非線性多時(shí)標(biāo)時(shí)延系統(tǒng)建模與控制方法
【專利摘要】一種非線性多時(shí)標(biāo)時(shí)延系統(tǒng)建模與控制方法，復(fù)雜系統(tǒng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法基于UDTTDFSPM,結(jié)合譜范數(shù)與線性矩陣不等式方法，為被控NMTSTDSs設(shè)計(jì)魯棒組合控制器，實(shí)現(xiàn)NMTSTDSs的高精度穩(wěn)定控制。根據(jù)NMTSTDSs的動(dòng)力學(xué)模型，建立其不確定性連續(xù)時(shí)間時(shí)延模糊奇異攝動(dòng)模型，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷冢捎昧汶A保持器方法，對(duì)所獲連續(xù)模型進(jìn)行離散化，獲得NMTSTDSs的UDTTDFSPM，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)魯棒組合控制器，組合控制器由模糊慢狀態(tài)反饋控制器和輸出積分器組成。優(yōu)點(diǎn)在于，解決現(xiàn)有建模與控制方法無法消除NMTSTDSs系統(tǒng)外擾及快模態(tài)引起的穩(wěn)態(tài)誤差問題，大幅提高NMTSTDSs的控制性能。采用本發(fā)明控制CE150直升機(jī)姿態(tài)的仿真結(jié)果表明了本發(fā)明方法的有效性。
【專利說明】非線性多時(shí)標(biāo)時(shí)延系統(tǒng)建模與控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)雜系統(tǒng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種非線性多時(shí)標(biāo)時(shí)延系統(tǒng)建模與控制方法；針對(duì)具有非線性、多時(shí)標(biāo)及時(shí)延三種特性并存的復(fù)雜系統(tǒng)，提供了一種基于不確定性離散時(shí)間時(shí)延模糊奇異攝動(dòng)模型(Uncertain Discrete-timeTime-Delay FuzzySingularly Perturbed Model,簡(jiǎn)記UDTTDFSPM)的高精度魯棒控制方法,適用于薄或超薄板帶熱連軋控制系統(tǒng)的高精度控制，也可用于復(fù)雜撓性衛(wèi)星及直升機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定控制以及機(jī)器人、電力系統(tǒng)與鉆井平臺(tái)等其他具有上述特征的復(fù)雜系統(tǒng)建模與控制。
【背景技術(shù)】
[0002]非線性、多時(shí)標(biāo)及時(shí)延特性常常并存于同一個(gè)系統(tǒng)，此類系統(tǒng)可統(tǒng)稱為非線性多時(shí)標(biāo)時(shí)延系統(tǒng)(Nonlinear Multiple Time-Scales Time-Delay Systems,簡(jiǎn)記為NMTSTDSs)，廣泛存在于航空航天、冶金過程、機(jī)器人及電力電子等領(lǐng)域，典型的NMTSTDSs有復(fù)雜撓性衛(wèi)星、柔性機(jī)械臂、直升機(jī)以及帶鋼熱連軋過程控制系統(tǒng)等。NMTSTDSs的多時(shí)標(biāo)特性是指NMTSTDSs中存在慢、快兩種模態(tài)而呈現(xiàn)的病態(tài)動(dòng)力學(xué)特性。NMTSTDSs的快模態(tài)很難用測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量，而且常常影響慢狀態(tài)響應(yīng)，引起穩(wěn)態(tài)誤差或使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。針對(duì)NMTSTDSs的控制問題，如果采用傳統(tǒng)建模方法，將得到高階模型，這將大大增加設(shè)計(jì)控制器的難度，甚至無法設(shè)計(jì)控制器；如果忽略NMTSTDSs的快變模態(tài)或?qū)⑵渥鳛橥獠繑_動(dòng)，達(dá)到模型降階，則大大犧牲控制精度?，F(xiàn)存NMTSTDSs控制方法多數(shù)只考慮NMTSTDSs的一種或兩種特征并存情形，三種特性(非線性、多時(shí)標(biāo)及時(shí)延)并存的結(jié)果尚未發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閷⑷N特性融入統(tǒng)一模型框架下，將大大提高控制器設(shè)計(jì)難度。然而，同時(shí)考慮NMTSTDSs的三種特性，建立NMTSTDSs的數(shù)學(xué)模型，能夠更加準(zhǔn)確的描述NMTSTDSs的動(dòng)力學(xué)特征，從而大幅提高NMTSTDSs控制性能，為此迫切需要新理論、新技術(shù)的提出。
