具有輸出約束和狀態(tài)約束的不確定非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其應(yīng)用.pdf

1、諸多實(shí)際物理系統(tǒng)，如流程工業(yè)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)，都會(huì)要求系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)都能運(yùn)行在某個(gè)特定的邊界內(nèi)，即滿足某種硬約束(Hard Constraints)條件。由于實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常是非線性的，且模型部分已知甚至是完全未知的，在存在外界擾動(dòng)的情況下極易出現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)“越界”，進(jìn)而可能產(chǎn)生嚴(yán)重事故。因此，對(duì)不確定非線性系統(tǒng)的約束控制研究不論在理論還是應(yīng)用都具有重要意義。
　　基于以上背景，本文主要解決幾類典型不確

2、定非線性系統(tǒng)在未知時(shí)變擾動(dòng)下的輸出約束控制和狀態(tài)約束控制。為保證約束滿足，本文主要采用的工具是一類integral Barrier Lyapunov Functionals(iBLFs)，同定義在全局空間的徑向無界的傳統(tǒng)Lyapunov函數(shù)相比，Barrier Lyapunov Functions(BLFs)定義在約束子空間，當(dāng)該函數(shù)變量趨近于特定值時(shí)，函數(shù)值趨近于無窮。進(jìn)一步的，本文所采用的iBLFs能將初始可行狀態(tài)擴(kuò)展到整個(gè)約束空間

3、，并且進(jìn)一步改進(jìn)以處理未知控制增益函數(shù)。本文將iBLFs應(yīng)用在魯棒自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)中，通過設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)，使得iBLFs沿著目標(biāo)閉環(huán)系統(tǒng)的軌跡保持有界，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)受擾動(dòng)的不確定非線性系統(tǒng)的約束滿足。本文的主要工作內(nèi)容如下：
　　首先，本文解決具有輸出約束的單輸入單輸出嚴(yán)格反饋非線性系統(tǒng)(Single-Input Single-Output Strict-Feedback Nonlinear Systems)的輸出軌跡跟蹤控

4、制問題。在系統(tǒng)函數(shù)(f(·))未知的情況下，采用迭代的Backstepping設(shè)計(jì)，基于iBLFs推導(dǎo)出輸出子系統(tǒng)的理想虛擬約束控制輸入，其余各步采用傳統(tǒng)的二次型Lyapunov函數(shù)，然后構(gòu)造Radial Basis Function Neural Networks(RBF NNs)去逼近每步理想虛擬控制中的未知部分，進(jìn)而得到實(shí)際可用的控制輸入信號(hào)。進(jìn)一步，本文構(gòu)造一種自適應(yīng)參數(shù)嵌入進(jìn)控制輸入信號(hào)中估計(jì)包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差上界的未知組合

5、參數(shù)，以提高閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。
　　為了進(jìn)一步的解決受未知擾動(dòng)的全狀態(tài)約束的嚴(yán)格反饋非線性系統(tǒng)，本文在Backstepping每一步均引入iBLFs來保證系統(tǒng)狀態(tài)的約束滿足，且iBLFs被進(jìn)一步改造以能夠處理未知控制增益函數(shù)(g(·))。每一步控制設(shè)計(jì)也會(huì)構(gòu)造合適的Neural Networks(NNs)和自適應(yīng)參數(shù)來估計(jì)未知系統(tǒng)函數(shù)與未知上界參數(shù)。在全狀態(tài)約束中，約束參數(shù)不能被任意指定，其需要滿足依賴初始狀態(tài)與控制參數(shù)的可行解條

6、件(Feasibility Conditions)，因此在控制系統(tǒng)運(yùn)行前，本文設(shè)計(jì)了可行解條件檢測(cè)(Feasibility Check)這一步驟來獲得既滿足可行性條件又能最大化跟蹤效果的最優(yōu)控制參數(shù)。
　　為了將上述方法拓展到非仿射純反饋非線性系統(tǒng)(Non-Affine Pure-Feedback Nonlinear Systems)，在合理的通用假設(shè)下，本文首先利用均值定理將純反饋非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為仿射型系統(tǒng)，然后基于前述關(guān)于嚴(yán)格

7、反饋系統(tǒng)的工作，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的全狀態(tài)約束控制系統(tǒng)。進(jìn)一步的，為解決控制輸入飽和下的狀態(tài)約束控制，本文采用了一個(gè)光滑的控制信號(hào)函數(shù)去逼近不可導(dǎo)的輸入飽和函數(shù)，并結(jié)合均值定理得到可設(shè)計(jì)的控制輸入形式。為得到控制輸入飽和下的全狀態(tài)約束控制可行參數(shù)解，可行性條件中加入了控制輸入飽和的可控約束條件。
　　最后，本文將上述理論成果應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景，即機(jī)械臂在關(guān)節(jié)空間約束與任務(wù)空間約束下的軌跡跟蹤控制?；跈C(jī)械臂和驅(qū)動(dòng)電機(jī)耦合的多輸入多輸出模型