[发明专利]一种自适应反馈保护动态面控制器结构及设计方法

权利要求书

1.一种自适应反馈保护动态面控制器结构，由n级子控制器组成，第1级子控制器的输入端与参考信号r相连，第1级子控制器的输出端α₂与第2级子控制器的输入端相连，依此类推，第i-1级子控制器的输出端α_i与第i级子控制器的输入端相连，直到第n-1级子控制器的输出端α_n与第n级子控制器的输入端相连，第n级子控制器的输出端u与被控系统的输入端相连；

其特征在于：所述的第i级子控制器由滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、逼近器单元、反馈保护单元和求和器单元构成，滤波器单元的输入端与反馈保护单元的输出端和第i-1级子控制器的输出端相连；滤波器单元的一个输出端与求和器单元的输入端相连，其另一个输出端与比较器单元的输入端相连；比较器单元的输入端还与被控系统的状态相连、比较器单元的输出端分别与线性控制单元和逼近器单元的输入端相连；线性控制单元的输出端与求和器单元的输入端相连；逼近器单元的输入端还与被控系统的状态相连、逼近器单元的输出端与求和器单元的输入端相连；反馈保护单元的输入端分别与被控系统的状态和求和器单元的输出端相连；

所述的第n级子控制器由滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、逼近器单元和求和器单元构成，滤波器单元的输入端与第n-1级子控制器的输出端相连；滤波器单元的一个输出端与求和器单元的输入端相连、其另一个输出端与比较器单元的输入端相连；比较器单元的输入端还与被控系统的状态相连；线性控制单元的输出端与求和器单元的输入端相连；逼近器单元的输入端还与被控系统的状态相连、其输出端与求和器单元的输入端相连；第n级子控制器的输出端u与被控系统的输入端相连；

所述的被控系统可由下列n阶下三角单输入单输出不确定非线性系统形式来描述： 

其中x_i∈R为被控系统第i级子系统的状态；u∈R为被控系统的控制输入； 为未知的非线性函数， 2≤i≤n；y∈R为被控系统的输出；所述的被控系统包括严格反馈和仿射纯反馈两类不确定非线性系统；所述的被控系统的控制目标是设计一种控制器u使得输出y跟踪一个外部参考信号r。

2.一种自适应反馈保护动态面控制器结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、第1级子控制器设计

A1、第1级滤波器单元：将第1级滤波器输入端分别与外部输入信号r和第1级反馈保护单元的输出信号v_h1相连，所述的输出信号v_h1经过下列滤波器

得到第1级滤波器单元的输出信号 和x_1r，其中γ₁>0为常值；

A2、第1级反馈保护单元：第1级反馈保护单元的输入端与被控系统中第2级子系统的状态x₂和第1级子控制器输出端信号α₂相连，所述的状态x₂和信号α₂经过下列变换

v_h1＝-(x₂-α₂)            (3)

得到第1级反馈保护单元的输出信号v_h1；

A3、第1级比较器单元：第1级滤波器单元的输出信号x_1r和被控系统中第1级子系统的状态x₁与比较器单元的输入端相连，经下列变换得到比较器的输出端信号e₁

e₁＝x₁-x_1r                (4)

A4、第1级线性控制单元：第1级线性控制单元的输入端与比较器单元的输出端e₁相连，经过下列比例控制 

α_dc1＝-k₁e₁                (5)

得到第1级线性控制单元的输出端信号α_dc1，其中k₁>0为常数；

A5、第1级逼近器单元：第1级逼近器单元的一个输入端与被控系统前2级子系统的状态 相连，另一个输入端与第1级比较器单元的输出端e₁相连；采用逼近器的主要目的在于对被控系统中的未知非线性 进行在线估计，所述的逼近器是神经网络、模糊系统或小波网络；所述的神经网络、模糊系统或小波网络对 进行在线逼近，则 可以表示为 统一形式，其中W_i∈R^1×s为权值矩阵， 为已知基函数组成的向量，其形式为 于是得到第1级逼近器单元的输出端信号

