鲁棒控制理论第四章

Classified Index: TP273U.D.C: 681.513.3Thesis for the Master Degree in EngineeringRESEARCHES ON ROBUST CONTROL AND APPLICATION OF NON-MINIMUM PHASESYSTEMSWenjun Candidate: Fan Supervisor: Associate Prof. Ma JieAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpeciality: Control Science and Engineering Affiliation: Control and Simulation CenterDate of Defence: June, 2009Degree Conferring Institution: Harbin Institute of Technology摘 要本文以磁悬浮球和一级倒立摆两个典型的非最小相位系统为研究对象，对只有一个不稳定极点的非最小相位系统采用混合灵敏度设计，对同时具有不稳定零、极点的非最小相位系统采用复合控制，并分别在磁悬浮球系统和一级倒立摆系统中实现。

首先，分别建立磁悬浮球系统和一级倒立摆系统的数学模型，并将非线性模型线性化，分别分析系统的能控性以及系统中包含的不确定性因素。

其次，研究了灵敏度设计中的鲁棒性、加权函数选择原则、优化指标等问题，针对只有不稳定极点的磁悬浮球系统，先运用PV控制将其稳定，测试系统对象特性，得到名义对象和不确定性界后再运用混合灵敏度设计，通过转化成H∞标准问题求解控制器。

然后，针对同时具有不稳定零、极点的非最小相位系统，研究输出反馈鲁棒性设计的极限，并采用复合控制方案，以倒立摆系统为例，先用经典控制稳定摆角回路，再对位置回路进行H∞输出反馈控制设计。

非线性混沌动力系统的鲁棒性分析第一章：引言随着科学技术的不断进步，非线性动力系统成为重要的研究领域之一。

非线性动力系统在物理、化学、生物、经济等不同领域中都有广泛的应用和研究，在工程技术中也有着重要的地位。

混沌现象作为非线性动力系统中的特殊现象，更是吸引了许多学者的关注。

然而，非线性混沌动力系统中存在着许多不确定性和扰动，这些都会对系统的稳定性和可控性造成影响。

因此，深入研究非线性混沌动力系统的鲁棒性分析具有重要的理论和实际意义。

第二章：非线性混沌动力系统的基本概念2.1 非线性动力系统非线性动力系统是指系统中存在着非线性关系，在系统中存在着各种因素的相互作用和相互影响，导致系统的运动规律具有不可预测性和复杂性。

2.2 混沌现象混沌现象是指系统运动的非周期性和无序性，系统的初始条件稍有变动，都会导致系统的演化结果截然不同。

2.3 鲁棒性鲁棒性是指系统在面临外界干扰或者不确定性的情况下，能够保持稳定的性质。

非线性混沌动力系统的鲁棒性分析是针对系统中存在的各种不确定性和干扰，研究系统的稳定性和可控性。

第三章：非线性混沌动力系统的鲁棒性分析方法3.1 鲁棒控制方法鲁棒控制方法是指在系统受到外界扰动和不确定性时，通过控制系统的状态变量来保证系统的稳定性和可控性。

鲁棒控制方法在非线性混沌动力系统中具有广泛的应用，常用的方法包括自适应控制、反馈线性化控制、滑模控制等。

3.2 鲁棒分析方法鲁棒分析方法是指在非线性混沌动力系统受到外界扰动和不确定性时，通过对系统的鲁棒性进行分析，来研究系统的稳定性和可控性。

鲁棒分析方法主要包括基于Lyapunov稳定性理论的方法、基于能量函数的方法等。

第四章：非线性混沌动力系统的鲁棒性分析案例研究4.1 Van der Pol混沌电路的鲁棒性分析Van der Pol混沌电路是一种广泛应用于电子电路的非线性混沌系统，具有较高的实际意义。

在该混沌电路中应用反馈线性化控制方法进行鲁棒性分析，通过对系统的状态变量进行控制，使系统在外界扰动和不确定性的情况下保持稳定。

第一章概述§1.1 不确定系统和鲁棒控制(Uncertain System and Robust Control)1.1.1 名义系统和实际系统（nominal system）控制系统设计过程中，常常要先获得被控制对象的数学模型。

在建立数学模型的过程中，往往要忽略许多因素：比如对同步轨道卫星的姿态进行控制时不考虑轨道运动的影响，对一个振动系统的控制过程中，不考虑高阶模态的影响，等等。

这样处理后得到的数学模型仍嫌太复杂，于是要经过降阶处理，有时还要把非线性环节进行线性化处理，时变参数进行定常化处理，最后得到一个适合控制系统设计使用的数学模型。

经过以上处理后得到的数学模型已经不能完全描述原来的物理系统，而仅仅是原系统的一种近似，因此称这样的数学模型为“名义系统”，而称真实的物理系统为“实际系统”，而名义系统与实际系统的差别称为模型误差。

1.1.2不确定性和摄动（Uncertainty and Perturbation）如立足于名义系统，可认为名义系统经摄动后，变成实际系统，这时模型误差可视为对名义系统的摄动。

