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反步控制

/backstepping control/
条目作者任雪梅

任雪梅

最后更新 2023-06-02
浏览 203
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针对不确定性系统的一种系统化的控制器综合方法,是将李雅普诺夫函数的选取与控制器的设计相结合的一种回归设计方法。又称反推控制、反演控制。

英文名称
backstepping control
又称
反推控制,反演控制
所属学科
控制科学与工程

由A.萨贝里(A.Saberi)、 P.V.可可托维奇(P.V.Kokotovic)和H.J.苏斯曼(H.J.Sussmann)等人于20世纪90年代对一类具有严格反馈结构的非线性系统提出的。从系统的最低阶次微分方程开始,引入虚拟控制的概念,一步一步设计满足要求的虚拟控制,最终设计出真正的控制律。具体设计思想是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统,然后单独设计每个子系统的部分李雅普诺夫函数,在保证子系统具有一定收敛性的基础上获得子系统的虚拟控制律,在下一个子系统的设计中,将上一个子系统的虚拟控制律作为这个子系统的跟踪目标。这样一直后退到整个系统,将它们集成起来完成整个控制律的设计,李雅普诺夫稳定性分析方法保证闭环系统的收敛性,使系统达到全局稳定以及渐近跟踪的目的。

反步控制方法使得控制器的设计过程结构化、系统化,能有效处理参数不确定性和外界干扰,并且可以应用于相对阶为的非线性系统,消除了经典无源性设计中相对阶为1的限制。由于该方法取消了系统不确定性满足匹配条件的约束,从而解决了相对复杂的非线性系统的控制问题。反步设计方法与其他方法相比较能够在更宽松的条件下求解稳定控制、跟踪控制和鲁棒控制问题。 

反步控制方法与自适应控制、神经网络技术、模糊逻辑系统和状态观测器等方法相结合,提出了自适应反步控制、鲁棒自适应反步控制、自适应神经网络反步控制、自适应模糊反步控制和基于状态观测器的反步控制等方法,能够很好处理复杂不确定非线性系统的控制。反步控制方法在改善过渡过程品质方面展现出较大的潜力,已成功应用于飞机控制系统、感应电机控制系统、移动机器人控制系统、船舶控制系统以及电力系统等许多控制领域。

由于在设计控制器过程中需要反复对虚拟控制进行求导,导致了“微分爆炸”问题,降低了系统的控制性能,引起了系统的不稳定。为了克服反步控制中存在的“微分爆炸”问题,D.斯瓦鲁普(D.Swaroop)等提出了一种动态面控制方法。该方法对每一阶子系统设计时,通过引入一阶低通滤波器避免了对虚拟控制量的直接微分从而解决了“微分爆炸”问题,同时简化设计步骤、降低计算复杂度,并已提出了各种自适应动态面控制方法,如自适应神经网络动态面控制、自适应模糊动态面控制和自适应滑模动态面控制等。

  • KHALIL H K.非线性系统.3版.朱义胜,董辉,李作洲,等,译.北京:电子工业出版社,2011.

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