动态迟滞非线性系统建模、控制与应用研究

Hysteresis nonlinear systems in various engineering fields have seriously hindered the precision and stability of control systems. As the requirements for control precision and control bandwidth raise continuously, the existing modeling and control methods for hysteresis systems cannot meet the needs. With such backdrop, this proposal focuses on the following: 1) Developing the block-oriented models.for the smart structure dynamic hysteresis systems which will unify the descriptions of the rate-dependent, the stress-dependent and their coupling behaviors. The identification method of the proposed model will also be studied, where the blocks in the model do not correspond to physical components. 2) Solving the key scientific problems in the dynamic hysteresis control by extending the existing robust control theory and adaptive control theory, i.e., robust tracking controller design for the dynamic hysteresis systems with unknown disturbances and model uncertainties; global feedback adaptive controller design for the dynamic hysteresis system with unknown parameters and unmeasurable state; robust active vibration controller design for the dynamic hysteresis system with unknown vibration source. 3) The application research will be carried out based on the results of the modeling and control of dynamic hysteresis systems with the smart active stabilization platforms for hypersonic vehicles, the navy advanced underwater transducers and vibration control and noise cancellation for submarine.

滞环非线性系统广泛存在于各类工程领域中，严重影响了控制系统的精度和稳定性。随着工程中对控制精度和控制带宽要求的不断提高，现有的滞环系统建模与控制方法已不能满足需要。为此本项目重点研究：1）发展模块化动态滞环非线性系统建模方法，以智能结构为建模对象，建立统一描述率相关、应力相关及其相互耦合的动态滞环非线性系统模型；研究不依赖于物理意义的模块化动态滞环模型的参数辨识算法；2）扩展鲁棒控制和自适应控制的理论，解决动态滞环非线性系统控制中的关键科学问题：存在未知扰动和动态滞环系统不确定性下的鲁棒跟踪控制器设计；含未知参数和不可测状态的动态滞环系统全局反馈自适应控制器设计；振源信号未知下的动态滞环系统鲁棒振动主动控制器设计；3）以高超飞行环境下的智能主动隔振平台、海军先进水声换能器以及舰船减振降噪为应用对象，基于所研究的建模与控制方法开展动态滞环非线性系统的应用研究。

迟滞非线性广泛存在于各个工程领域中，严重影响控制系统的精度和稳定性。本项目以压电和超磁致伸缩作动器（GMA）为具体对象，开展动态迟滞非线性系统建模、控制及应用研究。提出一种基于Hammerstein结构的模块化动态迟滞非线性建模方法，保证了参数的收敛性和模型的等效性，100Hz范围压电建模误差小于5%，方法成功应用在汽车电子节气门的建模中。分别提出了一种基于广义play算子非线性自适应滤波器和一种基于RBF网络的动态迟滞建模方法，GMA和压电实验验证了所提方法的有效性。设计了具有前馈环节的高性能广义内模控制器（GIMC），克服了经典鲁棒控制性能和鲁棒性之间的矛盾。该设计理论也被应用于压电纤维结构主动容错控制，保证了无故障时的最优控制性能和故障发生时的稳定性。设计了基于鲁棒干扰观测器（DOB）的两自由度跟踪控制器，采用H_∞方法设计DOB补偿干扰和补偿误差，提高系统的控制精度和鲁棒性。压电纤维实验中10Hz内GIMC相对误差小于3%，DOB控制相对误差小于2%。基于逆补偿策略采用H_∞鲁棒方法设计基于加速度反馈的振动主动控制器，将线性鲁棒控制扩展到动态迟滞系统振动控制中。压电实验结果表明，50-100Hz范围减振效果达到80%。分别采用自适应逆控制、自抗干扰控制、迭代学习控制和自适应控制等方法针对动态迟滞系统设计了控制器，实验结果验证了方法的有效性。研制出三套演示性原理样机并开展应用研究。研制出模块化六自由度压电隔振平台，采用模态分析技术建立了平台动态迟滞模型并设计鲁棒振动控制器，40-100Hz范围内减振效果达到40%-70%左右。研制出超磁致伸缩材料水声换能器，实验结果表明10Hz-140Hz范围跟踪控制相对误差3%-8%，失真度和带宽等指标满足应用要求。以船用柴油机为对象，研制出模块化GMA减振降噪原理样机，实验结果表明机脚和甲板的减振效果可达到20-30dB。