如果立足于实际系统，那么可视实际系统由两部分组成：即已知的模型和未知的模型（模型误差），如果模型的未知部分并非完全不知道，而是不确切地知道，比如只知道某种形式的界限（如：范数或模界限等），则称这部分模型为实际模型的不确定部分，也说实际系统中存在着不确定性，称含有不确定部分的系统为不确定系统。

模型不确定性包括：参数、结构及干扰不确定性等。

1.1.3 不确定系统的控制经典的控制系统设计方法要求有一个确定的数学模型（可能是常规的，也可能是统计的）。

以往，由于对一般的控制系统要求不太高，所以系统中普遍存在的不确定性问题往往被忽略。

事实上，对许多要求不高的系统，在名义系统的基础上进行分析与设计已经能够满足工程要求，而对一些精度和可靠性要求较高的系统，也只是在名义系统基础上进行分析和设计，然后考虑模型的误差，用仿真的方法来检验实际系统的性能（如稳定性、暂态性能等）。

鲁棒控制理论基础章1. 引言鲁棒控制是指当系统受到外界干扰时，仍能保持一定稳定性的控制方法。

鲁棒控制方法的出现，是为了解决传统控制方法在系统故障和外界干扰下容易失效的问题。

鲁棒控制理论也因此应运而生。

本章将介绍鲁棒控制理论的基础知识，包括鲁棒性概念、鲁棒控制设计指标及鲁棒控制设计方法。

2. 鲁棒性概念2.1 鲁棒性定义鲁棒性是指控制系统能够在一定程度上抵抗外界干扰、模型不确定性和参数扰动等不利因素的性能。

在控制系统中，外部干扰是不可避免的，特别是在现代控制领域中，系统模型和控制器参数的不确定性也是普遍存在的。

因此，了解和掌握鲁棒性理论对于控制系统稳定性的提高和鲁棒性能的设计至关重要。

2.2 鲁棒性评价指标鲁棒性评价指标通常采用灵敏度函数和鲁棒稳定裕度等指标来评估系统的鲁棒性能。

其中，灵敏度函数是指系统输出间的变化与系统输入间的变化之间的关系，鲁棒稳定裕度则是指系统在一定范围内满足稳定性要求的能力。

2.3 鲁棒性的分类鲁棒性可分为参数鲁棒性和结构鲁棒性两种。

参数鲁棒性是指系统在参数变化时对系统鲁棒性的影响，即当有一个扰动作用到系统参数上时，系统是否能够维持一定的稳定性。

结构鲁棒性是指系统在模型不精确或者模型存在未知扰动时，仍能够保证鲁棒稳定性。

3. 鲁棒控制设计指标3.1 灵敏度函数在鲁棒控制设计中，灵敏度函数是一个重要的工具，其可以用来评估系统的稳定性。

针对灵敏度函数，可以设计出控制器，通过控制器来提高系统的稳定性。

3.2 鲁棒稳定裕度鲁棒稳定裕度是衡量鲁棒控制系统对于系统变化的一种指标。

通过定义不同的鲁棒稳定裕度，可以使得鲁棒控制系统更加健壮。

3.3 状态观测器状态观测器可以更加准确地预估系统的状态，提供更加精确的控制信号。

在鲁棒控制系统中，设计一个稳健的状态观测器可以提高系统的稳定性。

4. 鲁棒控制设计方法4.1 H∞控制H∞控制是一种经典的鲁棒控制方法，其通过最小化灵敏度函数，使得系统具有一定稳定性。

自动控制系统中的鲁棒性与容错控制方法研究第一章导论1.1 研究背景自动控制系统在工业和科学领域中扮演着重要角色。

然而，由于外界环境的不确定性和内部脆弱性，控制系统常常面临鲁棒性和容错控制方面的挑战。

为了解决这些问题，研究人员提出了许多鲁棒控制和容错控制的方法。

1.2 研究目的本文的目的是研究自动控制系统中的鲁棒性和容错控制方法，探讨其在提高系统鲁棒性和容错性能方面的应用。

第二章鲁棒控制方法2.1 鲁棒控制简介鲁棒控制是一种能够在系统参数变化或外界扰动的情况下保持系统稳定性和性能的控制方法。

常见的鲁棒控制方法包括PID控制、模糊控制和自适应控制等。

2.2 基于PID的鲁棒控制方法PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个项来调节控制器的输出。

