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        基于U模型的非線性系統(tǒng)Super-Twisting滑??刂蒲芯?/h1>
        2016-10-28 09:18:44張建華吳學(xué)禮霍佳楠莊沈陽
        關(guān)鍵詞:模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        張建華,李 楊,吳學(xué)禮,霍佳楠,莊沈陽

        (1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北省生產(chǎn)過程自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心,河北石家莊 050018;3.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018;4.齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾 161006)

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        基于U模型的非線性系統(tǒng)Super-Twisting滑模控制研究

        張建華1,2,李楊2,3,吳學(xué)禮1,2,霍佳楠1,莊沈陽4

        (1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊050018;2.河北省生產(chǎn)過程自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心,河北石家莊050018;3.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊050018;4.齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾161006)

        為了對(duì)基于U模型的非線性控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,利用Super-Twisting控制算法,解決非仿射非線性系統(tǒng)的控制問題,對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近,運(yùn)用Super-Twisting控制算法進(jìn)行控制。選取恰當(dāng)?shù)腖yapunov函數(shù),對(duì)Super-Twisting算法的收斂性進(jìn)行了證明。為了驗(yàn)證該方法的可行性和有效性,利用Matlab軟件進(jìn)行仿真,結(jié)果表明在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)Super-Twisting控制器的作用下,被控系統(tǒng)具有快速的跟蹤性能和輸出的有界性。

        魯棒控制;非線性系統(tǒng);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);U模型;Super-Twisting算法;自適應(yīng)

        非線性特性普遍存在于實(shí)際的生產(chǎn)中,非線性系統(tǒng)的控制問題一直以來是科學(xué)研究中需要解決的一個(gè)普遍性問題[1-3]。目前,有很多種設(shè)計(jì)工具和分析方法來研究非線性系統(tǒng)[4-6],線性化方法是最為普遍的方法。但是,線性化方法也有其弊端,在非線性程度強(qiáng)、控制精度要求高的情況下,難以得到良好的控制效果,而且大多數(shù)線性控制方法不能直接應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[7-9]。因此,研究人員提出了多種關(guān)于非線性控制器的設(shè)計(jì)方法,有相平面法,Backstepping,Lyapunov函數(shù)法,描述函數(shù)法,反饋線性化等設(shè)計(jì)方法[10-12]。

        建立一個(gè)通用、易于控制器設(shè)計(jì)并具有高精度的非線性模型是解決控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。U模型的起源正是基于這樣的認(rèn)識(shí)演變而來的,自U模型被提出以來,已為非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開創(chuàng)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域[13-14]。朱全民等人提出了運(yùn)用牛頓-拉夫遜迭代算法求解多項(xiàng)式,為U模型中非線性系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)[13]。U模型是表示一類平滑非線性對(duì)象的時(shí)變參數(shù)多項(xiàng)式函數(shù),建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的通用映射[14],可將平滑非線性離散時(shí)間輸入-輸出動(dòng)態(tài)對(duì)象模型完全轉(zhuǎn)換為線性控制可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

        滑??刂埔卜Q作變結(jié)構(gòu)控制,本質(zhì)上是一種控制不連續(xù)性的非線性控制[15-17]。相比于其他控制器,滑??刂频膬?yōu)點(diǎn)有:整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、快速響應(yīng)、對(duì)內(nèi)部參數(shù)和外部擾動(dòng)均不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)等[18-20]?;?刂婆c其他控制的區(qū)別在于系統(tǒng)本身并不固定,而是能夠在動(dòng)態(tài)過程中,根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的性地不斷變化,最終使系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。但是,傳統(tǒng)的滑??刂埔灿衅浔锥耍捎谧陨淼碾x散性存在了不可避免的抖震問題。高階滑模(HOSM)的提出消除了傳統(tǒng)滑模的弊端,并保留了傳統(tǒng)滑模的優(yōu)點(diǎn)。

        基于U模型的非線性系統(tǒng)控制可以實(shí)現(xiàn)很多系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì),特別是對(duì)于動(dòng)態(tài)非線性對(duì)象進(jìn)行極點(diǎn)配置,對(duì)前向自適應(yīng)跟蹤控制等控制問題。論文分析了基于U模型的三角結(jié)構(gòu)非線性控制系統(tǒng),運(yùn)用了Lyapunov函數(shù)方法,對(duì)Super-Twisting算法的收斂性進(jìn)行了證明,并對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)和系統(tǒng)控制器的輸出進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果證明所提出方法的正確性。

        1 問題描述

        考慮如下的非仿射非線性系統(tǒng):

        (1)

        h(x(t))=W*hN(x(t))-ε(t),

        這里用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)W*hN(x(t))對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行逼近,ε(t)為逼近誤差,W*是非線性系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理想逼近:

        考慮系統(tǒng)(1),選擇如下的坐標(biāo)變換:

        式中:yd表示系統(tǒng)的期望輸出;αi作為虛擬控制器,理想的控制律為[1]

        (2)

        Super-Twisting算法是一種二階滑??刂品椒?,該系統(tǒng)表示為

        式中:函數(shù)x1,x2是變量;k1,k2是控制增益。研究表明該系統(tǒng)是有限時(shí)間收斂的,并且具有很好的魯棒性[20]。

        2 非線性系統(tǒng)控制

        定理非仿射非線性系統(tǒng)(1),設(shè)計(jì)虛擬控制器(2)實(shí)現(xiàn)反步迭代控制,根據(jù)Super-Twisting算法設(shè)計(jì)控制器,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)是一致漸近有界穩(wěn)定的。

