[發明專利]一種基于正全維觀測器的正系統動態輸出反饋抗干擾控制方法

在審

• 申請號: 201810232293.4
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108388133A
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發明（設計）人: 喬建忠;許昱涵;郭雷;朱玉凱;崔洋洋
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;鄧治平

本發明涉及一種基于正全維觀測器的正系統動態輸出反饋抗干擾控制方法；首先，針對含有外部干擾的線性連續正系統，以系統狀態和干擾為增廣狀態，得到一個正性增廣系統；其次，針對正性增廣系統設計可以保證狀態觀測值始終為正的正全維觀測器；再次，基于由全維觀測器得到的估計量，設計具有干擾抵消作用的正系統動態輸出反饋抗干擾控制律；最后，以原正系統狀態、狀態估計誤差與干擾估計誤差的線性組合為狀態變量，得到一個閉環系統，基于線性偕正Lyapunov函數給出閉環系統為漸近穩定正系統的條件，并通過線性規劃算法解算控制器和觀測器參數，此方法可用于正系統存在復雜干擾下和無法測量得到系統狀態情形下的穩定控制問題。

技術領域

本發明涉及一種基于正全維觀測器的正系統動態輸出反饋抗干擾控制方法，此方法可用于正系統存在復雜干擾、無法測量得到系統狀態情形下且對系統極點存在一定要求的穩定控制問題。

背景技術

正系統是一類要求系統變量和系統輸出始終保持非負的系統，這一類系統在很多領域中有重要應用。在包括經濟學、社會科學、生物醫藥學等領域，進行分析與研究的對象狀態通常具有非負性質，如經濟學中的概率、社會科學中的人口數量、生物醫藥學中的濃度劑量等概念，尤其適合應用正系統相關概念對其進行描述。在實際正系統控制任務中，正系統對象的復雜性和環境的多樣性會為被控系統帶來復雜的外部干擾，對控制系統的性能產生嚴重影響，因此，復雜干擾情況下的正系統抗干擾控制成為了亟需解決的問題。同時，在很多情況下，由于測量手段的缺乏或測量環境的復雜，系統的狀態無法通過測量得到或測量得到的系統狀態存在嚴重噪聲，以至于無法應用系統狀態量進行正系統的控制器設計，此時，利用系統可測量得到的輸出信息進行正系統的輸出反饋控制成為了必要的手段。輸出反饋控制本質上來講是利用部分狀態信息的有效組合進行反饋控制，這種不完備性導致系統在極點配置上具有一定的局限性，因而可以通過利用動態輸出反饋的方式進行正系統控制。動態輸出反饋控制利用系統輸出量設計狀態觀測器，并基于狀態估計值構成最終的反饋控制律，可見，觀測器的設計對于動態輸出反饋控制器至關重要。然而，正系統定義在錐體上，而非歐式線性空間上，對正系統系統狀態、輸出變量的非負性限制，使得一般系統的很多結論不再適用于正系統，其中就包括觀測器的設計以及系統穩定性判據等，因而需要設計針對正系統的正觀測器，以保證正系統狀態估計值的正性，并提出一種基于正全維觀測器的正系統動態輸出反饋抗干擾控制方法使得正系統最終漸近穩定。這種基于正全維觀測器的正系統動態輸出反饋抗干擾控制方法在工程應用上有巨大潛力，具有抗干擾、工程實用性高等特點。

目前，針對正系統的控制問題，有學者進行了方法研究和專利申請。中國專利申請號為201610432088.3中提出了一種基于線性Lyapunov方法的時滯正系統的輸出反饋控制器設計方法，針對帶有干擾的時滯正系統，設計輸出反饋控制器使得系統穩定并滿足L1性能，但存在問題如下：(1)此專利提出的控制方法對干擾采取的是抑制的方式，干擾抑制通常需要利用干擾上界進行抑制和控制，因而單純抑制干擾會帶來較大的保守性；(2)應用靜態輸出反饋使得閉環正系統在配置極點方面具有局限性，并且未涉及到正觀測器的設計相關內容。當然，對于一般系統輸出反饋控制的研究成果很多。中國專利申請號為201710775956.2中提出了一種LPV系統輸出反饋控制器，但此專利存在三個問題：(1)系統對象為普通系統，沒有系統狀態與輸出為正性的正系統特征，與本發明的研究對象不同；(2)輸出反饋器采用靜態輸出反饋，在配置極點方面具有局限性，且不涉及觀測器設計方面的內容；(3)對于系統中存在的干擾，采用H_∞控制進行干擾抑制，但單純的干擾抑制會帶來較大的保守性；中國專利號為201610196301.5中提出了一種無拖曳衛星相對位移通道的輸出反饋抗干擾控制方法，但存在以下問題：(1)此專利以無拖曳衛星為研究對象，實際上是對一個一般系統進行控制器設計，與本發明中的正系統不同；(2)此專利構建二次型Lyapunov函數證明閉環系統穩定性，此方法在進行正系統穩定性驗證時較為復雜，與本發明中應用的偕正Lyapunov函數進行正系統穩定性的方法不同；(3)此專利中設計的狀態觀測器無法保證對系統的狀態觀測值為正，對于正系統對象狀態沒有意義。為解決上述提到的問題，亟需設計一種基于正全維觀測器的正系統動態輸出反饋抗干擾控制方法。