高阶未知输入观测器设计及基于观测器的滑模控制研究

In this project, we mainly discuss the design methods of unknown input observer and sliding mode controller for uncertainty nonlinear systems with unknown inputs. For the part of the unknown input observer design, we first consider the problem of breaking through the restriction of the observer matching condition, and after have found the shortcomings of the existing results, we put forward a new idea of using a state time-varying shift transformation technique to overcome the shortcomings. Second, the unknown input observer design schemes, in which the state estimation, unknown input reconstructions and the reconstructions of the all-order derivatives of unknown inputs are considered simultaneously, are formulated. Due to the actual designing requirement of the sliding mode controller, we plan to provide the unknown input reconstruction which is irrelative to control signals. After this, the major results are promoted to be suitable for systems with both unknown inputs and measurement noise. For the part of the sliding mode control design, the sliding mode controller design methods are studied by introducing the unknown input derivative reconstructions into both the sliding mode surface and controller to deal with the time-varying mismatching disturbances (or unknown inputs). Finally, the separation principle for unknown input observer-based sliding mode controller design is discussed.

本项目主要是针对具有未知输入的不确定非线性系统，研究未知输入观测器设计及基于未知输入观测器的滑模控制器设计方法。在未知输入观测器设计部分，首先针对突破观测器匹配条件限制的问题，分析已有结论的不足，提出基于状态时变平移的手段来解决该问题的新思路和新方法。其次，根据未知输入观测器研究的历史背景，拟定研究能同时估计系统状态、未知输入及其未知输入各阶微分的未知输入观测器设计的方案。考虑到滑模控制器设计的实际需求，提出与控制信号无关的未知输入代数重构方法。在此基础上，将主要结论上升到同时具有未知输入和可测噪声的系统上。在滑模控制器设计部分，通过对滑模面和控制器引入未知输入微分的重构的手段，提出能处理时变不匹配干扰的滑模控制器设计方法。最后，讨论基于未知输入观测器的滑模控制器设计的分离性原理问题。

本项目对未知输入观测器设计、基于观测器的各类控制方法及问题的延深，进行了深入的研究。研究对象包括了T-S模糊系统，切换系统，描述(切换)系统，非线性系统，多智能体系统，物理信息系统等。主要研究内容包括：未知输入观测器设计及其基于未知输入观测器的故障检测、故障重构和容错控制方法研究，基于观测器的混沌同步研究，基于观测器的滑模控制、H-infinite控制等鲁棒控制方法。针对一些实际的控制对象，包括卫星姿态控制，进行了鲁棒控制研究。重要结果或结论包括：.对描述切换系统，提出了一种能直接解耦未知输入的降维观测器设计方法，并给出了未知输入的代数重构方法。针对T-S模糊描述系统，设计出了基于观测器的滑模控制方法，并提出了虚拟滑模面的概念。对具有不匹配干扰的异构多智能体系统，提出了一种基于观测器的输出协同控制的方法。针对延迟不确定马尔科夫跳变系统，提出了执行器和传感器故障同时估计方法，并设计了相应容错控制方法。基于区间观测器理论，提出了新的故障检测方法和故障重构方法：通过降维Luenberger观测器和降维区间观测器的结合，提出了一种对故障更敏感，对干扰更鲁棒的故障检测方法。利用有限频率H-infinite设计思想，针对故障和干扰的频率分布，提出了新的故障检测方法。对非线性系统，基于T-S模糊系统方法，给出一种观测器设计方法，并提出了非脆弱鲁棒容错控制方法。对LPV系统，设计降维H-infinite观测器,对系统状态，执行器故障和传感器故障，提出了同时估计的新方法。通过构造人工混沌切换系统，提出了一种新的基于混沌同步的保密通讯方法，该方法具有更强的保密性。.项目的研究，具有重大的科学意义。目前未知输入观测器(UIO)的研究热点集中于针对未知输入、传感噪声和系统状态的同时估计问题，所处理的对象包括T-S模糊系统，切换系统，非线性系统，描述系统，LPV系统等。UIO的拓广研究包括故障检测和重构及其容错控制。本项目的研究，正是针对这样的研究热点问题，进行了深入的研究，并取得了丰富的研究成果。