CN111474922B - 一种连续非线性系统的控制器构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续非线性系统的控制器构建方法,包括以下步骤,步骤A:建立非线性系统模型,确定系统状态变量{xi|i∈[1,I]},初始化i=1;步骤B:对状态变量xi,求解系统的跟踪误差zi;步骤C:将状态矢量输入RBF神经网络,基于梯度下降法更新RBF神经网络的权值;步骤D:构造李雅普诺夫函数Vi,并根据李雅普诺夫稳定性定理设计使系统运行稳定的虚拟控制器αi;步骤E:如果i<I,则输出控制器αi,令i=i+1,返回步骤B,否则输出控制器v(t)。本发明的优点在于:综合考虑系统可能受到的内外部影响及执行器限制,基于RBF神经网络设计容错控制器,重构神经网络的逼近误差,实现了基于梯度下降法的神经网络权值更新,提高了神经网络的故障估计能力,使控制器的容错控制性能更优。
Description
技术领域
本发明涉及非线性系统的容错控制技术领域,尤其涉及一种连续非线性系统的控制器构建方法。
背景技术
随着社会的飞速发展,越来越多的工作逐渐被现代化的机器设备所代替。在设备长期运转的过程中,故障的发生是不可避免的。虽然故障并不经常发生,但是,一旦发生轻则影响系统正常运行,重则会带来巨大的财产损失和人员伤亡。近年来,容错控制技术日益成熟,但主要分为主动容错控制和被动容错控制。
相对于被动容错控制,主动容错控制可以更好的处理系统中发生的未知故障,所以得到更多的关注和研究。可以用于主动容错控制器设计的方法技术有很多,例如,滑模控制,自适应控制,优化控制等等。
其中,神经网络作为一种可以逼近任意连续非线性函数的工具,被广泛应用在容错控制中。现有的方法大都是基于自适应神经网络进行容错控制器设计,如申请号为201811114547.9的专利请求保护一种基于神经网络估计的刚性飞行器自适应固定时间姿态容错控制方法,涉及一种刚性飞行器存在外界干扰,转动惯量不确定,执行器故障和饱和情况下的容错控制方案。首先,设计非奇异固定时间滑模面,以保证状态的固定时间收敛并解决奇异值问题,然后设计非奇异神经网络固定时间容错控制器以实现当被控系统发生故障时的稳定性控制。但是神经网络的自适应参数需要很长时间之后才达到稳定,前期精度不高,无法满足容错控制的需求。
另外,控制系统的任务多样化和结构的复杂化使执行器和系统内部的部件都不可避免的发生故障。同时,外部扰动也可能对系统造成干扰。当这些不利因素发生时,可能会造成执行器饱和进一步影响系统的控制性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对存在执行器故障、部件故障、外部扰动和执行器饱和等问题的非线性系统构建容错控制器的方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的:一种连续非线性系统的控制器构建方法,包括以下步骤,
步骤A:建立包括部件故障、执行器故障、外部扰动和执行器饱和的连续非线性系统模型,确定系统状态变量{xi|i∈[1,n]},初始化i=1;
步骤B:对状态变量xi,求解系统的跟踪误差zi;
步骤D:构造李雅普诺夫函数Vi,并根据李雅普诺夫稳定性定理设计使系统运行稳定的虚拟控制器αi;
步骤E:如果i<n,则令i=i+1,返回步骤B,否则输出控制器υ(t)。
优选的,步骤A建立的非线性严格反馈系统模型为
其中,uM是执行器饱和限制,sgn(u)为符号函数;则公式(1)重写为
其中,
优选的,步骤B所述的求解系统跟踪误差zi的方法为
其中,y为公式(1)中的系统输出,即y=x1,yr是参考输出,zi是表征系统实际状态和参考状态差值的量。