        第1步:

        z1=x1-yd,

        根據(jù)系統(tǒng)(1),有

        理想的虛擬控制律為

        選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性h1(x1(t))進(jìn)行逼近,有

        選取虛擬控制律

        于是可以得到

        并且有

        對(duì)于子系統(tǒng)

        x2=α1+z2,

        選取下面的自適應(yīng)律

        選取Lyapunov函數(shù)

        沿系統(tǒng)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得

        沿系統(tǒng)對(duì)時(shí)間求導(dǎo),并應(yīng)用下面的不等式

        根據(jù)上面的過程,可得

        其中

        第i步,(2≤i≤n-1):

        zi=xi-αi-1,

        根據(jù)系統(tǒng),有

        理想的虛擬控制律為

        選取控制律為

        所以有

        其中

        選取下面的自適應(yīng)律

        選取Lyapunov函數(shù)

        沿系統(tǒng)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得

        沿系統(tǒng)對(duì)時(shí)間求導(dǎo),并應(yīng)用下面的不等式

        可以得到

        其中:

        最后一步,也就是第n步,

        zn=xn-αn-1,

        于是就有

        理想的虛擬控制律為

        選取控制律為

        如果

        zn+1=u-αn,

        所以有

        其中

        選取下面的自適應(yīng)律

        對(duì)于控制器選取

        選取下面的自適應(yīng)律

        于是就有

        其中

        選取Lyapunov函數(shù)

        沿系統(tǒng)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得

        其中

        δn=kn+1εn+εn+1,

        于是就有zn有限時(shí)間漸近有界穩(wěn)定,于是代入之前的n-1步就有

        沿系統(tǒng)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得

        其中

        于是就有反步迭代過程中閉環(huán)系統(tǒng)是一致漸近有界穩(wěn)定的,從而定理得證。

        3 仿真實(shí)例

        算例: 系統(tǒng)描述如下

        期望的系統(tǒng)輸出為yd=sin(t),通過定理中的結(jié)論,選取

        仿真選取x=[00]T,選取控制器為

        圖1 系統(tǒng)狀態(tài)和預(yù)設(shè)軌跡Fig.1 System state and pre-specified trajectory

        神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真過程中,為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性系統(tǒng)的逼近過程,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)增益應(yīng)該選取的大一些,通過選取雙曲函數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作用函數(shù),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值初始條件為0,則有:

        圖1表示在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模控制器作用下,被控系統(tǒng)的輸出能夠在很短的時(shí)間內(nèi)跟蹤上預(yù)先設(shè)定的軌跡。

        4 結(jié) 論

        本文通過U模型的控制思路,將系統(tǒng)輸出作為虛擬控制的輸入,設(shè)計(jì)了非線性系統(tǒng)的Super-Twisting控制器,實(shí)現(xiàn)非仿射非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制,具有有限時(shí)間收斂的特點(diǎn),能夠更好地實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制收斂時(shí)間的問題,完成了非線性系統(tǒng)的有限時(shí)間控制,最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

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        StudyofSuper-TwistingslidingmodecontrolforUmodelbasednonlinearsystem

        ZHANGJianhua1,2,LIYang2,3,WUXueli1,2,HUOJianan1,ZHUANGShenyang4

        (1.SchoolofElectricalEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang,Hebei050018,China;2.HebeiProvincialResearchCenterforTechnologiesinProcessEngineeringAutomation,Shijiazhuang,Hebei050018,China;3.SchoolofInformationScienceandEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang,Hebei050018,China;4.CollegeofComputerandControlEngineering,QiqiharUniversity,Qiqihar,Heilongjiang161006,China)

        TheSuper-TwistingcontrolalgorithmisadoptedtoanalyzetheUmodelbasednonlinearcontrolsysteminordertosolvethecontrollerdesignproblemsofnon-affinenonlinearsystems.Thenon-affinenonlinearsystemsarestudied,theneuralnetworkapproximationofthenonlinearfunctionisperformed,andtheSuper-Twistingcontrolalgorithmisusedtocontrol.TheconvergenceoftheSuper-TwistingalgorithmisprovedbyselectinganappropriateLyapunovfunction.TheMatlabsimulationiscarriedouttoverifythefeasibilityandeffectivenessofthedescribedmethod.TheresultshowsthattheoutputofthecontrolledsystemcanbetrackedinaveryshorttimebyusingthedesignedSuper-Twistingcontroller,andtherobustnessofthecontrolledsystemissignificantlyimprovedaswell.

        robustcontrol;nonlinearsystem;neuralnetwork;Umodel;Super-Twistingalgorithm;adaptive

        1008-1542(2016)04-0376-06

        10.7535/hbkd.2016yx04010

        2015-12-25;

        2016-03-28;責(zé)任編輯:李穆

        河北省自然科學(xué)基金(F2015208128);河北省教育廳青年基金(QN20140157,BJ2016020)

        張建華(1980—),男,吉林延吉人,講師,博士,主要從事神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑??刂啤⒑桔E優(yōu)化等方面的研究。

        E-mail:zhangjianhua@hebust.edu.cn

        TP273

        A

        張建華,李楊,吳學(xué)禮,等.基于U模型的非線性系統(tǒng)Super-Twisting滑??刂蒲芯縖J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(4):376-381.

        ZHANGJianhua,LIYang,WUXueli,etal.StudyofSuper-TwistingslidingmodecontrolforUmodelbasednonlinearsystem[J].JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology,2016,37(4):376-381.

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