面向多种不确定性的抗扰控制研究

Dealing with multiple uncertainties is usually the major control problem for the hypersonic aircraft and many other physical plants. The research on the control approaches of disturbance rejection (DR) has both strong background and new theoretical problems. This project aims to develop the DR control approach for several typical classes of nonlinear systems with multiple uncertainties. The research of this project also includes the simulation verification on the attitude control of some hypersonic aircrafts. The considered systems have the uncertainties with different mathematical descriptions, such as unknown nonlinear dynamics, time-varying external disturbance and stochastic noises. Also, the uncertainties could be contained in different channels of the systems. We will adequately study the design methods for the key part of the DR control, i.e., the uncertainty estimator/observer, via analyzing the properties, the influences and the observability of the uncertainties. Furthermore, the tuning methods as well as the optimization algorithms for the parameters of the uncertainty estimator/observer will be presented. Both the transient performance and the steady-state performance will be investigated to comprehensively show the characteristics of the corresponding closed-loop system. The capability of the proposed DR controller in tackling the uncertainties of different channels will be quantitatively discussed. In addition, the simulation study on the attitude control system of the hypersonic aircraft and other practical systems will be carried out for the validation of the theoretical results.

如何处理系统中的多种不确定性是高速飞行器等很多实际对象的重要控制难题。面向多种不确定性的抗扰控制研究具有强烈的实际背景,同时也包含挑战性的新科学问题。本项目将针对具有多种不确定性的几类非线性系统开展抗扰控制的理论研究，并将进行基于一些高速飞行器姿态控制系统的仿真验证。针对系统中未知非线性动态、时变外扰和随机噪声等不同数学描述以及属于量测和状态等不同通道的多种不确定性，全面分析各种不确定性对系统输出影响的机理以及它们的可观性，深入研究抗扰控制方法的核心部分——不确定性的估计器/观测器的设计方法，并给出有效的参数调节及优化方法；从动态性能和稳态性能两方面比较完整地研究相应闭环系统的特性；定量地分析抗扰控制器可对付各通道内不确定性的能力极限；对相应的理论结果开展基于高速飞行器姿态控制系统等典型实例的仿真验证。

本项目针对具有多种不确定性的几类非线性系统，系统性地开展了抗扰控制的理论与方法研究。主要研究内容包括：系统中多种不确定性的数学描述、不确定性的可观性；不确定性的估计器/观测器的先进设计方法以及参数调节及优化方法；从动态性能和稳态性能两方面比较完整地研究相应闭环系统的特性；定量地分析抗扰控制器可对付各通道内不确定性的能力极限。取得的重要研究结果及科学意义包括：(1)针对一类非线性不确定系统，严格给出了系统“总扰动”的可观性条件，从而为抗扰控制中估计扰动器的设计提供了基础。(2)针对带有不连续外部扰动的非线性不确定系统，提出了一种新的自抗扰控制的设计方法，并严格分析了稳态性能和瞬态性能，得到了使闭环系统跟踪误差收敛到零的充要条件；(3)针对一类运动控制系统，提出了不改变已有控制器结构及参数条件下的模块化自抗扰控制设计，并将理论结果应用于高性能飞行器的姿态控制系统中，在实际飞行试验中得到了良好的效果；(5)针对一类具有非线性不确定动态以及时延的典型系统，提出了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制方法，给出了用于实际工程调节控制器参数的解析方法，即通过系统不确定性范围定量得到控制器参数的调节范围；(6) 针对具有非线性不确定动态的系统，提出了基于扩张状态的卡尔曼滤波方法，从而保证滤波估计误差协方差有界，该方法为非线性不确定分布式系统滤波问题的解决提供了新途径，并已用于分布式系统的滤波估计中。