其中,未知函数为系统中未知但在设计控制器时需要考虑的量,Wi为权值,θi为神经元的输出值,形式为高斯函数,基于梯度下降法设计的权值更新律为
优选的,步骤D构建的李雅普诺夫函数为:
对李雅普诺夫函数求导,
优选的,步骤D所述的虚拟控制器αi需要满足令公式(9)Vi(0)≥0,其中系统状态为零时得Vi(0)=0,公式(10)Vi(0)≤0时构建控制器,则构造的虚拟控制器的表达式为
其中,x1r为参考控制输出,对于总共有n个系统变量的非线性系统,控制器模型为:
其中,α0=x1r。
本发明提供的连续非线性系统的控制器构建方法的优点在于:综合考虑系统可能受到的内外部影响及执行器限制,基于RBF神经网络设计容错控制器,基于梯度下降法对神经网络权值进行更新优化,提高了神经网络的故障估计能力,使控制器的容错控制性能更优。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的连续非线性系统的控制器构建方法的控制器设计原理图;
图2为使用本发明的实施例提供的连续非线性系统的控制器构建方法得到的控制器的跟踪效果图;
图3为使用本发明的实施例提供的连续非线性系统的控制器构建方法得到的控制器的跟踪误差曲线图;
图5为使用本发明的实施例提供的连续非线性系统的控制器构建方法得到的控制器的神经网络逼近误差E1曲线图;
图7为使用本发明的实施例提供的连续非线性系统的控制器构建方法得到的控制器的神经网络逼近误差E2曲线图;
图8为使用本发明的实施例提供的连续非线性系统的控制器构建方法得到的控制器的参考输出值与实际输出值的变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供了针对含有故障、外部扰动和执行器饱和的连续非线性系统,构造容错控制器的方法;具体步骤如下:
步骤A:建立包括部件故障、执行器故障、外部扰动和执行器饱和的连续非线性系统模型,表达式为
其中,{xi|i∈[1,n]}为系统状态变量,系统状态变量为对系统状态及控制结果有影响的变量,例如系统各执行部件的电压、电流、整个系统的位置、姿态等变量;初始化i=1,表示的xi一阶导数,i∈[1,n]是系统的状态矢量,i∈[1,n]和i∈[1,n]为系统的非线性动态,di,i∈[1,n]为外部扰动,即影响系统正常运行的外部条件,如温湿度、风力、风向、磁场等参数;ζi,i∈[1,n]为部件故障,y(t)为系统的输出;
参考图1,其中v(t)为系统的理想控制输入,u(t)为执行器存在故障情况下的系统实际控制输入,β(t)和分别为执行器的乘性故障和加性故障;执行器饱和会对控制器的控制效果产生制约,sat(u(t))为执行器饱和函数,为执行器饱和的情况下的系统控制输入,具体表达式为,
其中,uM是执行器饱和限制,sgn(u)为符号函数;则公式(1)重写为
其中,
步骤B:对状态变量xi,求解系统的跟踪误差zi;
其中,y为公式(1)中的系统实际输出,即y=x1,yr是参考输出,为人为设定的经验值;zi是表征实际系统状态和理想状态差值的量,αi为虚拟控制器。
基于以上公式,跟踪误差zi为实际输出y与设定值yr之间的误差,对于系统的子系统把xi+1看做此子系统的虚拟控制器αi,该虚拟控制器αi能够使该子系统稳定,然而xi+1并不是完全等同于虚拟控制器αi,他们之间存在一个误差zi+1=xi+1-αi,我们希望此误差尽可能的小以至于xi+1接近设计的虚拟控制器αi,对于状态xi来说,我们希望它跟踪上虚拟控制器αi-1,基于此将跟踪误差定义为zi=xi-αi-1。
Wi为权值,θi为神经元的输出值,形式为高斯函数,权值更新律为
步骤D:构造李雅普诺夫函数Vi
对李雅普诺夫函数求导,