鲁棒PID控制在传统PID控制的基础上引入了鲁棒性设计，具有较好的鲁棒性能。

2.3 基于模糊逻辑的鲁棒控制方法模糊控制是一种基于模糊逻辑推理的控制方法，它可以处理非线性和模糊系统。

基于模糊逻辑的鲁棒控制方法通过设计模糊控制器来提高系统的鲁棒性能。

2.4 基于自适应控制的鲁棒控制方法自适应控制是一种能够自动调节控制器参数以适应系统变化的控制方法。

基于自适应控制的鲁棒控制方法可以实时调整控制器参数，提高系统鲁棒性。

第三章容错控制方法3.1 容错控制简介容错控制是指在控制系统出现故障或错误时，通过系统设计或算法控制，使得系统仍能保持一定的性能和稳定性。

3.2 冗余设计冗余设计是常用的容错控制方法之一，通过增加冗余元件或模块来提高系统的容错性。

例如，在电力系统中增加备用电源，当主电源故障时可切换到备用电源。

3.3 容错控制器设计容错控制器设计是一种针对故障进行系统建模和控制器设计的方法。

通过故障检测和系统重构，容错控制器可以在故障发生时自动切换到备用控制器，保证系统的稳定性和性能。

第四章鲁棒性与容错控制方法的应用4.1 工业自动化系统中的应用鲁棒性和容错控制方法在工业自动化系统中具有广泛的应用。

鲁棒控制理论与方法鲁棒控制是现代控制理论中的一个重要分支，它致力于设计出对系统参数变化、外部扰动和建模误差具有鲁棒性的控制器，以保证系统在不确定性环境下的稳定性和性能。

本文将介绍鲁棒控制的基本理论和常用方法，以及其在工业控制、机器人控制等领域中的应用。

一、鲁棒控制基础理论鲁棒性是指控制系统对不确定性的一种抵抗能力，它可以通过针对系统模型的不确定性建立数学模型，以保证系统稳定性和性能。

鲁棒控制的基础理论包括：1. H∞ 控制理论：H∞ 控制是一种用于处理线性时不变系统鲁棒控制问题的数学工具。

该方法通过定义一个性能指标，以最小化系统输出的最坏情况下的波动来设计控制器。

2. μ合成控制理论：μ合成是一种基于描述函数的鲁棒控制方法，它将系统不确定性建模为复杂函数，并通过求解非线性最优化问题来设计控制器。

3. 鲁棒控制的小参数理论：该理论主要研究在参数扰动很小时，系统性能的鲁棒稳定性和鲁棒性问题。

二、常用的鲁棒控制方法鲁棒控制方法多种多样，下面列举几种常用的方法：1. H∞ 控制方法：H∞ 控制方法通过在系统输出和控制器输入之间引入鲁棒性加权函数来设计鲁棒控制器。

该方法适用于线性时不变系统和线性时变系统。

2. μ合成控制方法：μ合成控制方法通过优化复杂描述函数来设计鲁棒控制器。

该方法适用于线性和非线性系统，并且具有较强的泛化能力。

3. 自适应控制方法：自适应控制方法将未知参数作为反馈调整的对象，通过在线估计参数的方式设计鲁棒控制器。

该方法适用于需要适应不确定性参数的系统。

4. 鲁棒滑模控制方法：鲁棒滑模控制方法通过引入滑模面的概念，以实现对系统模型误差和扰动的高度鲁棒性。

该方法适用于非线性和时变系统。

三、鲁棒控制在工业与机器人控制中的应用鲁棒控制在工业控制和机器人控制领域具有广泛的应用，以下列举几个实际应用案例：1. 工业过程控制：鲁棒控制可以用于工业过程中对温度、压力、流量等参数的控制。

通过对系统模型的不确定性建模和鲁棒控制器的设计，可以保证工业过程的稳定性和性能。

第四章多变量反馈系统的性能和鲁棒性Performance and Robustness of Multivariable Feedback Systems 本章内容：∙主增益principal gains (奇异值singular values)∙系统性能的评估assessing performance∙特征轨迹characteristic loci∙算子范数operator norms∙利用算子范数说明性能∙不确定的表示representations of uncertainty∙稳定性鲁棒stability robustness∙性能鲁棒performance robustness4.1 Introduction使用反馈的目的：减少不确定性的影响；镇定不稳定系统。

不确定性：环境的扰动和噪声(disturbance and noise)；系统本身的行为变化的不可预知(unpredictable ways)。

系统的性能：输出跟踪参考输入的能力系统的鲁棒性：在外部扰动下系统回复原状的能力4.2 主增益Principal gains (singular values)在SISO系统中：稳定裕度(stability margins)和暂态响应(transient response)可以由开环频率特性确定(增益特性gain characteristic)。

MIMO 系统：增益不唯一，即 ()()G s u s 依赖于()u s 的方向(解释)。

因此，研究的思路：从SISO 系统单一的增益到MIMO 系统限制增益的范围，即使用矩阵范数限制比值：1()()()(), ()()G s y s G s u s u s y s - 定义从向量的范数到诱导的矩阵范数x = ――欧氏范数(Euclidean vector norm)0()supx Gx G s x ≠= ――诱导的矩阵范数s G σ= ――Hilbert 范数或谱范数(spectral norm)G 的奇异值(singular values): H G G 或H GG 的正特征值的平方根 ()G s 的主增益(principal gains): ()G j ω的奇异值 一般假设：120m σσσσσ=≥≥≥=> 称, σσ为最大，最小主增益， (())()s G j G j σωω= 注意(())G j σω与频率相关，与2G ，G ∞不同。