非線性系統(tǒng)的自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制新方法研究.pdf

1、實際系統(tǒng)通常具有不確定性、本質(zhì)非線性、時變性等特征，線性系統(tǒng)的動態(tài)特性已經(jīng)不能清楚地解釋具有本質(zhì)非線性的復雜系統(tǒng)的特性。自適應神經(jīng)網(wǎng)絡是解決具有未知函數(shù)的非線性系統(tǒng)控制問題的一種有效的方法。另一方面，時滯是工業(yè)生產(chǎn)、網(wǎng)絡通訊等動態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象。系統(tǒng)中所含有的時滯因素將導致受控系統(tǒng)性能下降甚至導致系統(tǒng)無法正常運行。這就要求我們在對受控系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析和控制器設計過程中，需要考慮時滯因素對系統(tǒng)的影響。鑒于此，本文針對當前國內(nèi)外非線

2、性系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，在深入理解非線性系統(tǒng)理論和智能控制理論的基礎上，系統(tǒng)化地研究了幾類非線性系統(tǒng)和非線性時滯系統(tǒng)的自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法。本文的主要內(nèi)容分為以下6部分：@..1.針對一類單輸入單輸出(Single-Input-Single-Output.SISO)嚴格反饋非線性系統(tǒng)，發(fā)展了一種直接自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制方案。在該方案的設計過程中，應用徑向基(Radia.Basi.Function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡來逼近未知的虛擬控制而不是系統(tǒng)

3、中的未知非線性函數(shù)；應用backstepping技術來設計自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制器；應用積分型Lyapunov函數(shù)來分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所提出的控制方案不僅保證了閉環(huán)系統(tǒng)的有界性和跟蹤性，而且克服了控制器奇異問題。特別值得指出的是，本章所提出的控制器結構簡單，并且所需的自適應參數(shù)個數(shù)不多于所考慮的系統(tǒng)階數(shù)，從而降低了計算量，便于在實際工程中應用。以Brusselator化學動態(tài)模型、單連桿柔性機械臂等作為仿真對象，仿真結果說明了本章所提出

4、的方法是有效的。2.研究一類SISO攝動嚴格反饋非線性時滯系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制問題，應用Lyapunov-Krasovskii泛函來補償系統(tǒng)中的非線性時滯項，并結合backstpping設計和二次型Lyapunov函數(shù)提出了一種自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制方案。所設計的自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制器保證了閉環(huán)系統(tǒng)的所有變量的有界性，并簡化了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析過程。仿真研究說明了本章所提出的方案的有效性。3.研究了一類多輸入多輸出(Multiple-Input-

5、Multiple-Output，MIMO)嚴格反饋非線性系統(tǒng)的跟蹤控制問題。基于此類系統(tǒng)中的非線性函數(shù)都是未知的特點，通過應用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡和backstepping方法提出了一種直接自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制方案。所提出的控制方案保證了閉環(huán)系統(tǒng)的一致有界性和跟蹤性。該方案的主要特點是針對MIMO非線性系統(tǒng)設計了具有簡單結構形式和較少自適應參數(shù)的控制器。以倒立擺、化工生產(chǎn)中的兩個反應堆的不可逆發(fā)熱過程的溫度控制過程等作為仿真實例，仿真結果說明了

6、該方案的有效性。4.基于backstepping方法解決了一類MIMO嚴格反饋非線性時滯系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡逼近擾動解耦問題。所考慮的系統(tǒng)中的非線性函數(shù)和時滯函數(shù)是完全未知的，應用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡來逼近這些未知的非線性函數(shù)。構造backstepping每步中的Lyapunov-Krasovskii泛函來補償所有含有此步時滯狀態(tài)的非線性函數(shù)，從而使得所有的時滯項在backstepping設計的最后一步得到完全補償。隨后，本章給出了一個自適應神經(jīng)網(wǎng)

7、絡逼近擾動解耦的完整控制方案。所提出的控制方案確保了閉環(huán)自適應系統(tǒng)狀態(tài)的有界性，同時完成由系統(tǒng)外部擾動輸入到系統(tǒng)輸出的一個有界的L2增益。最后，應用該方案來鎮(zhèn)定化工生產(chǎn)過程中的發(fā)熱反應裝置的溫度控制系統(tǒng)，仿真結果進一步說明了本章所提出的方法的有效性。5.針對一類完全非仿射純反饋非線性系統(tǒng)，本章結合隱函數(shù)定理和均值理論提出了一個直接自適應神經(jīng)網(wǎng)絡跟蹤控制方法。為了有效地去掉仿射項上界的約束，本章引入了適當?shù)墓饣瘮?shù)來補償backstepp

8、ing設計中前一步的關聯(lián)項。通過結合backstepping設計，輸入狀態(tài)穩(wěn)定和小增益定理克服了純反饋非線性系統(tǒng)控制中所存在的控制器循環(huán)構造問題。該方案不僅保證了閉環(huán)系統(tǒng)所有信號的有界性，而且提供了一個簡單有效的方法來控制具有較少約束條件的非仿射純反饋非線性系統(tǒng)。仿真研究說明了本章所提出的方案的有效性。6.針對一類帶有多個未知時變時滯的非仿射純反饋非線性系統(tǒng)，提出了一種自適應神經(jīng)網(wǎng)絡跟蹤控制方案。通過引入分離技術，將含有所有時變時滯狀態(tài)

9、的未知函數(shù)分解成一系列含有每個時滯狀態(tài)的連續(xù)函數(shù)。同時結合新的Lyapunov-Krasovskii泛函來補償含有當前時滯狀態(tài)的非線性函數(shù)，這種方法有效地避免了未知時滯函數(shù)所需的任何約束條件，并克服了backstepping設計中應用函數(shù)逼近器所引起的控制器循環(huán)構造問題。此外，引入了新穎的連續(xù)函數(shù)來克服由一個自適應參數(shù)所引起的設計難題。該方法不僅克服了非仿射純反饋系統(tǒng)的設計困難，并且保證了閉環(huán)系統(tǒng)的所有信號的有界性。仿真研究說明了所提出