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基于系统侵入与不变流行的非线性系统自适应控制

2024-06-07 来源:爱问旅游网
第27卷第7期 计算机应用研究 V01.27 No.7 2010年7月 Application Research of Computers Ju1.2010 基于系统侵入与不变流行的 非线性系统自适应控制 樊小红,巨永锋,闫茂德 (长安大学电子与控制工程学院,西安710064) 摘要:考虑了一类具有非参数不确定非线性系统的自适应控制问题,基于系统侵入与不变流行概念,选用含 有系统状态的参数误差表达式,应用非线性阻尼方法,处理参数估计误差中的不确定项,确保参数估计对外界干 扰的鲁棒性。应用滑模积分反推法,确定了系统的控制率,证明了在该控制律的作用下系统平衡点全局渐近稳 定。该方法设计过程简单,参数估计误差具有良好的动态性能,而且避免了积分反推法无自适应调节时出现的 系统不稳定问题 仿真结果表明,所设计的控制器对非参数不确定性具有很强的稳定性和鲁棒性。 关键词:非参数不确定;自适应控制;系统侵入与不变流行;稳定性 中图分类号:TP273 文献标志码:A 文章编号:1001—3695(2010)07—2569—03 doi:10.3969/j.issn.1001—3695.2010.07.047 Adaptive control for class of nonlinear system based on system immersion and invariant approach FAN Xiao—hong,JU Yong—feng,YAN Mao—de (School of Electronic&Control Technology,Chang’an University,Xi’an 7 10064,China) Abstract:This paper considered the problem of nonlinear adaptive control for a class of uncertain nonlinear system with non— parameter uncertain tern1.Based on system immersion and manifold invariant notion.chose parameter estimate eⅡor equation included system state.By means of nonlinear damping approach,derived new update parameter law,which could guarrntee the robust of external disturbance.Obtained the law of input eontrol based on sliding mode integration backsteping method.Proved the asymptotica[stability of the closed loop system under the obtained control law.The proposed method designed simply.It had not only the better transient performance,but also overcome the unstable problem of backstepping without adaptive prosess. Simulation results show that the proposed controllers have good stability and robustness for nonparameter uncertain parts. Key words:nonparameter uncertain;adaptive control;immersion and manifold invariant;stability 设计相分离的思想,构建了新的参数估计表示式,应用反推法 0 引言 得到控制率。这个方法不仅可以设定参数收敛的速度,而且克 反步设计 方法是研究严格反馈非线性系统或者可以等 服了反步法无自适应调节时会得到不稳定的控制器的问题,成 价成严格反馈形式的非线性系统的稳定控制的有力工具之一。 为当前自适应控制的新方向。文献[8]研究了不确定线性参 该方法设计的特点是:选择一个包含闭环系统全部状态和参数 数的自适应控制。文献[9]将这种方法推广到线性多变量系 估计偏差的Lyapunov函数,根据确定性等价原理设计参数更 统控制中。但是,以上的研究均针对参数不确定非线性系统, 新率,通过递推设计实现控制器设计过程的系统化、结构化。 在实际应用当中,由于建模的误差和不精确性,模型不可避免 反步法的成功大大激发了研究者的兴趣。文献[2]提出基于 地存在非参数不确定性,研究具有非参数不确定系统的控制具 调节函数的方法解决了过参数化问题。