggered mechanism and parallel distributed compensation (PDC) method, state feedback controllers are designed. Based on the multiple Lyapunov function theory and average dwelling time method, the sufficient conditions are given that can guarantee the closed-loop system’s exponential stability, which can be formulated in the form of linear matrix inequalities (LMIs). At last, a numerical example is used to certify the feasibility of the proposed method.Key words: networked switched fuzzy systems; actuator saturation; average dwelling timeT-S模糊模型[1]可以处理复杂系统的非线性问题，切换系统[2]是一种非常重要的混杂系统，在工业控制系统的设计中有着广泛的应用，切换系统通常由一组连续或离散的子系统和一条决定子系统之间切换顺序的切换信号组成。

［收稿日期］２０２０－０２－０１［基金项目］河南省科技攻关项目（项目编号：２０２１０２２１０１２８）；河南省高等学校青年骨干教师培养计划（项目编号：２０１９ＧＧＪＳ１９２）；国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：２０１９１０４７９０２１）。

［作者简介］姚合军（１９８０－），男，河南济源人，副教授，主要研究方向为网络控制系统、饱和系统、机器人系统等。

执行器饱和受限系统的鲁棒控制及其在网络遥操作机器人系统中的应用姚合军，杨　恒（安阳师范学院数学与统计学院，河南安阳４５５０００）［摘要］研究了执行器饱和受限系统的鲁棒控制问题。

通过提高系统状态维数的方法，借助恰当的矩阵不等式变换把执行器饱和项转化为闭环系统状态。

利用线性矩阵不等式方法得到系统稳定的充分条件和控制器设计策略。

通过选取带有参数矩阵的Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数，降低了稳定性条件的保守性。

最后，把所得的研究结果应用到网络遥操作机器人系统，充分验证了该方法的有效性与可行性。

［关键词］执行器饱和；不确定；网络系统；机器人系统［中图分类号］ＴＰ２７３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７１－５３３０（２０２０）０２－０００１－０５０　引言饱和现象在实际控制系统是最常见的现象，本质上任何系统都有不同程度的饱和约束，如果不考虑饱和限制，那么严重情况下将导致系统性能下降甚至不稳定。

在实际工程控制过程中，执行器饱和是一种最为常见的约束，因此有关执行器饱和控制的研究具有非常重要的实际意义。

上世纪６０年代Ｆｕｌｌｅｒ首次提出饱和系统，并采用回馈计算和跟踪的策略，使系统快速退出饱和区。

近几十年来，执行器饱和控制问题得到了众多学者的广泛关注［１－３］。

Ｈｕ等人提出了一种在饱和线性反馈下估计离散线性系统吸引域的方法和一种基于ＬＭＩ的方法来构造具有保证稳定性要求的干扰抑制反馈律［４］。

魏爱荣等人针对执行器饱和的状态反馈单输入线性系统和输出饱和的动态输出反馈单输出线性系统，给出了保证全局渐近稳定或区域渐近稳定的充分条件［５］。

执行器饱和的线性连续系统的镇定作者：杜鸿波景丽来源：《计算技术与自动化》2015年第01期摘要：针对控制系统中广泛存在饱和问题，主要研究执行器饱和线性连续系统的镇定问题并进行吸引域估计。

首先根据Finsler’s 引理和Lyapunov 函数方法研究系统稳定的充分条件，得到执行器饱和控制系统稳定的新判据。

其次，在稳定条件下，应用凸组合方法和新引入的自由权矩阵使得系统吸引域估计具有更小的保守性，将所得非线性矩阵不等式转化为线性矩阵不等式，给出求解最大吸引域的优化方法和状态反馈控制器的设计方案。

最后通过仿真算例验证结果的有效性和可行性。

关键词：连续系统；执行器饱和；吸引域估计；线性矩阵不等式中图分类号：O231 文献标识码：AAbstract：Aiming at the saturation which plays important roles in the control theory，this paper studied the problem of stabilization of linear continuous time system with actuator saturation， and estimated the domain of attraction of the system. First，by using Finsler 's lemma and Lyapunov equation method to study the stability condition of the system， we get the new criterion of the stability of the actuator saturation control system. In addition， under the condition of stability，by using convex combination method and the newly introduced liberty matrix，this paper reduced the conservatism of the estimation of domain of attraction. By converting the nonlinear matrix inequality to linear matrix inequality， the optimization method of the biggest domain of attraction and the design scheme of the state feedback controller were presented. Finally， the simulation example verifies the feasibility and effectiveness of the results.Key words：continuous system；actuator saturation；estimation of domain of attraction；linear matrix inequality1 引言饱和现象广泛地存在于各种工业系统当中，对实际工程来说，控制往往属于容许控制集合，即控制输入需要满足一定的约束条件，执行器饱和限制是一种最常见的约束控制，所以对于这类问题的研究自然就有非常重要的意义。

