控制输入约束下非线性系统输出反馈容错控制

武汉理工大学研究生课程论文课程名称：现代控制工程学生姓名：宋*课程教师：谭耀刚学号：************日期：2010年1月状态反馈控制的主要特性及发展姓名：宋雄班级：机电1004班学号：104972101293 摘要：状态反馈是指系统的状态变量通过比例环节传送到输入端去的反馈方式。

状态反馈是体现现代控制理论特色的一种控制方式。

状态变量能够全面地反映系统的内部特性，因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能。

但是状态变量往往不能从系统外部直接测量得到，这就使得状态反馈的技术实现往往比输出反馈复杂。

本文首先介绍了状态反馈控制系统的主要特性——可控性和可观性，并且对这两种性能进行了举例说明；还介绍了引入状态反馈对系统的可控性和可观性的影响；另外也说明了如何利用状态反馈来任意配置极点。

其次，本文主要介绍的是状态反馈控制的发展，有容错控制，带全维状态观测器的状态反馈系统，这两种都是对可控性和可观性的深入的发掘和拓展。

关键词：状态反馈可控性和可观性极点配置全维状态观测器容错控制引言随着科技的不断发展，在硬件方面的发展逐步走向饱和，或者很难得到进步和延伸。

但是软件方面的发展却逐步地得到社会的重视。

一套好的设备，唯有配备合适的软件才能将它的功效尽可能大的释放出来。

对于机械方面而言，软件就是指其控制系统。

系统的状态变量通过比例环节传送到输入端去的反馈方式。

状态反馈是体现现代控制理论特色的一种控制方式。

状态变量能够全面地反映系统的内部特性，因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能。

但是状态变量往往不能从系统外部直接测量得到，这就使得状态反馈的技术实现往往比输出反馈复杂。

状态反馈也不影响系统的能控性，但可能改变系统的能观测性。

只要原系统是能控的，则一定可以通过适当选取反馈增益矩阵K用状态反馈来任意移置闭环系统的极点(见极点配置)。

对于传统的输出反馈,如果不引入附加的补偿装置，这一点不是总能作到的。

反馈控制的基本原理1.引言1.1 概述概述反馈控制是现代控制理论中的一个重要概念，它在各个领域都有广泛的应用。

从最简单的家用电器到复杂的工业自动化系统，都离不开反馈控制的支持。

反馈控制通过采集被控对象的输出信息，并将其与期望的输出进行比较，然后作出相应调整，以实现所需的控制目标。

在日常生活中，我们也常常使用反馈控制的原理。

比如，当我们开车时，会根据速度表上的速度和路况的变化，来调整油门和刹车的力度，以保持车辆稳定行驶。

这就是一个简单的反馈控制系统，由车速作为输入，驱动力作为输出。

反馈控制系统由被控对象、传感器、执行器和控制器等几个基本组成部分构成。

被控对象是系统中需要被控制的实际物理过程或设备，例如温度、速度、位置等。

传感器用于检测被控对象的状态或输出信息，并将其转化为电信号。

执行器根据控制信号进行相应的动作，改变被控对象的状态。

控制器是反馈控制系统的核心部分，它根据传感器反馈的信息和期望的输出信息之间的差异，计算出控制信号，使被控对象的输出逼近期望的输出。

反馈控制的基本原理是通过对被控对象的状态进行监测，并根据监测到的信息进行调整，使被控对象的输出接近期望的输出。

在控制过程中，控制器会不断地与被控对象进行交互，并进行参数调整，以实现系统的稳定性和性能要求。

通过不断地反馈和调整，反馈控制系统可以对被控对象的状态进行精确控制，从而实现预定的控制目标。

本文将详细介绍反馈控制的概念、基本组成和基本原理。

同时，还将讨论反馈控制在各个领域的实际应用，以及展望反馈控制的未来发展。

反馈控制是现代控制理论中的基础概念之一，对于提高系统的稳定性、精确性和鲁棒性具有重要意义。

深入了解反馈控制的基本原理，有助于我们更好地理解和应用控制技术，推动科技的发展和进步。

1.2 文章结构本文主要围绕反馈控制的基本原理展开讨论。

文章由引言、正文和结论三个部分构成。