文献[3]将滑模变结 有实际意义。本文在文献[8]的基础上,组合滑模控制研究了 构法与反推法相结合研究了含有外界干扰的鲁棒自适应控制。 同时具有参数、非参数不确定性的非线性系统的自适应控制。 文献[4]针对反步法存在的计算膨胀问题,引入一阶滤波器, 应用非线性阻尼法处理参数估计误差中的不确定项,得到估计 提出自适应动态面控制法。目前,反步法仍存在一些不近人意 误差收敛的条件。针对状态误差方程中的不确定项,将滑模控 的问题 ,参数白适应律的选择限定为Lyapunov型算法,参 制与积分反推法相结合得到系统控制率,最后对系统的稳定性 数估计形式单一;参数估计仅保证估计参数有界收敛,对于参 做了证明。 数调节时暂态性能的改善无能为力。参数收敛后无自适应调 1 系统描述 节时会得到不稳定的控制器。作为严格反馈系统控制的新近 发展,文献[7]提出了一种基于模块化的自适应控制方法,它 (t)=x (t)+ ( (t),t)0+d (t) 在系统侵入与不变流行的慨念基础上,采用参数辨识与控制器 x (f)=“(t)+ ( (t), )0+d (t) 收稿日期:201O-O1.07;修回日期:2010—02—02 作者简介:樊小红(1971.),女,陕西舍阳人,讲师,博士研究生,主要研究方向为交通管理与控制、非线性控制(xhfan@chd.edu.CB);巨永锋 (1963.),男,教授,博导,主要研究方向为交通管理与控制、交通仿真、非线性控制;闰茂德(1974一),男,教授,硕导,主要研究方向为非线性控制. ・2570・ 计算机应用研究 第27卷 其中:1≤i≤ 一1, (t)=[ l, 2,‘。‘, j , =l戈1,X2,…, 取Lyapunov函数为Vl: 1 , l:X2+ ( 1) +dl(t)一 ] ∈R 是系统状态变量; R是系统输入; (‘)∈R 是 已知的向量场;是未知的常数向量;控制d (t)为系统未知有界 干扰,满足ld (f)I≤ ,h 为一正数。 控制的目的是选择合适的控制律u,使在同时存在如上的 参数不确定性和非参数不确定性的条件下,式(1)的输出 能 跟踪期望的输出%。 :。 取 :~ 。一 ( ) ( +卢 ( 。))+ —x丁,h1~: 2x, ≤2 。(一 x。+x:一 ( Tz,)+A,x‘:= +,2( -, :) + )一鲁 。一互 一 ox;( ( “㈩); =一 :; 一 (Xl ̄X2) ( + X1) ))+ -+ 2控制器设计 一 一定理1对于给定的系统,卢 满足 (等 A+鲁 T)(¨ ), ( 一, )= 』 ( 1,…,Xi一1 ) = ≤ (一(r2 + ( ) )+ ( TzI)+2A 则虚拟控制率为 类似的,第n步: .+l=一dri( i) ’.一, ,0 一,a )一 ( 一。X. 一 (¨ … ))+高i-1 0xi*¨ ̄ ㈤一 + xn=it(£)+o ̄o(x (£))+ (t)一k=l’攀O ̄k ,t ( t … ) + ))_ ( + ( …^) (a … )))一 =l O.xk( 鲁 2- 对于第n步,应用滑模变结构控制得 Ⅱ=一 ; 一 ( 1,-一, ) (a +13 ( l,・--, ))一 一 k-h,,sign(x ” ) 篱 k-h.sisn( 一- -,t oW  ̄x./A+x +: 誓( + (a +卢 ( , 一,・一, ))+:)+  o∑.=1 ao x : ( +-l+ ( (,XI,…, ) ) ( …, ) )( + ( … ))= l+华一^ s (; ) (¨ ・^ ( /A 1=(c1+hl。)( 1一XI*) (Gf+hi2)( )+ 峨 OXi*( ≤互 (一 x 一 xl,…, )T; + -=。Xi*)+( - ・) ,… n-1)A 对于i=2,…,n,玑A分别为小的正常数,Ci为正常数,上 述系统跟踪误差有界收敛,且lim (t)= (t)。 取Lyapunov函数为 ㈨ 控制器的设计分两步: ^= 1 :+筝 ) a)估计参数0的取值。 则导数为 首先,定义未知参数0的估计偏差: : 一o+卢 ( l,…, )i=1, 一,n (;, )≤一2x1 l( 。, 1)+2x。;2—2x。 ( I) :l+A+!警 1— 其中: 是0的估计值, 是待确定的函数。由 2x2O"2( )一2 ̄zA( 2 ( 之= + - -)TO+d ̄)  ̄2 3+2A 4 h2r …一2 -. ,… )+2; 鼍 zi= 。+ +l+胁 一 … ) ) ) ( …, + 一2x ̄o( …, +( 一1)^ 保留z 及干扰项,得 r1(枷)+2xt +A+芋 一 =一毒。差 +I+ -. ” … … 呱 ≤一2x1 O所以 =一毒蓑 ( --, )TZi-dr)。要使z。指数收敛,选 2 (X1)X2, 02) 2 -2壶( + 择屈( ,…,Xi)=’, f ( ,…, 一。, )c!]r(0< <2n/h ̄ )。 去( :)T Z2) (簪:) + 1( -)TZI) 2A+ ..+ +2^2 -2—2x ( …, ,…,a )+ 一为h 中最大值。 。 ‘ 注:要调整收敛速度,选择合适的 值即可。