[发明专利]一种输入受限的机械系统保性能自调节控制方法

说明书

本发明公开了一种输入受限的机械系统保性能自调节控制方法，用于解决现有输入受限机械系统的保性能控制中的奇异性问题。具体包括如下步骤：步骤一、明确系统描述与性能需求；步骤二、构造自调节性能函数及误差转换；步骤三、设计有限时间自调节辅助系统；步骤四、设计保性能有限时间自调节控制律及其参数。本发明能够在输入饱和后，由辅助系统生成自调节信号，适当放宽性能约束，并在输入不饱和后的有限时间内恢复预设性能，从而实现对输入约束与输出约束的协调，最终避免性能函数过激导致的奇异性问题，提高保性能控制方法的可靠性。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域。

背景技术

对于存在外部干扰的一般机械系统，其高性能控制问题有着广泛研究兴趣与应用价值。在诸多研究方法中，预设性能控制方法通过在Lyapunov函数中引入非线性映射，使得当状态趋近给定约束时，Lyapunov函数将趋向于无穷。因此，当能保证Lyapunov函数有界时，即可实现对状态的约束。预设性能控制方法的优势在于将复杂的约束问题转化为常规的Lyapunov函数稳定问题，为用户在Lyapunov函数中嵌入性能需求，提供了便利。

然而，实际的机械系统能够提供的控制能量必然是有限的，具有输入饱和特性，也意味着能够实现的性能需求是有限。这就导致用户设立的性能需求存在无法实现的情况，强行引入预设性能控制方法，存在控制失效甚至系统失控的可能，这一情况极大的制约了预设性能方法在实际对象中的应用。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种输入受限的机械系统保性能自调节控制方法。

技术方案：本发明提供了一种输入受限的机械系统保性能自调节控制方法，包括如下步骤：

步骤1：针对具有一般性的机械系统建立机械系统方程；

步骤2：计算机械系统的跟踪误差，在客户预设的跟踪误差性能约束中引入自调节信号，得到自调节性能约束，采用保性能控制方法对跟踪误差进行转换，使得跟踪误差满足自调节性能约束，并得到误差转换后的变量；

步骤3；建立有限时间的自调节辅助系统，该自调节辅助系统用于生成自调节信号；

步骤4：根据步骤3自调节辅助系统生成的自调节信号和步骤2误差转换后的变量，建立保性能有限时间的自调节控制器，当机械系统的输入存在不饱和的情况下，该自调节控制器在有限时间内将机械系统的跟踪误差恢复至满足自调节性能约束的要求。

进一步的，所述步骤1中的系统方程为：

其中，x_c和x_q均为n维的向量，均表示系统中能够被传感器测量到的状态；为x_c的一阶导数，为x_q的一阶导数；f(x_c，x_q)＝-M^inv(x_c)(C(x_c，x_q)x_q+G(x_c))，M(x_c)为惯性矩阵，inv为逆变换，C(x_c，x_q)为科氏效应与离心效应矩阵，G(x_c)是关于系统势能的函数，g(x_c)＝M^inv(x_c)，τ_c为系统的输入力矩，τ_c＝[τ_c，1，...，τ_c，i，...，τ_c，n]^T，T为矩阵转置，τ_c，i为τ_c中的第i个元素，i＝1，2，...，n；τ_d为有界的外部干扰力矩。

进一步的，所述步骤2中的自调节性能约束为：