具有执行器饱和的切换系统鲁棒H∞ 控制周修阳; 王茜; 陈云【期刊名称】《《杭州电子科技大学学报》》【年(卷),期】2019(039)006【总页数】6页(P36-41)【关键词】切换系统; 执行器饱和; 鲁棒H∞控制; 不匹配不确定性【作者】周修阳; 王茜; 陈云【作者单位】杭州电子科技大学自动化学院浙江杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言切换系统是一种特殊类型的混杂系统，由若干个子系统和一个切换规律组成，其中切换规律决定哪个子系统处于工作模态。

在许多实际控制系统中，执行器饱和是不可避免的[1]，低增益反馈是处理执行器饱和的重要方法之一[2]。

低增益反馈设计的关键步骤是构造一个低增益，设计低增益的主要方法有基于特征结构配置的方法[2]、代数Riccati方程方法[3]和参量Lyapunov方程方法[4]。

在过去的几十年中，不确定控制系统一直是研究热点。

不确定性通常分为匹配不确定性和不匹配不确定性。

现有的结果大多侧重于匹配不确定性的研究。

实际应用中，应同时考虑匹配不确定性和不匹配不确定性。

为此，本文研究一类具有执行器饱和、不匹配不确定性和外部干扰的不确定连续时间切换线性系统的鲁棒H∞控制问题。

1 问题描述具有执行器饱和与不匹配不确定性的切换系统如下：(1)式中，x(t)∈Rn是状态，u(t)∈Rm是控制输入，ω(t)∈Rs是属于L2[0,∞)空间的能量有界干扰，z(t)∈Rq是被控输出。

σ(t):[0,∞)→M={1,2,…,M}是切换信号，M 是切换系统的模态数。

Aσ(t)∈Rn×n，B1σ(t)∈Rn×m，B2σ(t)∈Rn×s和Cσ(t)∈Rq×n是具有适当维数的已知常数矩阵。

ΔAσ(t)和ΔB1σ(t)分别是系统不确定性矩阵和输入不确定性矩阵。

是不匹配不确定性，Mσ(t)是适当维数的矩阵。

单位饱和函数sat(·)表示为sat(u)=[sat(u1)sat(u2)…sat(um)]T其中，ti表示满足0=t0<t1<…<ti<ti+1<…的切换时刻，切换信号σ(t)=σ(ti),t∈[ti,ti+1)。

