基于等价输入干扰方法的非线性控制系统抗扰性能分析和设计

This project aims to improve disturbance-rejection performance, and investigates the methods of the analysis and design of disturbance rejection for nonlinear control systems based on the equivalent-input-disturbance (EID) approach. First, we analyze the characteristics of the EID-approach-based nonlinear control systems, discuss how to select and preserve nonlinearities that are beneficial to control, and explore disturbance-rejection methods based on the EID approach. Next, we examine the disturbance-rejection performance of the EID-approach-based nonlinear control system; reveal the internal relationship between the disturbance-rejection performance, and the nonlinearities of the plant and the design parameters of the system; and derive conditions on stability and disturbance-rejection performance for the EID-approach-based system. Then, we analyze limitations of the EID-approach-based disturbance rejection, and establish one kind of synthetic evaluation indexes that thoroughly assess the disturbance-rejection performance from both dynamic and steady-state aspects in the time- and frequency-domains. After that, we develop an optimization model for the design parameters of the system and an intelligent optimization algorithm, and build a new optimization design method for the parameters of the filter, the state observer, and the feedback control law in the EID-approach-based control system so as to further improve the disturbance-rejection performance of the system. Finally, we build a high-precision real-time control system for industrial robots to explore practical applications of the devised method. This project provides us new, effective approaches for the analysis and design of disturbance rejection for nonlinear control systems; and has significant scientific meaning.

本项目以提高扰动抑制性能为目标，研究基于等价输入干扰（EID）的非线性控制系统抗扰性能分析与设计方法。首先进行基于EID方法的非线性控制系统特性分析，筛选和保留对控制有利的非线性特性，寻找基于EID方法的抑制途径；然后进行基于EID方法的非线性控制系统抗扰性能分析，揭示控制对象非线性和系统设计参数与抗扰性能之间的内在关系，寻找基于EID方法的稳定性和抗扰性能条件；分析EID方法的抗扰性能极限，建立能够在时域和频域分别对动态和稳态抗扰性能进行全面评估的综合评价指标；在此基础上建立系统设计参数优化模型和智能优化算法，形成一种基于EID方法的滤波器、状态观测器和反馈控制律的参数优化设计方法，进一步改善系统抗扰性能；建立工业机器人高精度实时控制系统，探讨所提方法的实际应用。通过研究，将为非线性控制系统的抗扰性能分析与设计提供新的有效方法，具有重要的科学意义。

本项目通过分析非线性系统的系统特性，研究了一种基于等价输入干扰（EID）的非线性系统抗扰性能分析和设计方法。首先，通过分析一类具有本质非线性特性的系统，提出了一种非线性EID方法。该方法利用一个非线性状态反馈对非线性特征进行重构，实现了在保留非线性特性的同时对外部扰动进行抑制。在基于EID方法的非线性控制系统抗扰性能分析方面，揭示了非线性系统输出误差与EID方法的扰动抑制性能之间的联系，给出了基于EID方法的非线性系统全局一致最终有界稳定的条件，对非线性系统的抗扰性能进行了评价；在基于EID方法的非线性控制系统参数优化设计方面，针对具有非线性和参数不确定性的系统，获得了使系统全局一致最终有界稳定的条件，通过在该条件中引入了两个可调参数，可以独立改善系统的鲁棒性和响应性能，增强了系统控制的灵活性；此外，利用该条件设计了一种基于粒子群优化算法的参数选取方法，避免了控制器参数的频繁调试，为非线性系统控制器的发展开辟了新的思路，对于实现实际系统的精确控制提供了依据。通过计算机仿真和机电控制系统实验，探讨基于EID的控制系统应用。本项目的研究将为基于EID方法的控制系统设计提供了一种新颖的和有效的方法，促进主动扰动抑制和非线性控制理论与应用的发展，具有重要的科学意义和应用价值。