在引言部分，我将对整篇文章进行概述，介绍反馈控制的基本概念以及文章的目的。

简述自动控制系统基本控制方式。

自动控制系统是一种使用一定的处理能力和控制手段，实现对实现输入状态与输出状态的调节和控制的系统。

自动控制系统有许多基本的控制方式，如定点控制、反馈控制、比例控制、积分控制、微分控制以及模糊控制等。

定点控制主要实现输出与设定值的追踪，通常采用比较控制的方式，利用反馈控制循环调整输出，以达到目标值的精确追踪。

反馈控制是指利用系统的反馈信号对输出进行闭环控制，以达到保持系统输出稳定的目的。

比例控制是基于反馈控制的基础上，根据反馈信号的增量，按照一定的比例参数，调节输出量，以达到输出稳定的目的。

积分控制是基于反馈控制的基础上，以输出稳定为前提，系统利用积分运算，改变输出，以达到定点控制的目的。

微分控制是基于反馈控制的基础，以达到输出稳定为前提，利用反馈信号的微分，改变输出，以达到相应变化的快慢为目标。

模糊控制是一种特殊的控制方式，它利用人类经验积累的模糊知识，建立模糊控制规则，使自动控制系统以和人类大致相同的控制方式进行处理，同时也可以提高控制系统的容错能力。

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容错与冗余技术容错控制的研究虽然面临着空前的挑战，但近些年来，相关研究领域，如鲁棒控制理论，模糊控制，神经网络控制研究的不断深入和发展，也给容错控制的研究带来了良好的机遇，提供了充分的条件。

而计算机控制技术、人工智能等技术的飞速发展，使得容错控制技术在实际工程中应用的可能性变得越来越大。

1.1 容错概念的提出提高系统的可靠性一般有两种办法：1、采用缜密的设计和质量控制方法来尽量减少故障出现的概率。

2、以冗余资源为代价来换取可靠性。

利用前一种方法来提高系统的可靠性是有限的，要想进一步的提高必须采用容错技术。

容错控制技术在国外发展的比较早，是由冯·诺依曼提出的。

随着八十年代微型计算机的迅速发展和广泛应用，容错技术也得到了飞速的发展，容错技术被应用到各个环境中。

我国的容错技术现在发展的也很迅速，一些重要的工作场合如航天、电厂等现在都采用了容错技术。

所谓容错：就是容许错误，是指设备的一个或多个关键部分法生故障时，能够自动地进行检测与诊断，并采取相应措施，保证设备维持其规定功能，或牺牲性能来保证设备在可接受范围内继续工作。

错误一般分为两类：第一类是先天性的固有错，如元器件生产过程中造成的错、线路与程序在设计过程中产生的错。

这一类的错误需对其拆除、更换或修正，是不能容忍的。

第二类的错后天性的错，它是由于设备在运行中产生了缺陷所导致的故障。

这种故障有瞬时性、间歇性和永久性的区别。

容错技术是提高系统可靠性的重要途径。

常采用的容错方法有硬件容错、软件容错、信息容错和时间容错。

1.1.1 智能容错的定义智能容错IFT(Intelligent Fault-Tolerance)：就是设备在运行过程中一个或多个关键部件发生故障或即将发生故障之前，利用人工智能理论和方法，通过采取有效措施，对故障自动进行补偿、抑制、消除、修复，以保证设备继续安全、高效、可靠运行，或以牺牲性能损失为代价，保证设备在规定的时间内完成其预定功能。

1、智能控制技术智能控制（intelligent controls）在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。

控制理论发展至今已有100多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。

智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。

20世纪80年代以来，信息技术、计算技术的快速发展及其他相关学科的发展和相互渗透，也推动了控制科学与工程研究的不断深入，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。

