不确定非线性力学系统两类新型控制策略研究

本项目研究不确定非线性力学系统的两类新型控制设计方法。一是研究将申请人近年提出的单输入二阶不确定非线性系统的预测变结构控制方法推广到多输入和高阶不确定非线性系统，建立不含滑动面的变结构控制设计理论，从根本上消除传统滑模变结构控制的主要缺点- - 抖振。二是将受控Lagrange函数法与基于无源性的控制设计方法相结合，发展不确定欠驱动非线性动力学系统轨迹跟踪的自适应和鲁棒控制设计方法，使受控Lagrange函数法从只适于解决已知模型的欠驱动系统镇定问题，发展为可用于解决含模型不确定性欠驱动系统的跟踪问题。所得到的理论结果将用于几类典型不确定非线性力学系统控制的仿真与应用研究。

本项目对非线性力学系统的两种新型控制策略进行了理论和实验研究，主要成果包括以下三方面：. 1. 基于受控Lagrange函数法的欠驱动力学系统控制研究. 将受控Lagrange函数法与反馈线性化方法相结合，提出了欠驱动系统受控闭环系统的期望形式，推导出控制和期望轨迹应满足的匹配条件和保证渐近稳定性的秩条件，形成用矩阵形式表示的、更易于理解和应用的欠驱动力学系统控制设计方法。. 将受控Lagrange函数法与无源性理论相结合，给出了欠驱动系统期望闭环方程中阻尼阵的表达式，进一步简化了控制设计的匹配条件和稳定性分析，并可通过调节阻尼阵增益方便地调整闭环系统性能, 为解决欠驱动系统的控制设计问题提供了一种简便有效的新方法。. 2．不确定非线性力学系统预测变结构控制方法的改进和应用研究. 改进了我们所提出的不确定非线性力学系统预测变结构控制设计方法，克服了因保守的预测估计引起的原点附近抖振，提高了闭环系统动静态性能，并将改进结果应用于直流电动舵机伺服控制系统，验证了其优越性。. 3．欠驱动无人飞行器控制设计和实验研究. 将理论研究成果应用于三类典型的含模型不确定性欠驱动无人飞行器：微型无人直升机、平流层飞艇和平流层卫星，将欠驱动系统控制设计方法与制导方法、轨迹线性化方法、Backsteping方法、无源性理论等结合，对这三类欠驱动无人飞行器设计了多种新型自适应和鲁棒轨迹跟踪和路径跟踪控制器，并通过在低空无人飞艇和自制微型无人直升机上的实验研究，验证了所提出控制方法的有效性和实用性。