[0003]奇異攝動(dòng)方法是處理多時(shí)標(biāo)問題的有效工具，自60年代由Klimushev等人提出后，廣泛應(yīng)用于非時(shí)延多時(shí)標(biāo)系統(tǒng)的建模與控制，能夠獲得較好的控制性能。其核心思想是將被控系統(tǒng)的狀態(tài)變量分解為慢、快兩組狀態(tài)變量，然后先忽略快變量以降低系統(tǒng)階數(shù)，再通過引入邊界層校正項(xiàng)來提高近似程度，得到慢、快兩個(gè)子系統(tǒng)，即一部分是在時(shí)間尺度上變化緩慢且不計(jì)邊界層影響的慢變系統(tǒng)，另一個(gè)則由邊界層影響確定的邊界層校正項(xiàng)，只在邊界層內(nèi)起作用且變化迅速的快變系統(tǒng)，最后，根據(jù)不同的控制要求分別設(shè)計(jì)慢、快兩個(gè)控制器。最近學(xué)者們又將其發(fā)展為只分慢、快變量，不分慢、快子系統(tǒng)的整體建模方法。然而，現(xiàn)存基于奇異攝動(dòng)模型的非線性多時(shí)標(biāo)系統(tǒng)控制方法多數(shù)未考慮時(shí)延因素，不能直接應(yīng)用于NMTSTDSs。
[0004]綜上所述，研究NMTSTDSs的建模與高精度控制具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在統(tǒng)一模型框架下，考慮NMTSSTDs的非線性、多時(shí)標(biāo)及時(shí)延三種特性并存問題，描述其病態(tài)動(dòng)力學(xué)，并基于所獲模型，設(shè)計(jì)出能夠減少或消除外擾和快模態(tài)引起的穩(wěn)態(tài)誤差的控制率是解決NMTSTDSs的高精度控制問題的關(guān)鍵，本發(fā)明為此做出了實(shí)質(zhì)性的突破。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種非線性多時(shí)標(biāo)時(shí)延系統(tǒng)建模與控制方法，基于UDTTDFSPM的NMTSTDSs高精度控制方法，解決現(xiàn)有NMTSTDSs控制方法無法消除快變模態(tài)、外擾和系統(tǒng)參數(shù)存在不確定性引起的穩(wěn)態(tài)誤差問題，大幅改善NMTSTDSs的整體控制性能。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]NMTSTDSs的UDTTDFSPM建立與高精度魯棒控制方法，該方法基于UDTTDFSPM，結(jié)合譜范數(shù)與線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequalities,簡(jiǎn)記LMIs)方法,為被控NMTSTDSs設(shè)計(jì)魯棒組合控制器，實(shí)現(xiàn)NMTSTDSs的高精度穩(wěn)定控制。根據(jù)NMTSTDSs的動(dòng)力學(xué)模型，建立其不確定性連續(xù)時(shí)間時(shí)延模糊奇異攝動(dòng)模型，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷?，采用零階保持器方法，對(duì)所獲連續(xù)模型進(jìn)行離散化，獲得NMTSTDSs的UDTTDFSPM，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)魯棒組合控制器，組合控制器由模糊慢狀態(tài)反饋控制器和輸出積分器組成。 [0008]具體包括:
[0009]如圖2所示，本發(fā)明在NMTSTDSs上實(shí)施，所述控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括:被控NMTSTDSs，傳感器，控制器和執(zhí)行器，其中執(zhí)行器包括緩沖器和零階保持器。
[0010]步驟一、根據(jù)NMTSTDSs的動(dòng)力學(xué)方程，建立被控NMTSTDSs的不確定性連續(xù)時(shí)間時(shí)延模糊奇異攝動(dòng)模型:
【權(quán)利要求】
1.一種非線性多時(shí)標(biāo)時(shí)延系統(tǒng)建模與控制方法，其特征在于: 步驟1、根據(jù)NMTSTDSs的動(dòng)力學(xué)方程，建立被控NMTSTDSs的不確定性連續(xù)時(shí)間時(shí)延模糊奇異攝動(dòng)I吳型: 規(guī)則1:如果€:⑴是巾n，…，^ g(t)是巾ig，那么
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103592850SQ201310595097
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】陳金香 申請(qǐng)人:冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院