[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

技術領域

本發明涉及自適應控制技術領域，尤其涉及一類下三角不確定非線性系統的自適應反饋保護動態面控制器結構及設計方法。

背景技術

反推法（Backstepping）由于具有設計過程清晰，控制律容易推導等特點在不確定非線性系統的自適應控制器設計方面受到廣泛重視與發展。然而，基于反推法設計的控制器存在一種缺陷，即“計算復雜性”問題。由于反推法在每步遞推的過程中需要對虛擬控制律進行求導，導致控制器的項數隨系統階數的增長呈爆炸性增長，因而使得控制器結構形式復雜，大大增加了控制算法的計算負荷，不利于實際的工程應用。為了克服以上問題，美國控制學者Swaroop提出了動態面控制（Dynamic?Surface?Control，DSC）方法，通過引入低通濾波器對虛擬控制律進行估計，解決了不確定非線性系統因反推法設計帶來的“計算復雜性”問題。近年來，大連海事大學王丹等將動態面與神經網絡自適應控制技術相結合，提出了一種針對含未知非線性嚴格反饋單輸入單輸出系統的動態面神經網絡自適應控制方法。隨后，王丹等將該方法進一步拓展到含未知非線性仿射純反饋三角形單輸入單輸出系統的情形。然而，基于反推法和動態面設計的控制器在求導與濾波的過程中容易使得控制信號陷入飽和，表現為在起始階段容易產生較大的控制輸入信號，系統的輸入暫態性能較差，因此嚴重影響和制約了以上兩種控制器設計方法的實際工程應用。

發明內容

為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種自適應反饋保護動態面控制結構及設計方法，不僅可以顯著降低控制器的結構復雜性，而且可以避免產生較大的初始控制輸入信號，從而極大地提高控制器的輸入暫態性能。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：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；

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；

一種自適應反饋保護動態面控制器結構的設計方法，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