复杂不确定性系统的时变特征谱扩张观测器设计、分析及应用

There inevitably exist complex fast time-varying, multi-source coupling, non-parameterized uncertainties in industrial fields such as near-space aircraft and intelligent robots, posing a key challenge to anti-disturbance control in these fields. Most existed adaptive or robust control methods cannot meet satisfying requirement in rejecting these complex uncertainties because of their inherent drawbacks such as strong model dependence, heavy computation burden, and narrow robustness domain. For this reason, in view of the active disturbance rejection control (ADRC) theory, we propose a novel extended observer with time-varying eigenspectrum (EOTE). Time-varying PD-eigenvalues are designed based on system characteristics to achieve robust adaptive disturbance compensation. Also convergence and disturbance rejection ability are analyzed using the extended mean stability criterion with the differential algebraic spectral theory. This project conducts a systematic research on EOTE, including its design and tuning, convergence mechanism and performance limits analysis, and applications in robust control of near-space hypersonic vehicles. As a result, a complete frame for EOTE is built up for its design, analysis, and application. Results of this project not only significantly develop the ADRC theory, but also provide a reliable solution to robust control of systems with complex uncertainties, for example the hypersonic vehicles, thus have important academic significance and promising application prospect.

近空间飞行器、智能机器人等领域往往同时存在快时变、多源耦合、非参数化的复杂不确定性，抗干扰控制是其亟待解决的关键难题。现有的自适应或鲁棒控制方法存在模型依赖强、计算复杂、鲁棒域窄等问题，难以同时抑制以上多源复杂不确定性。针对这一需求，本项目从自抗扰控制的理论体系出发，提出一种新颖的时变特征谱扩张观测器，设计面向被控系统特性的观测器时变PD特征谱来实现鲁棒自适应估计补偿，并采用微分代数谱广义均值理论研究观测器的收敛特性和抗扰性能。项目将系统研究时变特征谱扩张观测器的PD谱时变准则和参数化设计、收敛机理及性能极限、其在近空间高超声速飞行器鲁棒控制中的应用，进而提出完善的时变特征谱扩张观测器设计、分析、应用方法。本项目的研究，既发展了自抗扰控制的理论体系，也为高超声速飞行器等复杂不确定系统的鲁棒控制提供了可靠的解决方案，具有重要的理论价值和应用前景。

近空间飞行器、智能机器人等领域往往同时存在快时变、多源耦合、非参数化的复杂不确定性，抗干扰控制是其亟待解决的关键难题。现有的自适应或鲁棒控制方法存在模型依赖强、计算复杂、鲁棒域窄等问题，难以同时抑制以上多源复杂不确定性。针对这一需求，本项目从自抗扰控制的理论体系出发，提出一种新颖的时变特征谱扩张观测器，设计面向被控系统特性的观测器时变PD特征谱来实现鲁棒自适应估计补偿，并基于微分代数谱广义均值理论研究观测器的收敛特性和抗扰性能。项目系统研究了时变特征谱扩张观测器的PD谱时变准则和参数化设计、收敛机理及性能极限、其在近空间高超声速飞行器鲁棒控制中的应用，进而提出完善的时变特征谱扩张观测器设计、分析、应用方法。.在PD谱时变准则和参数化设计方面，研究给出了观测器时变增益与特征值之间的关系，并显式给出了常用的二阶、三阶观测器的推导公式；在收敛机理和性能极限研究方面，在干扰有界的情况下推导给出了观测器的指数收敛定理，并给出了最终的收敛界与时变特征值之间的关系；进一步，项目创造性地提出了条件干扰补偿的概念，在充分分析被控对象特性基础上，有条件地对观测器的观测信号进行处理，使之避免观测器的使用带来的负面影响，这一框架是对现有所有基于观测器补偿控制方法的一大创新性改善；最后，在近空间高超声速飞行器鲁棒控制应用中，结合上述时变特征谱扩张观测器设计思想及条件干扰补偿思想，针对高超声速飞行器测量噪声、不确定性干扰等问题，进行了一系列应用研究。.本项目的研究，既发展了自抗扰控制的理论体系，也为高超声速飞行器等复杂不确定系统的鲁棒控制提供了可靠的解决方案，具有重要的理论价值和应用前景。