为权值W₁的估计矩阵并通过下列方程进行在线更新

其中k_w>0和Γ₁>0均为常数；

A6、第1级求和器单元：将第1级线性控制单元的输出端信号α_dc1、第1级逼近器单元的输出端信号α_ad1和第1级滤波器单元的输出端信号 与第1级求和器单元的输入端相连，得到第1级子控制器的输出端信号α₂

B、第i级子控制器设计

B1、第i级滤波器单元：第i级滤波器单元的一个输入端与第i-1级子控制器的输出端信号α_i相连，另一个输入端与第i级反馈保护单元的输出端信号v_hi相连，经过下列低通滤波器

得到第i级滤波器单元的输出端信号 与x_ir，其中γ_i>0为常数，1<i＜n；

B2、第i级反馈保护单元：第i级反馈保护单元的一个输入端与被控系统中第i+1级子系统的状态x_i+1相连，另一个输入端与第i级子控制器的输出端信号α_i+1相连，所述的信号α_i+1与状态x_i+1经过下列变换

v_hi＝-(x_i+1-α_i+1)                    (10) 

得到第i级反馈保护单元的输出端信号v_hi；

B3、第i级比较器单元：第i级滤波器单元的输出端信号x_1r和被控系统中第1级子系统的状态x₁与比较器单元的输入端相连，经下列变换

e_i＝x_i-x_ir                        (11)

得到第i级比较器单元的输出端信号e₁;

B4、第i级线性控制单元：第i级线性控制单元的输入端与比较器单元的输出端e_i相连，经过下列比例控制

α_dci＝-k_ie_i                      (12)

得到第i级线性控制单元的输出端信号α_dci，其中k_i>0为常数；

B5、第i级逼近器单元：与第一步D类似，第i级逼近器控制的一个输入端与被控系统前i+1级子系统的状态 相连，另一个输入端与第i级比较器单元的输出端信号e_i相连，经过下列逼近器

得到第i级逼近器单元的输出端信号α_adi，其中为Γ_i>0和k_w>0常数；

B6、第i级求和器单元：将第i级线性控制单元输出α_dci、第i级逼近器单元的输出α_adi和第i级滤波器单元的输出 与第i级求和器单元的输入端相连，经过下列变换

得到第i级子控制器的输出端信号α_i+1；

重复步骤B1-B6递推设计得到第2到第n-1级子控制器结构；

C、第n级子控制器的设计

C1、第n级滤波器单元：将第n-1级子控制器的虚拟控制的输出信号α_n与第n级滤波器单元的输入端相连，经过下列低通滤波器

得到第n级滤波器的输出信号 与x_nr，其中γ_n>0为常数；

C2、第n级比较器单元：第n级比较器单元的一个输入端与第n级滤波器单 元的输出端信号x_nr相连，另一个输入端与被控系统中第n级子系统的状态x_n，所述的信号x_nr和状态x_n经下列变换

e_n=x_n-x_nr                        (17)

得到第i级比较器单元的输出端信号e_n;

C3、第n级线性控制单元：第n级比较器单元的输出端信号e_n与第n级线性控制单元的输入端相连，所述的信号e_n经下列比例控制

α_dcn＝-k_ne_n                     (18)

得到第n级线性控制单元的输出信号α_dcn，其中k_n>0为常数；

C4、第n级逼近器单元：第n级逼近器单元的一个输入端与被控系统前n级子系统状态 相连，另一个输入端与第n级比较器单元的输出端信号e_n相连，所述的状态 和信号e_n经过下列逼近器

得到第n级逼近器单元的输出端信号α_adn，其中Γ_n>0为常数。

C5、第n级求和器单元：将第n级线性控制单元的输出信号α_dcn，第n-1级逼近器单元的输出信号α_adn和第n级滤波器单元的输出信号 与第n级求和器单元的输入端相连，所述的信号α_dcn，信号α_adn和信号 经过下列变换

得到被控系统总的控制输入u。