[發(fā)明專利]一種時延非線性時變系統(tǒng)的有限時間實時控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011111949.0
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112255916B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設計）人: 陳海洋
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京睿之博知識產權代理有限公司 32296
• 代理人: 劉菊蘭

本發(fā)明公開了一種時延非線性時變系統(tǒng)的有限時間實時控制方法，包括：建立時變系統(tǒng)狀態(tài)空間模型；設計時變反饋控制律，建立閉環(huán)時變系統(tǒng)狀態(tài)空間模型；通過閉環(huán)時變系統(tǒng)關于魯棒有限時間有界的條件和基于能量函數(shù)的有界判定輔助方程，得到有限時間實時控制策略的存在條件；通過給定參數(shù)、初始化參數(shù)、不等式組求解、修改初始化參數(shù)等步驟設計控制器求解算法，并計算控制器增益序列，設計有限時間實時控制律，開展魯棒有限時間有界控制。本發(fā)明提供了一種實時計算方法，降低了離線計算在工程實現(xiàn)上和設計條件的保守性，有效降低外部擾動對系統(tǒng)性能的破壞，為時延受擾系統(tǒng)的有限時間控制律的設計提供了理論指導。

技術領域

本發(fā)明屬于帶有時延和非線性動態(tài)的受擾系統(tǒng)的控制領域，具體涉及一種時延非線性時變系統(tǒng)的有限時間實時控制方法。

背景技術

有限時間控制是控制領域中的一個重要方向，其目的是在指定時間段內將目標狀態(tài)約束在期望的范圍內。在許多實際工程應用中，出于設備安全的考慮，系統(tǒng)狀態(tài)通常不能超過某些給定值；與此同時，預期的控制效果往往要求在有限時間內完成。鑒于其為完成前述兩項任務提供了有效的解決方案，有限時間控制在目標跟蹤、火箭發(fā)射、機器人控制、化學反應釜溫度控制等眾多科技行業(yè)中得到了廣泛的運用。

隨著計算機和通訊技術的不斷發(fā)展，基于網絡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫綇V泛運用，并在包括有限時間控制在內的自動控制領域受到了越來越多的關注。然而，受制于節(jié)點有限的通信資源，網絡傳輸面臨著擁堵和丟包(擁堵時間過長導致的一種嚴重后果)的風險，這種風險本質上屬于時延的潛在破壞。與此同時，系統(tǒng)實際運行環(huán)境的不確定或惡意攻擊者的破壞，使被控系統(tǒng)的運行不得不經受來自外部未知干擾的考驗。時延和干擾的存在對系統(tǒng)的控制性能構成了威脅，嚴重時將導致不必要的經濟損失甚至人身危險。此外，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的構造往往具有高度的復雜性，其顯著表現(xiàn)就是系統(tǒng)動態(tài)的非線性特性和系統(tǒng)參數(shù)的時變性。以上這些因素都給系統(tǒng)的有限時間控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

綜上所述可知，如何在時延和未知外部擾動同時存在的條件下，針對非線性系統(tǒng)進行有效的控制器設計，從而在指定時間段內將目標的系統(tǒng)狀態(tài)約束在一個可接受的范圍，并達到期望的干擾抑制水平，具有重要的研究價值。

發(fā)明內容

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術中時延、非線性動態(tài)和外部擾動共存的工程背景下，時變系統(tǒng)在給定時間內的狀態(tài)約束和干擾抑制問題，本發(fā)明公開了一種時延非線性時變系統(tǒng)的有限時間實時控制方法，在時延、非線性動態(tài)和未知外部擾動同時存在并影響系統(tǒng)性能的情況下，在有限時間內實現(xiàn)預期的狀態(tài)約束，為時變系統(tǒng)的有限時間控制律的設計提供了理論指導。

技術方案：本發(fā)明采用如下技術方案：一種時延非線性時變系統(tǒng)的有限時間實時控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、建立具有時延、非線性動態(tài)和未知外部擾動的時變系統(tǒng)狀態(tài)空間模型；

S2、基于步驟S1中的時變系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，設計時變反饋控制律，并建立閉環(huán)時變系統(tǒng)狀態(tài)空間模型；

S3、針對步驟S2中的閉環(huán)時變系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，通過閉環(huán)時變系統(tǒng)關于魯棒H∞有限時間有界的條件和基于能量函數(shù)的有界判定輔助方程，得到有限時間實時控制策略的存在條件；

S4、根據(jù)步驟S3中的存在條件，設計控制器求解算法，并計算反饋控制增益序列，設計有限時間實時控制律，開展魯棒有限時間有界控制，實現(xiàn)對具有時延、非線性動態(tài)和未知外部擾動的時變系統(tǒng)的有限時間實時控制，包括：給定時變系統(tǒng)參數(shù)；初始化參數(shù)；在給定的時間區(qū)間內根據(jù)每個時刻的線性矩陣不等式組約束求解，若存在可行解，則將對應時刻的時變反饋控制器增益保存；若不存在可行解，則修改參數(shù)，若修改后的參數(shù)符合要求則重新求解，直至得到給定的時間區(qū)間內所有時刻的反饋控制增益序列，據(jù)此設計實時的反饋控制律；若修改后的參數(shù)不符合要求則無法設計實時的反饋控制律。

優(yōu)選地，步驟S1中，時變系統(tǒng)狀態(tài)空間模型如下：