强调瞬态性能的非线性鲁棒输出调节问题研究

The researches on nonlinear robust output regulation problems are focused on the solvability of the problems, i.e, steady state performance of the closed loop system, the attentions on transient performance of the closed-loop system are very limited. To focusing on the transient performance of the closed loop system, this project proposes to investigate nonlinear robust output regulation problems by using optimal control, prescribed performance bound (PPB), and composite nonlinear feedback control respectively. By defining a performance index function related with closed loop transient performance, the optima nonlinear robust output regulation problem is described as an optimal control problem with constrains on output regulation, and the transient performance is optimized by solving the optimal control problem. The nonlinear robust output regulation problem with prescribed performance bound is to make the convergent rate and the overshoot of the regulation error satisfy a prescribed performance bound while the output regulation is achieved. Composite nonlinear feedback control based nonlinear robust output regulation problem is to improve the closed loop transient performance by designing the robust regulator with composite nonlinear feedback control technology. The feature of this project is that the nonlinear robust output regulation problem is considered in the view of addressing its transient performance. The research of this project not only enriches and completes the nonlinear robust output regulation theory, but also provides technical supports for the engineering application of the nonlinear robust output regulation theory.

非线性鲁棒输出调节问题的研究主要关注其可解性条件（闭环系统的稳态性能），对闭环系统瞬态性能的关注非常有限。为了强调闭环系统的瞬态性能，本项目提出分别采用最优控制、预设性能界和复合非线性反馈控制等技术研究非线性鲁棒输出调节问题。最优非线性鲁棒输出调节问题是通过定义与瞬态性能相关的性能指标函数将非线性鲁棒输出调节问题描述为一个具有输出调节约束的最优控制问题，通过最优控制问题的求解实现闭环系统瞬态性能的优化；基于预设性能界的非线性鲁棒输出调节问题要求在实现输出调节的同时使闭环系统调节误差收敛速率和超调量满足预设性能界；基于复合非线性反馈的非线性鲁棒输出调节问题是采用复合非线性反馈控制技术设计鲁棒调节器以改善闭环系统的瞬态性能。本项目的特色在于从强调瞬态性能的角度研究非线性鲁棒输出调节问题，项目研究不仅能丰富和完善非线性鲁棒输出调节问题理论，也为非线性鲁棒输出调节理论的工程应用提供技术支持。

传统的非线性鲁棒输出调节问题研究主要关注其可解性条件，本项目聚焦于非线性鲁棒输出调节问题的闭环瞬态性能，在研究鲁棒输出调节问题可解性的基础上，进一步考虑闭环系统的瞬态性能要求。分别采用最优控制方法、预设性能界方法和复合非线性反馈控制方法，研究了非线性鲁棒输出调节问题，建立了处理具有瞬态性能要求的非线性鲁棒输出调节问题的处理框架。在最优控制方法方面，建立和发展了基于最优控制的非线性鲁棒输出调节问题的相关理论与技术。将自适应动态规划方法与基于内模设计的鲁棒输出调节问题框架相结合，提出了基于数据驱动的自适应最优输出调节设计方法，并改进了传统的基于自适应动态规划/强化学习数据驱动算法。在系统动态参数未知的情况下，仅利用系统的状态、输出和输入等数据建立了迭代学习算法来估计最优控制策略，不仅实现了系统的跟踪控制与扰动抑制，还实现了系统瞬态性能的优化。在预设性能界控制方法方面，研究和探讨了满足预设性能界的控制系统设计相关理论和方法，建立了基于预设性能界技术的非线性鲁棒输出调节问题可解性条件和相应的控制系统设计方法。在传统非线性输出调节问题的基础上引入预设性能约束，并采用无约束坐标转换和障碍李雅普诺夫函数法对预设性能约束进行处理，建立了处理预设性能非线性输出调节问题研究框架，在实现输出调节的同时实现了对闭环瞬态性能的约束。在复合非线性反馈控制方面，进一步发展了针对非线性鲁棒输出调节问题的鲁棒复合非线性反馈控制技术。结合复合非线性反馈控制的思想，提出在传统鲁棒输出调节控制器的基础上引入非线性反馈控制，以提高和改善闭环系统瞬态性能的设计思路，通过鲁棒控制方法处理输出调节问题的鲁棒性，并通过复合非线性反馈控制技术提高闭环系统的动态性能。本项目的研究是传统鲁棒输出调节问题研究的拓展和深入，对闭环系统瞬态性能的关注不仅进一步完善了非线性输出调节问题理论，也将更有利于鲁棒输出调节问题理论的工程应用。