理论:鲁棒控制与不确定性
模型不确定性 KT-ctrl-030
定义模型不确定性指控制所基于的标称模型与实际系统的偏差,包括参数不确定(参数漂移)、未建模动态(被忽略的高频/高阶动力学)和外部干扰;鲁棒控制核心目标是在这些不确定性存在时仍保持满意性能。
数学加性 G_p=G_n+Δ_a;乘性 G_p=G_n(1+Δ_m),Δ∈BH_∞,‖Δ‖_∞≤1;结构化用 Δ=diag(δ_i)块对角;小增益定理保证 ‖Δ‖_∞·‖M‖_∞<1。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-001 | S2 | Wikipedia Robust control |
| SRC-002 | S1 | Zhou & Doyle《Essentials of Robust Control》 |
鲁棒稳定性 vs 标称稳定性 KT-ctrl-031
定义标称稳定保证控制器在精确标称模型上稳定;鲁棒稳定保证真实模型在给定不确定性集合内任意偏离标称模型时闭环仍稳定。
数学标称稳定 A_cl=BK 特征值全在左半平面;鲁棒稳定(小增益定理)‖W_m T‖_∞≤1 对所有 Δ;鲁棒性能同时要求 ‖W_s S‖_∞<1 与 ‖W_m T‖_∞<1。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-003 | S2 | Wikipedia H-infinity methods(次级背景,不作独立结论) |
| SRC-004 | S1 | Zames 1983 TAC "Feedback, minimax sensitivity, and optimal robustness"(期刊版,H∞ 奠基论文) |
鲁棒控制方法(H∞/μ综合/滑模控制) KT-ctrl-032
定义H∞ 控制最小化干扰到输出 H∞ 范数(worst-case 增益)同时保证鲁棒稳定性与性能(频域最优);μ综合引入结构化奇异值处理结构化不确定性降低保守性;滑模控制设计滑模面使轨迹沿滑模面滑动,对模型不确定与干扰具不变性(时域鲁棒)。
数学H∞ min_K‖T_zw‖_∞,‖T‖_∞=sup_ω σ̄(T(jω));μ综合 μ(M)=1/min{k:∃Δ,det(I−MΔ)=0},sup‖μ≤1 保证鲁棒;滑模 s=0,控制律 u=−k·sat(s) 保证 s·ṡ<0,滑模面上扰动被完全抵消。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-005 | S2 | Wikipedia Sliding mode control |
| SRC-006 | S1 | Doyle 1982 IEE Proceedings D |
| SRC-007 | S1 | Zames 1983 TAC "Feedback, minimax sensitivity, and optimal robustness"(H∞/worst-case 奠基,与 SRC-004 同源校正) |
冗余与仲裁(多冗余表决/容错) KT-ctrl-033
定义容错控制通过复制冗余组件(N-模冗余 NMR)+多数表决仲裁机容忍单个组件故障;三模冗余(TMR)用三个独立通道+多数表决器,任一通道失效输出仍正确;异质冗余通过多样化设计抵消共模/系统性错误。
数学TMR 可靠度 R_TMR=3R²−2R³;M-out-of-N 表决 R=∑(i=M..N)C(N,i)R^i(1−R)^(N−i);输出=多数一致值,当且仅当 ≥M 通道一致时仲裁通过。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-008 | S2 | Wikipedia Fault tolerance |
| SRC-009 | S2 | Wikipedia Fault-tolerant computing |
安全边际/硬约束限幅(输入饱和/看门狗) KT-ctrl-034
定义输入饱和指执行机构输出受物理硬限幅(如 ≤U_max),产生不可实现的控制量;当控制器积分累积使输出超限时发生积分饱和(windup),需限幅器/anti-windup 防止失控;看门狗是超限即拦截的硬保护。
数学执行器饱和 u=sign(u_c)·min(|u_c|,u_sat);积分 windup 在 ∫e dt 超限时发生;anti-windup 饱和时冻结积分 o[r]=sat(K·e),限制 ‖u‖_∞≤U_max。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-AW-01 | S1 | arXiv 2606.01959 Anti-Windup in PID Control: Review (Caparroz, Soltesz, Hägglund, Guzmán) |
| SRC-AW-02 | S1 | arXiv 2311.00433 Decentralized PI-control and Anti-windup in Resource Sharing Networks (Tarbouriech, Zaccarian et al.) |
干扰抑制/扰动观测器(DOB) KT-ctrl-035
定义扰动观测器(DOB)是内环输出反馈控制器,在线估计作用于系统的外部扰动(含参数摄动/未建模动态之和),并在外环基线控制器输出中减去该估计值抵消扰动,使闭环在扰动下鲁棒、逼近无扰动标称响应。
数学经典 DOB (Chen 2004) 扰动估计 d̂=P_n⁻¹(s)·u−y;补偿后 u=u₀−d̂;Kobayashi 频域 u_c=(U_ff)/Q(s)+Q(s)·y,Q(s) 低通滤波 ‖Q‖_∞≤1 限噪镇定。
📚 证据来源
| SRC | 级别 | 信源 |
|---|---|---|
| SRC-012 | S1 | Chen 2004 IEEE/ASME Trans Mechatronics |
| SRC-013 | S1 | DOB 35th Anniversary Overview arXiv:2203.12855 |