发展智能控制器是以自动控制技术和计算机技术为核心，集成微电子技术、电力电子技术、信息传感技术、显示与界面技术、通讯技术、电磁兼容技术等诸多技术而形成的高科技产品。

作为核心和关键部件，智能控制器内置于设备、装置或系统之中，扮演“神经中枢”及“大脑”的角色。

20世纪90年代中期之后，智能控制器行业日益成熟，作为一个独立的行业，其发展受到了双重动力的驱动，其一是市场驱动，市场需求的增长和市场应用领域的持续扩大，致使智能控制器至今已经在工业、农业、家用、军事等几乎所有领域得到了广泛应用;其二是技术驱动，随着相关技术领域的日新月异，智能控制器行业作为一个高科技行业得到了飞速发展。

根据《2013-2017年中国智能控制器行业发展前景与投资预测分析报告》[1]统计，2012年全球智能控制器行业市场规模接近6800亿美元。

从地域分布上看，欧洲和北美市场是智能控制产品的两大主要市场，市场规模占全球智能控制市场的56%，主要是由于这两大区域在小型生活电器、汽车、大型生活电器、电动工具等领域的市场发展比较成熟，产品普及率高，未来几年内欧洲和北美将继续占有主要市场地位。

智能控制产品在中国等发展中国家的应用仍处于初级阶段，现阶段市场规模不大，但是增长速度较高，拥有巨大的发展空间。

据前瞻网统计，目前我国智能控制器行业规模为4200亿元，2004年以来的年均增长率接近19%。

《执行器饱和下容错控制与抗干扰控制的同步设计》一、引言在现代自动化控制系统中，执行器是关键环节之一，其性能直接关系到整个系统的稳定性和可靠性。

然而，在实际应用中，执行器常常面临饱和、容错控制与抗干扰控制等问题。

这些问题不仅会降低系统的性能，还可能对系统造成严重的影响。

因此，对执行器饱和下容错控制与抗干扰控制的同步设计进行研究具有重要意义。

本文旨在探讨如何有效地进行这一同步设计，以实现系统的高效、稳定和可靠运行。

二、执行器饱和问题的概述执行器饱和是一种常见的现象，主要是由于执行器的物理限制导致的。

当系统中的输入信号超过执行器的最大输出范围时，执行器将进入饱和状态，导致系统性能下降甚至出现失控的情况。

为了解决这一问题，需要采用有效的容错控制策略来提高系统的稳定性。

三、容错控制策略的介绍容错控制策略是针对执行器饱和问题的一种有效解决方案。

通过引入容错控制器，可以实时监测执行器的状态，并在其进入饱和状态时采取相应的措施来降低系统误差和提高系统的鲁棒性。

在实际应用中，常用的容错控制策略包括故障诊断与隔离、备份控制、反馈线性化等。

四、抗干扰控制策略的引入除了执行器饱和问题外，系统还可能受到来自外部环境的干扰，如噪声、扰动等。

为了应对这些干扰，需要采用抗干扰控制策略来降低系统误差和增强系统的稳定性。

抗干扰控制策略主要包括滤波、前馈补偿、自适应控制等。

这些策略可以通过优化系统结构或改进算法来提高系统的抗干扰能力。

五、同步设计的实现在执行器饱和下进行容错控制与抗干扰控制的同步设计，需要考虑系统的整体性能和稳定性。

具体实现过程包括：首先，分析系统的动态特性和环境干扰情况，确定容错控制和抗干扰控制的策略和参数；其次，设计合适的控制器结构，将容错控制和抗干扰控制有机地结合起来；最后，通过仿真和实验验证设计的有效性。

在同步设计中，需要充分考虑执行器饱和的特性和系统的鲁棒性要求。

具体而言，可以采取以下措施：1. 在设计控制器时，采用多目标优化的方法，同时考虑容错控制和抗干扰控制的性能指标；2. 通过引入饱和限制函数或采用其他方法来解决执行器饱和问题；3. 优化算法和控制器结构，以提高系统的响应速度和稳定性；4. 定期对系统进行测试和评估，以确保其满足实际需求和性能要求。