Control Systems with Actuator Saturation: Analysis and Design

غیرخطی های اشباع در سیستم های مهندسی همه جا وجود دارند. در سیستم‌های کنترل، هر محرک فیزیکی یا حسگر به دلیل حداکثر و حداقل حد خود در معرض اشباع است. اگر فیلتر دیجیتال در قالب یک کلمه متناهی اجرا شود، در معرض اشباع است. غیرخطی های اشباع نیز به طور عمدی در سیستم های مهندسی مانند سیستم های کنترل و سیستم های شبکه عصبی وارد می شوند. صرف نظر از چگونگی ایجاد اشباع، تجزیه و تحلیل و طراحی سیستمی که حاوی غیرخطی های اشباع است، یک مشکل مهم است. این مشکل نه تنها از نظر تئوری چالش برانگیز است، بلکه از نظر عملی نیز ضروری است. این کتاب در نظر دارد سیستم های کنترل با اشباع محرک را به صورت سیستماتیک مطالعه کند. همچنین برخی از نتایج مرتبط را در مورد سیستم هایی با اشباع حالت یا اشباع حسگر ارائه خواهد کرد. به طور کلی، دو استراتژی برای مقابله با اشباع محرک وجود دارد. راهبرد اول نادیده گرفتن اشباع در مرحله اول فرآیند طراحی کنترل و سپس افزودن برخی طرح‌های خاص برای مقابله با اثرات نامطلوب ناشی از اشباع است. این طرح‌ها، که به عنوان طرح‌های ضد باد کردن شناخته می‌شوند، معمولاً با استفاده از تغییرات موقت و شبیه‌سازی‌های گسترده معرفی می‌شوند. ایده اصلی پشت این طرح ها ارائه بازخوردهای اضافی به گونه ای است که محرک به درستی در محدوده خود باقی بماند. بسیاری از این طرح‌ها منجر به بهبود عملکرد می‌شوند، اما ویژگی‌های پایداری درک ضعیفی دارند.

Saturation nonlinearities are ubiquitous in engineering systems. In control systems, every physical actuator or sensor is subject to saturation owing to its maximum and minimum limits. A digital filter is subject to saturation if it is implemented in a finite word length format. Saturation nonlinearities are also purposely introduced into engineering systems such as control sys­ tems and neural network systems. Regardless of how saturation arises, the analysis and design of a system that contains saturation nonlinearities is an important problem. Not only is this problem theoretically challenging, but it is also practically imperative. This book intends to study control systems with actuator saturation in a systematic way. It will also present some related results on systems with state saturation or sensor saturation. Roughly speaking, there are two strategies for dealing with actuator sat­ uration. The first strategy is to neglect the saturation in the first stage of the control design process, and then to add some problem-specific schemes to deal with the adverse effects caused by saturation. These schemes, known as anti-windup schemes, are typically introduced using ad hoc modifications and extensive simulations. The basic idea behind these schemes is to intro­ duce additional feedbacks in such a way that the actuator stays properly within its limits. Most of these schemes lead to improved performance but poorly understood stability properties.