基于耗散理論的tora系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法
【專利摘要】基于耗散理論的TORA系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法。該方法包括：選取一種旋轉(zhuǎn)小球可在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的雙自旋航天器的簡化模型；根據(jù)所選系統(tǒng)模型確定系統(tǒng)的控制目標；最終提出一種自適應(yīng)控制方法，可鎮(zhèn)定控制轉(zhuǎn)動小球和平移振蕩小車，同時能夠在線估計系統(tǒng)的未知參數(shù)。相比已有的控制方法，該方法不僅能夠達到控制TORA系統(tǒng)的目的，而且可在線估計系統(tǒng)的未知參數(shù)，簡單易行，減少了調(diào)節(jié)增益的時間，大大提高了系統(tǒng)的控制效率。
【專利說明】基于耗散理論的TORA系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非線性欠驅(qū)動領(lǐng)域的自動控制方法，具體是一種基于耗散理論的欠驅(qū)動TORA系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，在我們的生活中，大部分的系統(tǒng)均為非線性系統(tǒng)。因此，近年來，非線性系統(tǒng)的控制問題受到了廣泛的關(guān)注[1-4]。非線性系統(tǒng)中的欠驅(qū)動系統(tǒng)更因其諸多優(yōu)點而成為控制領(lǐng)域的熱點問題。所謂欠驅(qū)動系統(tǒng)，指系統(tǒng)的獨立控制變量個數(shù)小于系統(tǒng)自由度個數(shù)的一類非線性系統(tǒng)，通常欠驅(qū)動系統(tǒng)通過較少的控制輸入實現(xiàn)對更多被控狀態(tài)量的控制。因此，欠驅(qū)動系統(tǒng)在節(jié)約能量、降低造價、減輕重量、增強系統(tǒng)靈活度等方面都較完全驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)越。其中，具有旋轉(zhuǎn)激勵的平移振蕩器(Translat1n oscillators with a rotatingactuator, T0RA)是一種典型的非線性欠驅(qū)動系統(tǒng)，由一個不可驅(qū)動的平移振蕩器和一個可驅(qū)動的轉(zhuǎn)動小球組成，該模型原本是雙自旋航天器的簡化模型，作為一個非線性基準系統(tǒng)，通常用于分析、設(shè)計非線性控制器或用于檢驗所設(shè)計非線性控制器的性能。對于TORA系統(tǒng)的控制而言，當不可驅(qū)動的平移振蕩器受到外界干擾時，通過可驅(qū)動轉(zhuǎn)動小球?qū)ζ揭普袷幤鬟M行間接控制，使其收斂于穩(wěn)定平衡點位置，同時，轉(zhuǎn)動小球最終也被鎮(zhèn)定于穩(wěn)定平衡點位置。遺憾的是，由于TORA系統(tǒng)的欠驅(qū)動特性，難以同時兼顧這兩個方面。
[0003]目前，欠驅(qū)動TORA系統(tǒng)的控制方法主要有基于能量的控制方法[5]、基于無源性的控制方法[6,7]和反饋線性化及Backstepping控制[8]等。就目前而言,絕大多數(shù)的控制方法都無法在線估計系統(tǒng)的參數(shù)，當系統(tǒng)參數(shù)改變時，需重新反復(fù)調(diào)節(jié)控制器的增益，以達到控制TORA系統(tǒng)的目的。然而，調(diào)節(jié)增益的過程無疑大大降低了對欠驅(qū)動TORA系統(tǒng)的控制效率。鑒于此原因，本發(fā)明針對TORA系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制問題，提出了一種自適應(yīng)鎮(zhèn)定控制方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種具有在線估計能力的自適應(yīng)鎮(zhèn)定控制方法，本方法克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，可通過系統(tǒng)響應(yīng)在線估計系統(tǒng)的參數(shù)，旨在提高控制系統(tǒng)的控制效率，同時擴大相同增益控制器的使用范圍。
[0005]本發(fā)明致力于通過分析TORA系統(tǒng)的無源性，構(gòu)造一種新穎的能量函數(shù)，設(shè)計出基于耗散理論的自適應(yīng)控制器，該控制器可在線估計不可驅(qū)動小車質(zhì)量、轉(zhuǎn)動小球質(zhì)量和彈簧的勁度系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)，大大提高了控制器的控制效率。
[0006]本發(fā)明提供的基于耗散理論的TORA系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法，為解決上述技術(shù)問題包括以下步驟:
[0007]步驟1、被控系統(tǒng)的選取