控制系统设计的原理及应用1. 引言控制系统设计是现代工程领域中的重要课题，控制系统的良好设计能够有效地提高工程设备和过程的效率与性能。

本文将介绍控制系统设计的原理及其应用。

2. 控制系统设计原理控制系统设计的理论基础包括传统控制理论和现代控制理论两个方面。

2.1 传统控制理论传统控制理论是控制系统设计的基础，其中包括经典控制理论和现代控制理论。

经典控制理论主要包括比例-积分-微分（PID）控制器设计、根轨迹设计以及频域设计等方法。

PID控制器是一种常用的控制器，其通过比例、积分和微分的三个参数来调节系统的输出。

根轨迹设计则是通过对系统传递函数的根轨迹进行分析和调整来实现控制。

频域设计则是通过对系统的频域特性进行分析和调整，如波特图和尼奎斯特图等。

现代控制理论主要包括状态空间法和最优控制方法。

状态空间法是一种以状态变量为基础的控制系统设计方法，可以更加直观地描述系统的动态特性。

最优控制方法则是通过优化问题求解，寻找最佳的控制策略以实现系统的最优性能。

2.2 现代控制理论现代控制理论是在传统控制理论的基础上进一步发展的，其主要包括自适应控制、模糊控制和神经网络控制等方法。

自适应控制是一种能够根据系统状态和外部干扰进行参数调整的控制方法。

自适应控制器能够根据系统的实时数据，自动地调整控制参数，以适应系统变化。

模糊控制是通过使用模糊逻辑来描述系统的控制规则。

模糊控制器通过模糊化输入输出变量，以模糊集合和规则形式表达控制规则，从而实现对系统的控制。

神经网络控制是基于人工神经网络的控制方法。

神经网络具有并行处理和非线性建模的能力，可以通过学习和训练来实现对系统的控制。

3. 控制系统设计应用控制系统设计广泛应用于各个领域，以下列举几个典型的应用案例。

3.1 工业自动化控制工业自动化控制是控制系统设计的重要应用领域之一。

通过自动控制设备的运行，可以提高生产效率和质量稳定性。

在工业自动化控制中，控制系统设计的主要任务包括动态系统建模、控制器设计和系统优化。

执行器原理及应用执行器是将电能、气压、流体动力、机械传动等形式的能量转换为机械运动或其他控制效应的装置。

它广泛应用于自动化控制系统、机械系统以及工业生产中的各个环节中，是实现各种控制和调节的关键组件。

本文将详细介绍执行器的原理及应用。

一、执行器的原理执行器的原理基于能量的转换，通过输入一种能量形式，输出另一种能量形式，实现机械运动或其他控制效应。

下面将分别介绍几种主要的执行器原理：1.电动执行器：电动执行器是利用电能来驱动机械运动的装置。

它包括电动机、减速机和传动装置等。

其原理是通过电动机将电能转化为机械能，通过减速机和传动装置来调节输出的力和速度。

2.气动执行器：气动执行器是利用气压来驱动机械运动的装置。

它包括气缸、气控阀和气源等。

其原理是通过调节气压控制气缸的工作，实现机械运动。

3.液压执行器：液压执行器是利用液压动力来驱动机械运动的装置。

它包括液压缸、液控阀和液压泵等。

其原理是通过液压泵将液体压缩并提供给液压缸，通过液控阀控制压力和流量，实现机械运动。

4.机械执行器：机械执行器是通过机械传动来实现机械运动的装置。

它包括齿轮、链条、皮带和滚珠丝杠等。

其原理是通过机械传动将输入的动力传递给输出部分，实现运动或力的传递。

二、执行器的应用执行器在自动化控制系统、机械系统以及工业生产中的各个环节中得到广泛应用。

以下是几个常见的应用领域：1.工业自动化：在工业生产中，执行器被广泛应用于各种自动化设备和生产线中。

例如，在汽车生产线上，电动执行器用于控制汽车的组装、焊接和涂装等工序；气动执行器用于控制输送、搬运和装配等工序。

2.机械设备：在机械系统中，执行器被用于控制和操作各种机械设备。

例如，在数控机床中，液压执行器用于控制工作台和刀具的移动；机械执行器用于传递动力和运动。

3.智能家居：在智能家居系统中，执行器被用于控制和调节家庭中各种设备和设施。

例如，电动执行器用于控制窗帘的开合和卷帘门的运动；液压执行器用于控制家庭中的门锁和水管的开关。

执行器饱和受限约束下锅炉燃烧系统的鲁棒预测控制冯太合;陆子霖【摘要】针对执行器饱和受限锅炉燃烧系统,提出一种鲁棒预测控制方法.首先,建立燃烧过程的线性参数变化系统模型,将执行器饱和受限转变成凸包形式描述;进而,设计执行器饱和受限的鲁棒预测控制器;最后,以某电站300MW机组锅炉控制为实例,对所提出的方法进行验证.结果表明:该方法可以在满足执行器饱和受限约束的同时获得满意的性能.%In this paper,a robust predictive control was proposed for the power station boiler combustion system subjected to actuator saturation.Firstly,having a linear parameter varying(LPV)model for the combustion process built and having the actuator saturation transformed into polytopic uncertainties description;and then having robust predictive controller designed for the combustion system subjected to actuator saturation;finally,having the boiler control of a 300MW generating unit taken as an example to verify the proposed algorithm shows that,this robust predictive control method proposed can achieve control performance as required.【期刊名称】《化工自动化及仪表》【年(卷),期】2017(044)007【总页数】5页(P628-632)【关键词】执行器饱和;电站锅炉燃烧过程;线性参数变化系统;鲁棒预测控制【作者】冯太合;陆子霖【作者单位】华南理工大学自动化科学与工程学院;华南理工大学自动化科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH865执行器饱和是物理系统中一种常见的非线性现象，由于受到物理限制，控制器信号传输到执行器时被限定在特定的范围内。

