[發明專利]一種自適應反饋保護動態面控制器結構及設計方法

有效

• 申請號: 201210257919.X
• 申請日: 2012-07-24
• 公開（公告）號: CN102749843A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 彭周華;王丹;孫剛;王昊;嚴浪濤;李景君
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/00
• 分類號: G05B13/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種自適應反饋保護動態面控制器結構，由n級子控制器組成，第1級子控制器的輸入端與參考信號r相連，第1級子控制器的輸出端α₂與第2級子控制器的輸入端相連，依此類推，第i-1級子控制器的輸出端α_i與第i級子控制器的輸入端相連，直到第n-1級子控制器的輸出端α_n與第n級子控制器的輸入端相連，第n級子控制器的輸出端u與被控系統的輸入端相連；

其特征在于：所述的第i級子控制器由濾波器單元、比較器單元、線性控制單元、逼近器單元、反饋保護單元和求和器單元構成，濾波器單元的輸入端與反饋保護單元的輸出端和第i-1級子控制器的輸出端相連；濾波器單元的一個輸出端與求和器單元的輸入端相連，其另一個輸出端與比較器單元的輸入端相連；比較器單元的輸入端還與被控系統的狀態相連、比較器單元的輸出端分別與線性控制單元和逼近器單元的輸入端相連；線性控制單元的輸出端與求和器單元的輸入端相連；逼近器單元的輸入端還與被控系統的狀態相連、逼近器單元的輸出端與求和器單元的輸入端相連；反饋保護單元的輸入端分別與被控系統的狀態和求和器單元的輸出端相連；

所述的第n級子控制器由濾波器單元、比較器單元、線性控制單元、逼近器單元和求和器單元構成，濾波器單元的輸入端與第n-1級子控制器的輸出端相連；濾波器單元的一個輸出端與求和器單元的輸入端相連、其另一個輸出端與比較器單元的輸入端相連；比較器單元的輸入端還與被控系統的狀態相連；線性控制單元的輸出端與求和器單元的輸入端相連；逼近器單元的輸入端還與被控系統的狀態相連、其輸出端與求和器單元的輸入端相連；第n級子控制器的輸出端u與被控系統的輸入端相連；

所述的被控系統可由下列n階下三角單輸入單輸出不確定非線性系統形式來描述：?

其中x_i∈R為被控系統第i級子系統的狀態；u∈R為被控系統的控制輸入；?為未知的非線性函數，?2≤i≤n；y∈R為被控系統的輸出；所述的被控系統包括嚴格反饋和仿射純反饋兩類不確定非線性系統；所述的被控系統的控制目標是設計一種控制器u使得輸出y跟蹤一個外部參考信號r。

2.一種自適應反饋保護動態面控制器結構的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、第1級子控制器設計

A1、第1級濾波器單元：將第1級濾波器輸入端分別與外部輸入信號r和第1級反饋保護單元的輸出信號v_h1相連，所述的輸出信號v_h1經過下列濾波器

得到第1級濾波器單元的輸出信號?和x_1r，其中γ₁>0為常值；

A2、第1級反饋保護單元：第1級反饋保護單元的輸入端與被控系統中第2級子系統的狀態x₂和第1級子控制器輸出端信號α₂相連，所述的狀態x₂和信號α₂經過下列變換

v_h1＝-(x₂-α₂)????????????(3)

得到第1級反饋保護單元的輸出信號v_h1；

A3、第1級比較器單元：第1級濾波器單元的輸出信號x_1r和被控系統中第1級子系統的狀態x₁與比較器單元的輸入端相連，經下列變換得到比較器的輸出端信號e₁

e₁＝x₁-x_1r????????????????(4)

A4、第1級線性控制單元：第1級線性控制單元的輸入端與比較器單元的輸出端e₁相連，經過下列比例控制?

