多源干扰下分布参数系统的复合抗干扰模糊控制

The rapid development of modern high-new technology gives rise to a large amount of nonlinear distributed parameter systems (DPSs) of spatial-temporal distribution, which is usually described by partial differential equations (PDEs). Due to the environmental change, the modeling error, external perturbations and internal noises and so on, the practical DPSs are always subject to multiple disturbances, which are the main source of performance deterioration and instability of the control system. In order to obtain higher control quality and better anti-disturbance performance, this project is to systematically study the low dimensional fuzzy modeling method and low dimensional composite anti-disturbance fuzzy control for nonlinear DPS with multiple disturbances. This project considers not only the disturbance rejection problem of the modeled temporal or spatial-temporal disturbance described by the nonlinear ordinary differential equations (ODE) or PDE exosystem, but also the composite anti-disturbance problem of multiple temporal or spatial-temporal disturbance to achieve both rejection and attenuation capacity. The effectiveness and usability of the proposed methods are validated by the controller designs for the temperature distribution in a chemical process. The aim of this project is to provide some new and effective methods as well as the theoretical basis for the anti-disturbance control design of nonlinear DPSs with multiple disturbances and promote the development of distributed parameter control theory, fuzzy control theory and anti-disturbance control theory.

现代高新技术的迅猛发展，派生出许多具有时空分布特征的非线性分布参数系统（DPS），其数学模型一般可描述为偏微分方程（PDE）。由于环境变化、建模误差、外部扰动、内部噪声等诸多因素存在，实际 DPS 往往会受到多源干扰影响，是造成控制系统性能恶化甚至不稳定的主要原因。为了得到更好的控制品质与抗干扰效果，本研究项目系统地研究多源干扰下非线性DPS的低维模糊建模及低维复合抗干扰控制设计问题，不仅研究非线性常微分方程（ODE）或PDE外系统描述的可建模时间或时空干扰的抵消问题，也研究多源时间或时空干扰的复合抗干扰问题，以实现干扰同时抑制与抵消，并将理论结果应用于面向化工过程的时空热分布控制中来研究其有效性问题。本项目旨在为多源干扰下非线性DPS的抗干扰控制设计研究提供一些新的、简洁有效的方法和理论依据，推动分布参数控制、模糊控制及抗干扰控制理论的发展。

具有时空分布特征的非线性分布参数系统（Distributed Parameter Systems, DPS）其数学模型一般可描述为偏微分方程（Partial Differential Equation, PDE），并广泛存在于许多实际工程系统中。由于环境变化、建模误差、外部扰动、内部噪声等诸多因素存在，实际 DPS 往往会受到复杂多源干扰影响，是造成控制系统性能恶化甚至不稳定的主要原因。为了得到更好的控制品质与抗干扰效果，本研究项目系统地研究了复杂多源干扰下非线性DPS的低维模糊建模及复合抗干扰控制设计问题，以实现干扰同时抑制与抵消，并将理论结果应用Fisher方程描述的系统控制中研究其有效性问题。在项目研究过程中，针对包括非线性干扰在内的多源干扰，结合耗散控制技术，给出了非线性集中参数系统（Lumped Parameter Systems, LPS）的复合抗干扰控制方法。并进一步将所得的结果应用海洋平台的主动控制中，取得了良好的控制效果。此外，结合扩张状态观测器，给出了水下机器人系统及机械臂系统的自抗干扰控制方法。通过本项目的研究，对复杂多源干扰下非线性DPS和LPS的抗干扰控制提供一些新的、简洁有效的方法和理论依据，并运用到海洋平台和水下机器人机械臂系统，取得了较好的控制效果。