则 ( 麦( -- )T Zn) n -I2 等 + 一 生 私 : ( ,…, TZk) )≤- n -I(c ) + 为了便于证明稳定性,取rf: 得z/z ≤ ∑. n 1 2)(n-1)A/2_n -i(n-i+1) +警) 2 Ln_2 : 。 2 。 因此,跟踪误差有界收敛,且liar (z)=O。 …定理2设状态变量的期望值为 量的期望值为 ,定义状态偏差为 = 定义状态偏差为互 :3仿真 ,一 , = :.--x;。 考察下面不确定非线性系统: 第7期 樊小红,等:基于系统侵入与不变流行的非线性系统自适应控制 ・2571・ ^1一 2 制问题,采用新的参数估计表示式,利用Lyapunov函数设计了 2= 3+咖2( l, 2)T 0+0.1 sin t 控制率,对系统的稳定性作了分析。该方法不仅能改善参数估 一 11x3:—_“一—=_ +0.12sin£ 计误差的动态性能,而且避免了积分反推法无自适应调节时出 r 参数选取分别为 2( l, 2)=[1, 1, 2,f 。I 2,I 2 l 2], 现的不稳定问题。 0 参考文献: ≮扎 =15,x1(0)=0.4, 2(0)=0, 3(0)=0, :0.000 2,7/=0.1, 、 、 A=0.O1,s=0.000 2,C =C =C3=5。根据前述算法,可计算 [1]KANELLAKOPOULOS I,KOKOTOVIC P V,MORSE A S.Syst~O ematic 虚拟控制和输入, =1,由MATLAB语言编程仿真,系统状态 design of adaptive controllers for f一eedback linearizable systems[J]. 响应结果如图1所示,输入的仿真结果如图2所示。由仿真 IEEE Trans on Automatic Contl苫 rol,1991,36(11):1241.1253. 曲线可以看出,系统的状态变量能够以较快的速度收敛到0, [2] KRSTIC M,KANELLAKOPOULOS I,KOKOTOVIC P V.Adaptive nonlinear control without overparamet说明所设计的控制器对非参数不确定项具有较强的鲁棒性。 如 rlzation[J].Systems&Control ^U Letters,1992,19(3):177—185. 改变 取值,系统状态的空问变化轨迹如图3所示。由图3可 [3]RIOS-BOLIVAR M,ZINOBER A S I.Sliding mode control for uncer- 知,rI越大,系统状态收敛速度越快。 tain linearizable nonlinear systems:a backstepping approach[C]// ,^ 二一 。 0 x2 Proc of IEEE Workshop on Robust Control via Variable Structure and S 3 Lyapunov Techniques.Bnevento,Italy:[s.n.],1994:78—85. 坦 [4]SWAROOP D,HEDRICK J K,YIP P P,et a1.Dynamic surface control < for a class of nonlinear systems『J].IEEE Trans on Automatic Con・ 舞 trol,2000,45(10):1893—1899. o o.5 l 1.5 2 2.5 3 [5]BRIAN D O,DEHGHANI A A.Challenges of adaptive control:past, t/s t/s 图1状态响应曲线 图2输入信号曲线 permanent and future[J].Annual Reviews in Control,2008,32 (2):123-135. 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(上接第2546页) 参考文献: b)通信客户端类ComClient。该类负责向实验管理节点发 [1]CHERYL B H,BURKMAN L M,WARNER N.A re—analysis of the 出连接请求,接收实验参数、实验控制命令、环境参数、目标信 collaborative knowledge transcripts from a noncombatant evacuation 息、通信消息等数据,发出目标判断消息和通信消息。 scenario:the next phase in the evolution of a team coilaboration model [R].Patuxent River,Maryland:Department of Naval Air Warfare 4结束语 Center Aircraft Division,2008. 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