饱和控制系统理论及应用研究的开题报告一、研究背景及意义控制系统理论是现代自动控制技术发展的基础，而饱和控制系统则是控制系统中一类特殊的非线性系统，其输入信号在达到一定值后无法继续增加，控制变量也会受到限制而不能进一步增加或减少。

饱和控制系统在工业生产、航天、军事等领域广泛应用，如温度控制、压力控制、角度控制、速度控制等等。

饱和控制系统的研究对于提高系统的控制精度、减小系统误差、提高系统稳定性具有重要意义。

目前，国内外的学者们已经对饱和控制系统理论及其应用展开了广泛的研究，但饱和控制系统的非线性特性、复杂度和可控性等问题仍然是当前研究的重点和难点。

因此，本研究着眼于饱和控制系统的理论和应用，旨在深入探究其特点、建立相应的数学模型，利用现代控制理论和方法对其进行分析和控制，以实现对饱和控制系统的有效控制和优化设计。

二、研究内容和方法本研究主要围绕饱和控制系统的理论和应用展开，研究内容具体包括：1.饱和控制系统的特点、数学模型和性能评估通过对饱和控制系统的特点和数学模型进行建立和分析，研究其稳态和动态行为、控制性能和鲁棒性等指标，为后期的控制设计提供理论基础和支撑。

2.控制器设计与优化基于模型预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等现代控制方法，设计和优化饱和控制系统的控制器，实现对系统的精确控制和优化设计。

3.仿真与实验验证采用Simulink、MATLAB/Simulink等仿真软件对饱和控制系统进行模拟仿真，验证所提出的控制策略的有效性和性能，同时进行实验验证，更加直观地展现所提出的控制策略的实际效果。

研究方法主要包括文献调研、理论分析、数学建模、仿真实验等。

三、预期成果本研究的预期成果主要包括：1.饱和控制系统的特点和数学模型的建立和分析，为后期的控制设计提供理论基础和支撑。

2.基于现代控制方法的饱和控制系统的控制器设计和优化，实现对系统的精确控制和优化设计。

3.通过仿真实验和实际应用验证所提出的控制策略的有效性和性能，为实际工程应用提供参考。

控制理论与智能控制技术的研究与应用一、控制理论的概述控制理论是指在系统工程、信息工程、自动化等领域中所使用的一系列数学模型、算法和方法。

其主要目的是对于系统进行控制、调节和优化，以实现最优的控制效果。

同时，控制理论具有非常广泛的应用范围，可以用于各种各样的机器人、智能系统、制造业系统等等。

二、控制理论的分类1.经典控制理论经典控制理论主要源于20世纪初期提出的PID控制器，贯穿了整个20世纪，可以说是工业现场优化控制中使用最广泛的一种方法。

其主要理论基础是反馈原理、系统稳定性理论、系统性能分析等。

2.现代控制理论现代控制理论则是针对复杂高精度控制系统而提出的，主要包括了最优控制、自适应控制、鲁棒控制、非线性控制等多个分支领域。

三、智能控制技术的概述智能控制技术是指应用于现代控制工程中的一系列人工智能方法和技术。

这些技术主要应用于在不确定和动态环境下的控制系统，可以帮助控制系统获取、处理和应对大量的复杂数据。

四、智能控制技术的分类1.模糊控制技术模糊控制技术是一种基于模糊逻辑的智能控制方法。

该方法将人类的经验和直观用数学语言描述，实现控制系统的智能控制和自适应控制。

2.神经网络控制技术神经网络控制技术是一种通过模拟神经网络的形式，对于动态系统进行建模、仿真和控制的技术。

其主要优势是对于非线性系统的建模和控制具有非常良好的效果。

3.遗传算法控制技术遗传算法控制技术是一种基于生物学遗传学演化理论的智能控制技术。

通过构建参数模型和目标函数，不断地进行遗传操作，最终得出系统最优控制策略。

五、智能控制技术的应用1.工业控制应用在工业生产中，智能控制技术已经得到广泛的应用。

比如在自动化机器人、生产线等场景中，智能控制技术可以帮助实现更高效率、更高精度和更安全的控制效果。

2.智能家居应用智能家居是一种通过智能软件和硬件设备，集中控制房屋内部电器设备、环境设备、安全设备等等的系统。

在智能家居场景下，智能控制技术可以实现精确的温度、湿度等环境控制，以及安全控制等功能。

执行器饱和的非线性时滞系统控制问题作者：许可心来源：《数字技术与应用》2019年第02期摘要：本文主要研究带有执行器饱和的非线性时滞系统控制问题。

首先，采用状态反馈和辅助时滞反馈的凸组合处理系统中的饱和项，其次，基于Lyapunov稳定性理论，利用自由权矩阵、积分不等式等方法，给出了系统渐近稳定的充分条件，并给出状态反馈控制器的设计方案。

