率相关型迟滞非线性系统的参考补偿与鲁棒跟踪控制研究

Nowadays, the smart materials and structure are wide used in the fields of aerospace, biomedical et.al. Because of the hysteresis nonlinearities in nature, their functional properties are limited in the applications. This project will investigate the problem of reference-observer-based robust control for a class of smart materials and structure nonlinear systems with rate-dependent hysteresis. For a class of rate-dependent hysteresis nonlinearities, the minimum bound of the hysteresis saturation will be found based on the characteristics of nonlinearities. Then, with the limitation of the minimum bound, the hysteresis can be decomposed according to reference model. Next, under such decomposition, hysteresis will be compensated by an integrator compensator. For minimum phase plants, a new kind of state observes with internal reference model will be developed, called “reference observer”, according to the tracking performance requirements. Then, a simple feedback control structure will be established combined with the reference observer. A method of designing of reference observer will be developed. For an uncertain plant with hysteresis nonlinearities, the equivalent disturbance will involve uncertainties of the plant. Under the same control structure with reference observer, robustness stability condition will be investigated. Then, the robust reference observer design problem will be considered to meet the limitation of hysteresis saturation. Finally, the validity of the proposed method will be demonstrated through simulations and inverted pendulum control system driven by hysteresis device. The objective of this project is to develop a simple and effective design method for a class of nonlinear systems with rate-dependent hysteresis. This project will be significant in both theory and application, which will greatly promote the development in the fielded of nonlinear control and super precise tracking control for smart materials and structure.

目前，智能材料与结构在航空航天、生物医学等高新科技领域应用广泛，由于受到自身迟滞非线性的影响，制约了功能特性的发挥。针对智能材料与结构在工程应用中存在的迟滞非线性问题，本项目研究一种率相关型迟滞非线性系统的鲁棒控制方法。通过分析率相关型迟滞饱和输出的最小界，建立基于“最小界参考分解”的积分型迟滞补偿方法；根据系统跟踪性能要求，建立一类含有参考模型的状态观测器（即：参考观测器），提出基于参考观测器的控制结构和设计方法；在基于参考观测器的控制结构下，考虑不确定系统的等效扰动特性与迟滞饱和输出约束，研究系统的鲁棒稳定性条件，提出率相关型迟滞非线性系统的鲁棒跟踪控制设计方法；通过计算机仿真和具有迟滞驱动特性的倒立摆系统实验，探讨所提方法的实际应用。通过本项目研究，将建立一种简单、实用的率相关型迟滞非线性系统鲁棒控制方法，能够促进非线性控制理论发展，在智能材料及结构的工程应用上具有重要价值。

智能材料驱动器在微位移平台等高精度控制系统中具有重要作用，常常是医学、精密仪器、光学信息等设备的实现其性能的重要技术手段。工程上大多数智能材料及结构的迟滞现象都表现出率相关性。这种复杂动态非线性现象，难以建立精确的数学模型，在实际应用中，它常常会使控制系统的驱动单元响应延迟，降低系统的控制精度，严重时还会破坏系统稳定性。因此，如何减小甚至消除智能材料及结构的迟滞现象对系统的影响，是智能材料及结构工程应用领域中的一个共性问题，这也是控制理论中需要解决一类新问题。.本项目针对一类率相关型迟滞非线性系统，提出一种基于扰动抑制的参考补偿与鲁棒跟踪控制方法。在迟滞非线性建模与辨识、等效扰动估计与先进抗扰控制，以及高精度迟滞系统跟踪控制实验三个方面开展工作，形成了一套迟滞非线性系统建模、辨识和高精度跟踪控制的方法。针对超磁致伸缩驱动器，结合磁畴理论分析磁滞伸缩机理，提出一类非对称PI模型及辨识方法，同时提出了一种三步DTZD算法，用于求解非线性方程组；在测量噪声条件下，基于扩张状态观测器理论，提出了Bouc-Wen迟滞非线性系统的辨识方法，有效解决了非线性参数与线性参数耦合的问题，该方法还适用于线性系统的不规则采样条件下的模型辨识。在获得辨识模型的基础上，基于自抗扰控制理论，迟滞非线性分解为线性主部和等效扰动之和的形式，提出一种含有参考模型的干扰观测器和设计方法，此时，两类等效扰动由扩张状态进行估计和补偿，最终实现参考模型跟踪。在多自由度反馈控制结构下，提出基于ITAE指标最优的PID控制器设计方法和基于等价干扰输入的抗扰控制设计方法。上述方法在迟滞参考分解条件下，均能用于迟滞非线性的补偿控制。最后，对迟滞非线性系统辨识和鲁棒跟踪控制的实际应用进行了研究和探索，搭建了具有迟滞驱动特性的倒立摆小车控制实验平台、压电定位系统控制实验平台和电机调速控制实验平台，为理论研究成果向实际应用的转变提供了支撑。.通过本项目研究，建立了一种简单、实用的率相关型迟滞非线性系统鲁棒控制方法，能够促进鲁棒控制和非线性控制理论发展和应用，在智能材料及结构的工程应用上具有重要价值。