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无源控制

/passive control/
条目作者陈谋

陈谋

最后更新 2023-03-07
浏览 187
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依靠系统无源性的基本理论,结合无源性与李雅普诺夫稳定性的密切关系,从系统能量属性角度出发来研究系统控制问题的方法。

英文名称
passive control
所属学科
控制科学与工程

无源性是稳定性的一种更高层次的抽象,构造一个李雅普诺夫函数来对系统进行稳定性分析的方法,可转化为构造一个使系统无源的存储函数。一般说来,耗散性理论在系统分析与控制研究中起着重要的作用,其本质含义是存在一个非负的能量函数(即存储函数),使得系统的能量损耗总小于能量的供给。无源系统正是由于系统内部消耗的能量小于外部供给的能量,从而可以保持系统的内部稳定。对于存在干扰的系统来说,为了使得系统内部稳定,可以依靠无源性理论来构造反馈控制器,使得响应的闭环系统无源而保持内部稳定。

研究耗散性和无源性理论的主要出发点在于它们提出了一种控制系统设计与分析的思想,即从能量的角度,以输入输出的方式描述控制系统分析和设计的新框架,为李雅普诺夫函数的构造提供了新方法。在现代控制理论中,经常要用到李雅普诺夫函数,但统一可行的构造方法并不多,而无源系统的存储函数在一定条件下便可以作为李雅普诺夫函数。同时耗散性和无源性理论可方便研究受控动态系统的诸如系统镇定、调节问题、鲁棒控制、自适应控制、最优控制等问题。

无源性概念最初来源于网络,用于处理相对阶不超过1的由电容、电阻、电感组成的有理传递函数。苏联学者A.I.鲁里叶(A.I.Lurie)和罗马尼亚控制理论专家V.M.波波夫(Vasile Mihai Popov,1928~ )最早将无源性概念引入到控制当中,经过了俄罗斯控制理论专家V.A.雅库博维奇(Vladimir Andreevich Yakubovich,1926~2012)、美国控制理论专家R.E.卡尔曼(Rudolf Emil Kalman,1930~2016)、加拿大控制理论专家G.扎姆斯(George Zames,1934~1997)、美国电路与控制理论专家C.A.德瑟(Charles A.Desoer,1926~2010)、 比利时控制理论专家J.C.威廉斯(Jan Camiel Willems,1939~2013)等人的发展形成了现有的无源性概念。现在常讨论的无源性定义有两类:一类是在研究非线性系统的输入输出特性时,根据正实网络的耗能特性给出的基于输入输出的无源性;另一类是基于状态空间描述,由系统耗散性引出的无源性定义。耗散性定义是在研究诸如热动力系统、电网等这类能量以热量形式耗散的系统中给出的。

由于无源控制理论是从系统的能量入手,寻求与被控量相关的能量函数,设计的无源控制律可使能量按期望的能量函数分布,从而达到控制目的。利用无源控制理论设计的系统可实现系统的全局稳定,无奇异点问题,对系统参数变化及外来扰动有较强的鲁棒性,是一种本质上的非线性控制方法。无源控制方法最早应用于机器人控制,后来墨西哥学者R.奥尔特加(R.Ortega)等将无源性概念引入电力电子装置和电机控制中,使控制器得到了简化,从而拓展了无源控制的应用前景。无源控制理论已经成为研究系统控制的几种最主要的方法之一,在电路、网络、电力、热力学等方面也正发挥着越来越重要的作用。在实际工程中,多数非线性系统模型可表示成仿射非线性、欧拉-拉格朗日方程及哈密顿方程的形式,结合上述方程和系统的无源性进行系统无源控制器设计,已成为解决工程实际问题的有效途径。

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