α_dc1＝-k₁e₁????????????????(5)

得到第1級線性控制單元的輸出端信號α_dc1，其中k₁>0為常數；

A5、第1級逼近器單元：第1級逼近器單元的一個輸入端與被控系統前2級子系統的狀態?相連，另一個輸入端與第1級比較器單元的輸出端e₁相連；采用逼近器的主要目的在于對被控系統中的未知非線性?進行在線估計，所述的逼近器是神經網絡、模糊系統或小波網絡；所述的神經網絡、模糊系統或小波網絡對?進行在線逼近，則?可以表示為?統一形式，其中W_i∈R^1×s為權值矩陣，?為已知基函數組成的向量，其形式為?于是得到第1級逼近器單元的輸出端信號

為權值W₁的估計矩陣并通過下列方程進行在線更新

其中k_w>0和Γ₁>0均為常數；

A6、第1級求和器單元：將第1級線性控制單元的輸出端信號α_dc1、第1級逼近器單元的輸出端信號α_ad1和第1級濾波器單元的輸出端信號?與第1級求和器單元的輸入端相連，得到第1級子控制器的輸出端信號α₂

B、第i級子控制器設計

B1、第i級濾波器單元：第i級濾波器單元的一個輸入端與第i-1級子控制器的輸出端信號α_i相連，另一個輸入端與第i級反饋保護單元的輸出端信號v_hi相連，經過下列低通濾波器

得到第i級濾波器單元的輸出端信號?與x_ir，其中γ_i>0為常數，1<i＜n；

B2、第i級反饋保護單元：第i級反饋保護單元的一個輸入端與被控系統中第i+1級子系統的狀態x_i+1相連，另一個輸入端與第i級子控制器的輸出端信號α_i+1相連，所述的信號α_i+1與狀態x_i+1經過下列變換

v_hi＝-(x_i+1-α_i+1)????????????????????(10)?

得到第i級反饋保護單元的輸出端信號v_hi；

B3、第i級比較器單元：第i級濾波器單元的輸出端信號x_1r和被控系統中第1級子系統的狀態x₁與比較器單元的輸入端相連，經下列變換

e_i＝x_i-x_ir????????????????????????(11)

得到第i級比較器單元的輸出端信號e₁;

B4、第i級線性控制單元：第i級線性控制單元的輸入端與比較器單元的輸出端e_i相連，經過下列比例控制

α_dci＝-k_ie_i??????????????????????(12)

得到第i級線性控制單元的輸出端信號α_dci，其中k_i>0為常數；

B5、第i級逼近器單元：與第一步D類似，第i級逼近器控制的一個輸入端與被控系統前i+1級子系統的狀態?相連，另一個輸入端與第i級比較器單元的輸出端信號e_i相連，經過下列逼近器

得到第i級逼近器單元的輸出端信號α_adi，其中為Γ_i>0和k_w>0常數；

B6、第i級求和器單元：將第i級線性控制單元輸出α_dci、第i級逼近器單元的輸出α_adi和第i級濾波器單元的輸出?與第i級求和器單元的輸入端相連，經過下列變換

得到第i級子控制器的輸出端信號α_i+1；

重復步驟B1-B6遞推設計得到第2到第n-1級子控制器結構；

C、第n級子控制器的設計

C1、第n級濾波器單元：將第n-1級子控制器的虛擬控制的輸出信號α_n與第n級濾波器單元的輸入端相連，經過下列低通濾波器

得到第n級濾波器的輸出信號?與x_nr，其中γ_n>0為常數；

C2、第n級比較器單元：第n級比較器單元的一個輸入端與第n級濾波器單?元的輸出端信號x_nr相連，另一個輸入端與被控系統中第n級子系統的狀態x_n，所述的信號x_nr和狀態x_n經下列變換

e_n=x_n-x_nr????????????????????????(17)

得到第i級比較器單元的輸出端信號e_n;

C3、第n級線性控制單元：第n級比較器單元的輸出端信號e_n與第n級線性控制單元的輸入端相連，所述的信號e_n經下列比例控制

α_dcn＝-k_ne_n?????????????????????(18)

得到第n級線性控制單元的輸出信號α_dcn，其中k_n>0為常數；

C4、第n級逼近器單元：第n級逼近器單元的一個輸入端與被控系統前n級子系統狀態?相連，另一個輸入端與第n級比較器單元的輸出端信號e_n相連，所述的狀態?和信號e_n經過下列逼近器

得到第n級逼近器單元的輸出端信號α_adn，其中Γ_n>0為常數。

C5、第n級求和器單元：將第n級線性控制單元的輸出信號α_dcn，第n-1級逼近器單元的輸出信號α_adn和第n級濾波器單元的輸出信號?與第n級求和器單元的輸入端相連，所述的信號α_dcn，信號α_adn和信號?經過下列變換

得到被控系統總的控制輸入u。?