[0008]對于已有的雙自旋航天器的簡化模型主要有:旋轉(zhuǎn)小球可在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)小球可在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)小球沿斜平面轉(zhuǎn)動等模型。本發(fā)明所考慮的模型為旋轉(zhuǎn)小球可在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的雙自旋航天器的簡化模型。該簡化模型由可驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)小球和一個與彈簧連接的移動小車組成為，小球在電機驅(qū)動力的作用下可在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，簡便起見，本發(fā)明稱該模型為TORA系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動力學(xué)模型表示如下:

【權(quán)利要求】
1.基于耗散理論的TORA系統(tǒng)自適應(yīng)控制方法，包括以下步驟: 步驟1、被控系統(tǒng)的選??； 對于已有的雙自旋航天器的簡化模型主要有:旋轉(zhuǎn)小球可在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)小球可在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)小球沿斜平面轉(zhuǎn)動等模型；所考慮的模型為旋轉(zhuǎn)小球可在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的雙自旋航天器的簡化模型；該簡化模型由可驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)小球和一個與彈簧連接的移動小車組成為，小球在電機驅(qū)動力的作用下可在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，稱該模型為TORA系統(tǒng)該系統(tǒng)的動力學(xué)模型表示如下:
其中，M為平移小車質(zhì)量；m為轉(zhuǎn)動小球的質(zhì)量；轉(zhuǎn)動半徑為r ；k為彈簧的勁度系數(shù)；J為小球關(guān)于其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；g表示重力加速度；x(t)和Θ (t)分別是小車距離初始位置的位移和小球逆時針轉(zhuǎn)離豎直向下方向的角度4表示時間，變量后面的(t)表示該變量為關(guān)于時間的變量，為簡明起見，公式中略去大部分變量中的⑴；》(0和Ao分別表示轉(zhuǎn)動小球的角速度和角加速度；τ (t)為作用在轉(zhuǎn)動小球上的輸入轉(zhuǎn)矩； 步驟2、控制目標的確定； 對于步驟I所給出的TORA系統(tǒng)，控制目標是當平移振蕩小車受到外界干擾時，使用一種控制方法可以通過控制旋轉(zhuǎn)小球間接地控制平移振蕩小車，將小車鎮(zhèn)定到穩(wěn)定點的同時旋轉(zhuǎn)小球也將穩(wěn)定于穩(wěn)定平衡點的位置，即:
其中，x(t)和Θ (t)分別是小車距離初始位置的位移和小球逆時針轉(zhuǎn)離豎直向下方向的角度；6V)和UO兮別表示轉(zhuǎn)動小球的角速度和平移振蕩小車的速度；T表示向量的轉(zhuǎn)置； 步驟3、能量函數(shù)的選擇； 為實現(xiàn)同時鎮(zhèn)定平移振蕩小車和旋轉(zhuǎn)小球的目的，定義如下李雅普諾夫候選函數(shù)V(t):
其中，V0(t)為式(11)所定義的正定函數(shù)，?表示參數(shù)估計誤差；利用該李雅普諾夫提出具有在線估計功能的自適應(yīng)控制方法，達到對TORA系統(tǒng)控制的目的； 步驟4、控制律的提出； 為實現(xiàn)步驟2所述的控制目標，基于步驟3所選擇的新穎的李雅普諾夫候選函數(shù)，確定一種既能控制旋轉(zhuǎn)小球又能控制平移振蕩小車的自適應(yīng)控制方法τ (t)如下:
其中，kE，kv，kp，kd e R+為控制增益；Y e R2代表已知向量，是系統(tǒng)的可測向量；? = [?, A]1 eR2表示對系統(tǒng)參數(shù)ω的估計，它由以下自適應(yīng)機制來在線更新: ο = ΓΥΘ (18) 其中，么為估計向量?關(guān)于時間的導(dǎo)數(shù)；Γ = Cliagiy1, Y2I表示更新增益矩陣，A Y e R+代表控制增益；所提出的自適應(yīng)機制可在線估計不可驅(qū)動小車質(zhì)量、轉(zhuǎn)動小球質(zhì)量和彈簧的勁度系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足； 步驟5、控制方法的實現(xiàn)； 通過借助傳感器在線獲取小球的旋轉(zhuǎn)角度Θ (t)，角速度火〖)，小車的位移x(t)以及小車的速度'⑴，根據(jù)控制律(17)實時計算出相應(yīng)的控制信號，控制TORA系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)小球的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)控制的目標。
【文檔編號】G05B13/04GK104199291SQ201410391120
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月11日
【發(fā)明者】武憲青, 歐縣華, 何熊熊 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)