关键词：连续系统;稳定性;执行器饱和;线性矩阵不等式中图分类号：O175.13 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0212-030 引言执行器饱和广泛存在于实际控制系统中，它会降低闭环系统的性能，造成严重的后果，近年来，执行器饱和控制问题得到学者们越来越多的关注[1-2]。

处理饱和项的常用方法中，Hu 等[3]提出的凸组合法主要是通过引入一个辅助矩阵H，将集合不变性条件转化成线性矩阵不等式，大大降低了保守性。

2002年，Cao[4]将[3]中的集合不变性条件推广到状态带有时滞的连续系统中，分别用时滞无关和时滞相关方法给出不变性条件。

Song[5]对带有执行器饱和连续时滞系统的量化反馈稳定性进行了研究，建立了时滞无关和时滞相关的条件。

在Zhou[6]的多面体方法基础上，Chen等[7]首次将饱和项表示为状态反馈和辅助时滞反馈的凸组合，对L-K 泛函下界进行精确估计。

但是上述文献均未考虑带有非线性扰动时系统的情况。

因此，本文考虑具有执行器饱和的非线性时滞系统，结合Lyapunov-Krasovskii泛函、自由权矩阵、积分不等式等得到系统渐近稳定的充分条件，并转化为线性矩阵不等式。

1 问题描述考虑系统：（1）其中是状态向量;是控制输入向量;为时滞常数;为适当维数的实矩阵;表示饱和非线性函数，定义如下：，其中;为非线性扰动，满足如下范数条件：，其中。

本文设计如下反馈控制器：（2）其中为反馈增益矩阵。

根据[7]中的引理1，对于满足的向量以及，则饱和项表示为，其中，且。

控制理论及其在控制系统设计中的应用控制理论是一门研究控制系统的方式和方法的学科，其主要研究对象是各种动态系统。

在现代工业制造、交通、能源、环保和通信等领域，控制理论具有重要的应用价值。

本文将探讨控制理论及其在控制系统设计中的应用。

一、控制理论的基本概念控制理论是研究控制系统的一门学科，其中包含了一系列基本概念。

例如，控制系统是一个由元件、设备或子系统组成的系统，它可以支持自动或手动操作，意在实现对目标对象(如温度、压力、速度等)的控制和调节。

此外，控制系统也包括控制器、执行器和传感器等、组成的信号链。

这些信号链将一个反馈机制形成一个封闭的控制循环，以不断调节控制对象。

二、控制理论的主要内容控制理论的主要内容包括传递函数、时域响应和频域响应三部分，其中传递函数是控制理论的核心。

传递函数是指输入和输出之间的关系，用数学公式表示，可以描述控制对象对控制信号的响应。

时域响应和频域响应分别描述系统对时间域和频域信号的响应特性。

它们是控制系统设计中常用的分析和优化工具。

三、控制系统设计的基本步骤控制系统的设计基本步骤通常包括: 1)建立控制系统模型；2)设计控制器；3)评估控制器性能及优化；4)建立仿真模型以评估控制系统响应；5)在控制系统中实现控制器。

1)建立控制系统模型：控制系统模型可以通过系统的动态方程或传递函数等方式建立。

通过分析控制对象和转换器等元件的特性，可以建立一个简单的控制系统模型，以便进行进一步的分析和设计。

2)设计控制器：控制器是控制系统的核心部分，也称为控制器。

常见的控制器类型包括比例控制(P)、比例积分控制(PI)、比例积分微分控制(PID)、模糊控制和神经网络控制等。

选择适当的控制器类型和参数，以实现所需的控制精度和响应速度，是控制系统设计过程中的一项重要任务。

3)评估控制器性能及优化：在控制系统中实现控制器之前，需要进行优化和性能评估。

为此，可以使用频域或时域方法，如根轨迹、频率响应和阻尼比等方法，来分析控制器的性能，并进行参数调整，以满足控制要求。