饱和受限非线性切换系统控制策略及在混合动力电动汽车中的应用

Switched nonlinear systems with actuator saturation in various engineering fields have seriously hindered the stability of control systems. As the requirement for control performance raises continuously, the existing control methods for switched systems with saturation constraints cannot meet the needs, and it is urgent to establish new theory and methods for the system. This proposal focuses on the following: 1) Investigating the multiple Hamiltion functions expression of the system, which is obtained by establishing the general energy function and structual matrices of subsystems and integrating switching signals. 2) Studying the reachability, the estimation and enlarging the domain of attraction of the system based on the reachable judgment matrix and component end boundary method of Hamilton function expression, several new results are obtained. 3) Solving the key scientific problems in the switched nonlinear systems with actuator saturation control by extending the existing robust control theory and adaptive control theory, i.e., robust controller design; adaptive controller design and switched rules design. 4) The application research will be carried out based on the results of the modeling and control of switched nonlinear systems subject to actuator saturation to multi-modal switched driving system of hybrid electric vehicle (HEV). This project belongs to the interdisciplinary field of control science, vehicle, and power, which will enrich and improve theories for nonlinear switched systems with constraints, expedite the original innovation of the control technologies, and promote theoretical and practical values of nonlinear switched systems with constraints in engineering practice.

饱和受限非线性切换系统广泛存在于各类工程领域中，饱和非线性严重影响了控制系统的稳定性。随着工程中对控制性能要求的不断提高，现有饱和切换系统控制方法已不能满足需要，亟待寻求新思路新理论予以突破。本项目重点研究：1）发展饱和受限切换系统哈密顿建模方法，寻求各子模态广义能量函数和结构矩阵，建立饱和受限非线性切换系统哈密顿结构；2）基于构造的可达判别矩阵和Hamilton函数分量最终界法研究系统可达性、吸引域估计；3）扩展鲁棒控制和自适应控制理论，解决饱和受限非线性切换系统鲁棒控制器、自适应控制器及切换规则设计等问题； 4）以混合动力电动汽车（HEV）驱动控制系统为应用对象，基于所研究的建模与控制方法开展饱和受限非线性切换系统的应用研究。本课题属控制、车辆、电气领域交叉前沿课题，可丰富完善受限非线性切换系统理论体系，形成原始创新的受限切换控制策略，促进受限非线性切换系统理论在工程中的应用。

饱和受限切换非线性系统广泛存在于各类工程领域中。本项目运用基于能量的多Lyapunov函数方法及模依赖平均驻留时间技巧研究了饱和受限切换非线性系统的稳定性分析、镇定控制、H∞控制、有限时间稳定与有限时间H∞控制设计等理论问题。得到了若干稳定性、有限时间稳定分析判据及控制器与切换策略设计方法。并将所得理论结果应用于混合动力电动汽车、新能源发电系统的控制研究。. 经过四年的深入研究，在本项目资助下，出版专著1部，发表了26篇学术论文，其中在《Int J Robust Nonlinear Control》、《Int J Control》、《Int J Systems Science》和《J Franklin Institute》发表期刊论文5篇。. 基于能量的多Lyapunov函数方法及平均驻留时间策略，研究了含有全稳定子系统的切换Hamilton系统，给出了稳定性准则，得到了状态的衰减估计，设计了状态反馈控制器，解决了渐近镇定和H∞控制问题。基于慢/快模依赖平均驻留时间切换方案及截断不等式技术，研究了含有不稳定子系统的控制饱和切换Hamilton系统，建立了渐近镇定准则，得到了快/慢切换的内在关系，解决了H∞控制问题。基于模依赖平均驻留时间切换策略，研究了所有子系统均为有限时间稳定的自激切换Hamilton系统，建立了有限时间稳定的充分条件，设计了具有截断不等式特性的状态反馈控制器，给出了所有子系统可能全为有限时间不稳的切换Hamilton系统有限时间镇定准则，解决了有限时间H∞控制问题。. 基于不连续的多Lyapunov函数和模依赖平均驻留时间比率权衡策略，研究了具有不稳定子系统的一般非线性切换系统，建立了稳定性准则。基于快慢切换之间的逻辑关系，引入示性函数，结合时间子列技术，解决了L2增益问题，得到了加权L2增益充要条件。基于构造的二次形式不连续多Lyapunov函数及稳定性和L2结果，给出了线性切换系统的稳定性及L2增益判据。. 项目的主要科学意义体现在两个方面。1）为切换非线性系统建立了一个基于能量的理论研究框架，通过引入Hamilton函数、饱和受限等概念，丰富了非线性切换系统的分析方法。2）将截断不等式技术、扩维方法等经典控制方法引入受限非线性切换系统，为解决受限非线性切换系统的多种控制问题提供了新的研究方法。