基于RBF-ARX模型的復(fù)雜系統(tǒng)建模、優(yōu)化與控制研究.pdf

1、RBF-ARX模型是一種便于局部線性化的全局非線性時間序列模型，全稱為具有徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型系數(shù)的帶外生變量的自回歸模型。它有時變線性ARX模型的基本結(jié)構(gòu)，用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近非線性ARX模型的依存于系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)型系數(shù)，就得到了RBF-ARX模型。因此，RBF-ARX模型兼具狀態(tài)依賴的ARX模型對非線性動態(tài)特性的描述能力，以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近能力和對過程局部變化的學(xué)習(xí)能力。
　　RBF-ARX模型的參數(shù)可由一種結(jié)構(gòu)化的

2、非線性參數(shù)優(yōu)化方法離線辨識得到。此方法將線性參數(shù)和非線性參數(shù)分開辨識，不但避免了模型參數(shù)在線辨識失敗帶來的潛在風(fēng)險，而且提高了建模精度和參數(shù)優(yōu)化過程的收斂速度。此外，模型的復(fù)雜性被分散到了RBF-ARX模型的自回歸滯后結(jié)構(gòu)中，所以與單純的RBF模型相比，它不需要太多的中心。
　　本論文對基于RBF-ARX模型的建模、優(yōu)化及控制方法進(jìn)行了較為深入的研究，主要研究成果包括:
　　(1)在以往眾多相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，提出了多變量

3、RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)及其建模、參數(shù)優(yōu)化方法，以及基于多變量RBF-ARX模型的非線性預(yù)測控制器的設(shè)計方法。該方法基于一個統(tǒng)一的框架，可用于一類快速變化或慢速變化的多變量非線性系統(tǒng)的建模和優(yōu)化控制。分別在一個快速變化對象（四旋翼飛行器）和一個慢速變化對象（日本海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)船舶）上，對本文提出的建模、優(yōu)化及控制方法進(jìn)行了應(yīng)用研究并作了深入的探討。
　　(2)四旋翼飛行器是一個具有多變量、強(qiáng)耦合、不確定性等復(fù)雜非線性特性的快速對象（控

4、制周期為0.1秒）。本文介紹了該對象的物理模型，及基于物理模型的LQR控制策略。然后將四旋翼直升機(jī)的工作空間平均劃分為16個工作區(qū)，在每個工作區(qū)分別辨識出一個線性ARX模型，并設(shè)計了一個綜合16個局部線性ARX模型的增益調(diào)度LQR控制策略。本文建立了四旋翼飛行器的4輸入3輸出RBF-ARX模型，并設(shè)計了基于多變量RBF-ARX模型的全局LQR控制器（一種基于局部線性化模型的無限時域預(yù)測控制器），以控制四旋翼直升機(jī)的俯仰、翻轉(zhuǎn)和巡航姿態(tài)。

5、
　　(3)海洋船舶是一個具有典型復(fù)雜非線性特性的欠驅(qū)動慢速對象（控制周期為1秒）。本論文首先以船舶舵角為輸入，首搖角偏差為輸出，建立了單輸入單輸出的RBF-ARX模型，然后綜合船舶運(yùn)動學(xué)方程模型，構(gòu)造出了單輸入雙輸出的混合狀態(tài)空間模型。將基于RBF-ARX模型的混合模型作為預(yù)測控制器的內(nèi)部模型，設(shè)計了基于該模型的預(yù)測控制策略，并給出了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和分析過程。
　　(4)為提高船舶航跡跟蹤過程的控制性能，本論文設(shè)計了一種船

6、舶航跡跟蹤導(dǎo)航策略和多步提前預(yù)報策略，該策略可以有效抑制船舶在拐點(diǎn)處位置跟蹤誤差的超調(diào)，并減小曲線航跡跟蹤過程的位置跟蹤誤差。
　　(5)對船舶航跡跟蹤過程的建模方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，建立了漸近穩(wěn)定的基于RBF-ARX模型的混合模型，彌補(bǔ)了原不穩(wěn)定模型長期預(yù)測結(jié)果不理想的缺點(diǎn)。通過與船舶轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)的真實(shí)航跡對比，證明該漸近穩(wěn)定混合模型的動態(tài)特性與真實(shí)船舶的動態(tài)特性更接近。
　　(6)針對混合模型船舶位置跟蹤誤差的一步預(yù)測輸出

7、存在偏移的缺點(diǎn)，建立了多變量RBF-ARX模型綜合描述船舶舵角、首搖角偏差和位置跟蹤誤差三者間的動態(tài)關(guān)系。該模型解決了混合模型位置跟蹤誤差的一步預(yù)測輸出存在偏移的問題，而且在有限時域內(nèi)的長期預(yù)測性能更好。
　　(7)除建模外，外在不可抗拒自然力的干擾，也會造成船舶位置跟蹤誤差的偏移。本文設(shè)計了一個帶輸出補(bǔ)償?shù)念A(yù)測控制器，可以有效地消除各種因素引起的位置跟蹤誤差偏移。在船舶的直線航跡跟蹤控制實(shí)船實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了該控制策略的有效性。