[发明专利]一种网络化环境下的小车倒立摆系统输出反馈控制方法

说明书

本发明提供了一种网络化环境下的小车倒立摆系统输出反馈控制方法，包括：提出一种新的变增益事件触发输出反馈控制器设计方法；基于所设计的在线迭代算法，在不同触发时刻自动更新事件触发输出反馈控制器增益；构造具有时变李雅普诺夫函数矩阵的非连续李雅普诺夫函数，证明闭环系统的全局一致最终有界性。对所提出方法进行仿真验证，结果表明本发明方法能够有效解决小车倒立摆系统的稳定性问题。与现有的固定增益控制方法相比，本发明方法具有更好的系统性能，同时能够有效的节约网络资源。

技术领域

本发明涉及网络化线性系统的控制领域，特别涉及一种网络化环境下的小车倒立摆系统输出反馈控制方法。

背景技术

倒立摆系统由于具有多变量、强耦合、非线性、不稳定等特点，已经成为检验控制方法是否具有对不稳定性快速处理能力的理想对象。此外，对倒立摆系统进行稳定控制，能够有效地检验控制领域内的几项关键性技术指标，包括鲁棒性，跟踪性以及快速性等。因此，针对倒立摆系统设计不同的控制方法使其稳定已成为当前控制领域内的热点问题。

由于数字控制技术在过去的几十年中取得了长足的进步和应用，使得倒立摆系统实现了无线网络连接，其控制信号的获取是基于系统模型的采样数据完成的。在经典的基于采样数据控制框架下，控制信号根据一个不变的采样周期进行更新，这称为时间采样。虽然时间采样有利于控制器的综合和分析，但从资源利用的角度看，时间采样方式并不理想。特别是在网络控制系统中，传感器与控制元件之间的通信是通过有限的网络带宽实现的。在这种情况下，传感器和控制组件之间的通信应尽可能小，以提高网络资源的利用率。

近年来，事件触发通信机制被提出并被证明是一种在保证控制系统性能的前提下能够有效提高网络资源利用率的新策略。因此，事件触发策略在倒立摆系统的控制问题中能够得到广泛地应用。发明专利《一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法》(CN202011118574.0)提出了一种基于事件触发机制的网络化系统控制器设计方法，在同时考虑引入事件触发通信机制和丢包的情况下，该发明中所设计的控制器能够确保系统稳定。发明专利《基于事件触发动态触发机制的电力系统控制方法》(CN201710982346.X)设计了一种基于动态触发机制的电力系统控制方法，其中所建立的事件触发机制不仅与当前的输出和误差有关，而且与前一时刻的输出也相关联。发明专利《基于事件触发的中立稳定饱和系统的输出反馈控制器》(CN201910586233.7)设计了一种基于事件触发的中立稳定饱和系统输出反馈控制器，当系统中存在输出饱和时，所建立的控制机制能够保证系统稳定。发明专利《一种基于事件触发机制的网络化控制系统和控制方法》(CN201911245333.X)设计的局部控制器确保了网络化控制系统具有有限增益L2稳定性与输入前馈输出反馈无源性。

应当指出的是，在上述关于网络化系统事件触发控制问题的发明专利中，在整个事件触发时间内均使用了固定增益控制器，这使得控制器易于实现。然而，使用固定增益控制方法所能达到的控制性能并不理想。因此，如何设计一种更为宽松的变增益控制方法，以保证倒立摆系统在网络化环境下获得更好的性能，是一个具有挑战性的问题，且目前尚未存在相关方面的发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种网络化环境下的小车倒立摆系统输出反馈控制方法，以解决小车倒立摆系统在网络化环境下的稳定性问题，同时在节约网络资源的情况下能够获得更好的系统性能。

本发明的技术方案：

一种网络化环境下的小车倒立摆系统输出反馈控制方法，包括以下内容：

首先，对于倒立摆系统，由于其自身的不稳定性导致建模较为困难，在忽略一些因素后，将直线一级倒立摆模型视为小车倒立摆系统。

然后，引入事件触发通信机制节约网络资源，在网络化环境下设计小车倒立摆系统的变增益控制器；建立以线性矩阵不等式表示的控制器设计条件，并求解控制器增益。

最后，控制器u将其控制指令传递给小车倒立摆系统的执行机构，从而实现控制的目的。