關(guān)軼峰，李鐵壽，郭建新

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

點(diǎn)位控制，也稱點(diǎn)到點(diǎn)的控制，即要求系統(tǒng)的輸出由初始位置機(jī)動(dòng)至目標(biāo)位置.這種點(diǎn)位控制在航天器控制、機(jī)器人控制及其他工業(yè)生產(chǎn)中是非常常見的.一般來說，控制器設(shè)計(jì)者希望系統(tǒng)輸出能以較快的速度到達(dá)指定位置，并在該位置處盡快穩(wěn)定下來.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作，如文獻(xiàn)［1］給出了模糊邏輯控制律，文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法.對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員而言，通常選用簡(jiǎn)單的常系數(shù)狀態(tài)反饋控制律.但是由于其系數(shù)是定常的，這種控制律很難同時(shí)滿足快速性與穩(wěn)定性能之間的要求.

為解決上述矛盾，文獻(xiàn)［3］給出一種非線性積分的控制方法，文獻(xiàn)［4］也給出一種變控制器系數(shù)的方法，這兩中方法都沒有給出穩(wěn)定性的證明.文獻(xiàn)［5］提出一種非線性微分的控制方法，這種方法只適用于雙積分環(huán)節(jié).本文在文獻(xiàn)［5］基礎(chǔ)上，提出一種非線性控制律設(shè)計(jì)方法，將被控對(duì)象擴(kuò)展至高階線性定常系統(tǒng).控制效果得到進(jìn)一步提高，而且還分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決了快速性與在目標(biāo)位置處盡快穩(wěn)定之間的矛盾.文章最后給出了數(shù)學(xué)仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的有效性.

1 非線性控制思想

圖1 輸出曲線示意圖

基于上述思想設(shè)計(jì)雙積分環(huán)節(jié)的非線性微分控制律［5］

圖2 非線性微分控制示意圖

非線性微分控制律的根本思想在于，如何得到如圖2所示的控制律，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性.在式(1)中存在輸出速度的符號(hào)項(xiàng)sgn()，系統(tǒng)輸出可能會(huì)出現(xiàn)振顫現(xiàn)象.下面設(shè)計(jì)的控制律，避免了該問題的出現(xiàn).

2 高階線性系統(tǒng)的非線性控制律設(shè)計(jì)

基于雙積分環(huán)節(jié)的非線性微分控制思想，本節(jié)將其方法推廣至高階線性定常系統(tǒng)的點(diǎn)位控制中.

SISO能控線性定常系統(tǒng)

控制律為

其中，狀態(tài)反饋控制

其中xe=x－xr，xr為期望狀態(tài)，K為狀態(tài)反饋矩陣.基于文獻(xiàn)［5］中的非線性微分控制設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)(2)的非線性控制

其中ye=y-yr，yr為期望輸出;f( x)＞0(i=1，2，3).非線性控制(5)的設(shè)計(jì)是在狀態(tài)反饋控制(4)的基礎(chǔ)上，根據(jù)輸出來調(diào)節(jié)控制輸入，避免系統(tǒng)振蕩，達(dá)到快速收斂的效果.控制律(5)中的X與狀態(tài)變量相關(guān)，同時(shí)兼顧閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其構(gòu)造形式及穩(wěn)定性證明，如定理1所示.

定理1.SISO能控線性定常系統(tǒng)(2)，基于控制律(3)和(4)，存在非線性控制(5)，使得由式(2)～(5)組成閉環(huán)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的.

證明.定理的證明兼有構(gòu)造性，即如何求得式(5)中的X.不失一般性，設(shè)零點(diǎn)為系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，即xr=0，xe=x.由式(2)～(5)組成閉環(huán)系統(tǒng)

構(gòu)造正定 Ляпунов 函數(shù) V(x)=xTPx ，則有

構(gòu)造X=xTPb，則

從上述分析過程總結(jié)高階線性定常系統(tǒng)非線性控制律設(shè)計(jì)過程:

(1)求取狀態(tài)反饋矩陣K使A-bK是穩(wěn)定的;

(2)尋找正定對(duì)稱矩陣P，使得 ( A-bK)TP+P( A-bK)=Q為負(fù)定，可取Q=-I;

(3)由(2)中求得的P構(gòu)造X=xTPb，得到非線性微分控制律(5)的形式.

幾點(diǎn)說明:

(1)非線性微分控制律是在狀態(tài)反饋控制基礎(chǔ)上來改善穩(wěn)定性能，因此狀態(tài)反饋的設(shè)計(jì)對(duì)最終的控制效果有一定影響.

(2)Q矩陣選取的不同，控制律的形式將有所不同.文獻(xiàn)［5］給出了雙積分環(huán)節(jié)的非線性微分控制律，如果按本文的非線性控制律設(shè)計(jì)過程也是可以得到的，只是Q矩陣不再是 -I.

3 仿真研究

考慮3階線性定常系統(tǒng)

其中xe=x-xr，xr=［100］T為期望狀態(tài)，K=［511］為狀態(tài)反饋矩陣.

設(shè)計(jì)非線性微分控制器

各參數(shù)意義見第2節(jié).輸出期望值yr=1，k1=10，k2=0.1，k3=1.仿真結(jié)果如圖3～6所示，圖3和4為狀態(tài)反饋輸出及控制輸入，圖5和6為加入非線性微分后的輸出及控制輸入.仿真結(jié)果顯示了非線性微分在改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面的作用.

4 結(jié)論

線性定常系統(tǒng)在點(diǎn)位控制中，常規(guī)線性狀態(tài)反饋控制不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速性與良好的穩(wěn)定性能.本文將文獻(xiàn)［5］中提及的非線性微分控制方法推廣至高階線性定常系統(tǒng)的控制，并給出穩(wěn)定性證明.仿真結(jié)果表明了該方法在改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面的有效性.

［1］ Sylvia K R，F(xiàn)lashner H.Stable fuzzy logic design of point-to-point control for mechanical systems［J］.Fuzzy Sets and Systems，2000，110(3):389-411

［2］ Kottas J.Autonomous neural network controller for adaptive material handling［R］.ADA248944，1992

［3］ 吳宏鑫.全系數(shù)自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1994

［4］ 牛景漢，顏玉崇.自動(dòng)控制系統(tǒng)非線性校正［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992

［5］ 關(guān)軼峰，李鐵壽，王典軍.航天器附件大角度快速機(jī)動(dòng)的一種控制方法［J］.中國空間科學(xué)技術(shù)，2004，24(4):1-5

［6］ 鄭大鐘.線性系統(tǒng)理論［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1990