基于组合非线性反馈控制技术的高性能伺服系统研究

The output regulation problem, also called servomechanism problem, are the key problems in the research area of control theory and its applications. However, research efforts has been mainly devoted to the steady performance of closed-loop system, while the transient performance of closed-loop system has not been investigated deeply. Therefore, a composite nonlinear feedback control technique is adopted in this project in order to improve the transient performance of closed-loop system and thus reach fast response and low overshoot.The main research contents include: (1) the robust output regulation problem of linear systems with input saturation based on composite nonlinear feedback control to build the existing condition of steady systems and to design composite nonlinear feedback servomechanism control systems to improve the transient performance of the closed-loop system; (2) the output regulation problem of nonlinear systems based on composite nonlinear feedback control for general nonlinear systems; (3)the application of the composite nonlinear feedback control techniques on the motion control for robot manipulators with bounded torque. The purpose of this project is to research and build the route that can improve the transient performance of closed-loop system through the introduction of the designed philosophy and designed method of composite nonlinear feedback control system, to evaluate the performance of controller, and to explore new methods and techniques for designing nonlinear servomechanism control system with high performance.according to the comparisons between experiments and simulations.

输出调节问题，也叫伺服控制问题，是控制理论与应用研究领域的热点问题，但当前的研究主要关注闭环系统的稳态性能，而对闭环系统的瞬态性能缺乏深入的研究。本课题将组合非线性反馈控制技术应用于伺服控制系统的设计中，以提高闭环系统的瞬态性能，达到快速的响应和低超调。主要研究内容包括（1）研究基于组合非线性反馈控制的具有输入饱和限制的线性系统输出调节问题，建立稳态系统的存在性条件，并设计组合非线性反馈伺服控制系统，提高闭环系统的瞬态性能；（2）以一般的非线性系统为研究对象，研究基于组合非线性反馈控制的非线性系统输出调节问题；（3）研究组合非线性反馈控制技术在力矩受限的机器人系统伺服控制问题中的应用。其目标是通过引入组合非线性反馈控制技术的设计思想和设计方法，研究和建立输出调节问题中提高闭环系统瞬态性能的方法，并通过仿真对比研究或实验研究，评价控制器性能，探索设计高性能非线性伺服控制系统的新方法和新技术。

本项目研究组合非线性反馈控制技术（Composite Nonlinear Feedback, 简称为CNF）在输出调节问题（Output Regulation Problem）中的应用，具有理论和应用两个方面的意义。. 本项目首先研究了控制方向未知的一类具有线性外部系统的不确定输出反馈非线性系统全局鲁棒输出调节问题，通过设计一个内模系统将鲁棒输出调节问题转化为鲁棒镇定问题，结合 Nussbaum 动态增益技术、自适应控制方法、鲁棒稳定性提出了一种动态输出反馈控制器。其次，针对一类具有非线性外部系统和未知参数的输出反馈非线性系统，提出了一种自适应输出调节设计方法，在本研究中，提出了一种新的非线性内模方法，成功地将全局鲁棒输出调节问题转化为复合增广系统的鲁棒自适应镇定问题，进一步发展了输出调节理论。再次，研究了基于组合非线性反馈控制的具有输入饱和限制的线性系统输出调节问题，建立了稳态系统的存在性条件，并设计组合非线性反馈伺服控制系统，提高了闭环系统的瞬态性能，并且针对带有输入饱和的直升机模型输出调节问题，提出了一种基于复合非线性反馈(CNF)控制方法，证明了本项目所提出方法的有效性。同时，本项目研究了一类非线性纯反馈系统的预定性能控制问题，提出了一种非传统状态变换并引入关于控制输入的一阶辅助系统；然后，为了保证纯反馈系统预定性能，设计了一个相对简易的Lyapunov 函数, 并利用反步法给出了一种新的控制算法。最后，本项目从机器人关节轨迹跟踪任务出发，研究了不确定机器人运动控制问题。首先，研究了高阶多变量饱和线性系统的组合非线性反馈控制技术，然后将其应用到机器人控制系统中，实现跟踪时变参考输入。然后分别将鲁棒控制、自适应控制与组合非线性反馈控制技术相结合，设计了新型控制器，旨在有效消除不确定性因素对机器人系统的不利影响。最后探讨机器人系统稳定吸引域可调问题，设计参数可调的不确定性机器人控制器。. 本项目对以上内容都进行了比较系统的研究，不仅完成了原定的研究计划，产生了一些重要的理论和应用成果，而且一些理论结果还得到了进一步发展和深化。