基于重复控制补偿的非线性扰动抑制主动控制

Exploiting the learning mechanism of repetitive control, this project develops a disturbance-attenuation active control method based on repetitive control compensation for a class of nonlinear plants subject to periodic disturbance. First, exploring the effect on the system performance of the disturbance, we establish a model of the disturbance-attenuation control system. It contains a repetitive-control compensator, a disturbance observer and a feedback controller. After that, providing that control and learning actions can be adjusted preferentially, we examine the relationships between the parameters of the controllers, the system stability and disturbance-attenuation performance. Next, we derive a design method for the repetitive-control compensator and the disturbance observer. Based on these results, we further devise the control system structure employing equivalent input disturbance (EID) for a class of nonlinear servo systems that contain both periodic and nonperiodic disturbance; and investigate the conditions of system stability, disturbance-attenuation performance and control performance. Then, we present a method of tuning the parameters of the EID estimator and the repetitive-control compensator and consider the problem of designing an EID-based repetitive-control system for rejecting nonlinear disturbance. Finally, the simulation results and the experiments of an electromechanical control system demonstrate the application of the method. The purpose of this project is to develop an effective and practical robust control approach of rejecting nonlinear disturbance. The outcome of this project is of both theoretical and practical importance. It will further promote the development in the field of the disturbance-attenuation active control.

本项目针对一类含有周期扰动的非线性系统，利用重复控制的学习机制, 提出一种基于重复控制补偿的扰动抑制主动控制方法。通过分析扰动对系统性能的影响，建立基于重复控制补偿器、扰动观测器和反馈控制器的扰动抑制控制系统结构模型；在可以分别调节控制和学习的条件下，研究重复控制补偿器和反馈控制器参数与系统稳定性和扰动抑制性能之间的关系，提出重复控制补偿器和扰动观测器的设计方法；针对同时含有周期扰动和非周期扰动的非线性伺服系统，研究基于等价输入干扰的系统结构，以及满足系统稳定性、扰动抑制性能和控制性能的条件，设计等价输入干扰估计器和重复控制补偿器的参数整定算法，提出基于等价输入干扰的非线性扰动抑制重复控制系统设计方法；通过计算机仿真和机电控制实验，探讨非线性扰动抑制重复控制方法的应用。本项目的研究将提供一种有效、实用的非线性扰动抑制方法，进一步促进扰动抑制主动控制技术的发展，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目针对含有未知扰动以及参数不确定性的伺服系统，提出了基于连续-离散二维模型的扰动抑制鲁棒重复控制系统设计方法。通过深入分析改进型重复控制系统中控制和学习行为的本质特征，建立了基于重复控制前馈补偿和反馈镇定（状态反馈、静态输出反馈、动态输出反馈和状态观测器重构状态反馈）的连续-离散二维系统模型，分析了系统稳定性、性能和鲁棒性，提出了一系列能够分别调节控制行为和学习行为的鲁棒改进型重复控制系统设计方法和优化算法。在此基础上，针对同时含有周期扰动和非周期扰动以及非线性特性的改进型重复控制系统，建立了基于等价输入干扰反馈补偿的系统结构，通过引入等价输入干扰的方法来估计所有扰动以及非线性特性对系统输出的影响，随后将其反馈至系统输入端进行补偿，再将补偿后的系统与重复控制律结合，从而既能实现对扰动及非线性特性的有效补偿，提高系统的扰动抑制能力，又能高精度地跟踪周期信号。进一步地，针对含有非线性不确定性和未知扰动的伺服系统，建立了变系数扰动观测器和补偿器结构，提出了基于扰动主动补偿的非线性鲁棒重复控制设计方法。通过计算机仿真和机电控制系统实验，研究了设计方法的可行性，探讨了扰动抑制鲁棒重复控制的实际应用，从而形成一种基于连续-离散二维模型的扰动抑制鲁棒重复控制方法。本项目中，二维重复控制器和扰动观测器的设计基于线性矩阵不等式形式给出，降低了参数求解难度。本项目的研究开辟了重复控制研究的新思路和新领域，促进了重复控制和扰动抑制控制理论与应用的发展，具有重要的科学意义和应用价值。