根据李雅普诺夫稳定性定理设计使系统运行稳定的虚拟控制器αi,当i=1时,基于李雅普诺夫函数Vi和系统状态变量xi构造虚拟控制器αi,当i>1时,基于李雅普诺夫函数Vi和虚拟控制器αi-1构造虚拟控制器αi;
令系统运行稳定的虚拟控制器αi需要满足令公式(9)Vi(0)≥0,其中系统状态为零时得Vi(0)=0,公式(10)Vi(0)≤0时构建控制器,则构造的虚拟控制器的表达式为
其中,x1r为参考控制输出,是根据经验给出的参考值。
步骤E:如果i<n,则输出控制器αi,令i=i+1,返回步骤B,否则输出控制器υ(t)。
通过循环迭代,最终能够得到具有n个系统变量的非线性系统的控制器模型为:
并定义α0=x1r。
把公式(12)代入公式(10)中,得到
根据李雅普诺夫稳定定理,系统的输出跟踪误差最终收敛到以下紧集:
由此本实施例提供了对于任意满足公式(1)的非线性系统的控制器模型,在使用到具体系统时,确定系统的非线性动态公式、故障、外部扰动和执行器饱和等参数或函数,即可使用本实施例提供的方法得到适用于该系统的容错控制器,下面以具体的系统模型来论证以本实施提供的方法得到的控制器的有效性。
验证系统模型如下:
其中,部件故障为
故障情况下的执行器输出为
外部扰动为
跟踪信号为
x1r=0.5sin(0.5t) (19)
x1r即为参考输出yr;
未知函数分别为
基于以上系统得到的控制器效果如图2-图8所示,图2为控制器命令下系统的跟踪效果图,根据图2可知跟踪曲线与输出命令几乎完全重合,跟踪效果非常好;根据图3可知系统在公式(16)-(18)的故障和外部扰动下,系统跟踪误差z1会有小幅度的波动,但始终保持在极小的范围内;图4为神经网络的输出值曲线,也即是对系统包含故障的综合未知扰动的估计,图5所示的神经网络的重构逼近误差E1在系统发生故障和扰动时仍保持在极小的范围内;图6和图7为RBF神经网络输出的曲线和对应的重构逼近误差E2曲线,在系统存在故障和扰动时,E2没有明显变化;图8为系统的理想控制输入v和实际控制输入sat(u)的曲线。
本实施例基于RBF神经网络设计容错控制器,基于梯度下降法对神经网络权值进行更新优化,提高了神经网络的故障估计能力,使控制器的容错控制性能更优。
Claims (1)
1.一种连续非线性系统的控制器构建方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤A:建立包括部件故障、执行器故障、外部扰动和执行器饱和的连续非线性系统模型,确定系统状态变量{xi|i∈[1,n]},初始化i=1;
其中,严格反馈非线性系统模型为
其中,uM是执行器饱和限制,sgn(u)为符号函数;则公式(1)重写为
其中,
步骤B:对状态变量xi,求解系统的跟踪误差zi;
其中,y为公式(1)中的系统实际输出,即y=x1,yr是参考输出,zi是表征实际系统状态和参考状态差值的量;αi为虚拟控制器;
其中,未知函数为系统中未知但在设计控制器时需要考虑的量,
Wi为权值,θi为神经元的输出值,形式为高斯函数,基于梯度下降法设计的权值更新律为
步骤D:构造李雅普诺夫函数Vi,
对李雅普诺夫函数求导,
并根据李雅普诺夫稳定性定理设计使系统运行稳定的虚拟控制器αi;
虚拟控制器αi需要满足令公式(9)Vi(0)≥0,其中系统状态为零时得Vi(0)=0,公式(10)Vi(0)≤0时构建控制器,则构造的虚拟控制器的表达式为
其中,x1r为参考控制输出,对于总共有n个系统变量的非线性系统,控制器模型为:
其中,α0=x1r;
步骤E:如果i<n,则输出控制器αi,令i=i+1,返回步骤B;否则输出控制器υ(t)。
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