基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，基于濾波后的跟蹤誤差設(shè)計(jì)，控制器中包含比例微分項(xiàng)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近懸臂梁系統(tǒng)的未知函數(shù)，其權(quán)值的更新算法基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定性。更新算法中加入的魯棒項(xiàng)，保證控制輸入的有界性，比例微分控制項(xiàng)使最終跟蹤誤差維持任意小范圍。本發(fā)明的控制方法能夠在不需要知道懸臂梁的結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)參數(shù)以及存在外界干擾的情況下，對(duì)懸臂梁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤控制，同時(shí)提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，屬于懸臂梁控 制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 懸臂梁是指梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的固定支座，另一端為自由 端（可以產(chǎn)生平行于軸向和垂直于軸向的力）。在工程力學(xué)受力分析中，比較典型的簡(jiǎn)化模 型。在實(shí)際工程分析中，大部分實(shí)際工程受力部件都可以簡(jiǎn)化為懸臂梁。
[0003] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，空間活動(dòng)規(guī)模的日益 擴(kuò)大，對(duì)航空航天技術(shù)和空間結(jié)構(gòu)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，大量的航天空間結(jié)構(gòu)，如大型模塊 化的宇宙空間站、太陽(yáng)能帆板、衛(wèi)星天線(xiàn)、高精度光學(xué)系統(tǒng)及其支承體結(jié)構(gòu)、空間機(jī)械臂等 都有向柔性化發(fā)展的趨勢(shì)。柔性構(gòu)件的使用不僅增加了航天器設(shè)計(jì)和制造的靈活性，同時(shí) 也降低了發(fā)射成本，因此，柔性構(gòu)件的廣泛采用是一個(gè)必然的趨勢(shì)。但柔性構(gòu)件也存在不足 之處，那就是其在運(yùn)動(dòng)或定位時(shí)容易產(chǎn)生彈性振動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)也會(huì)產(chǎn)生殘余振動(dòng)，所引 起的振動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位精度有著很大的影響。例如：空間機(jī)器人及航天器撓性附件 如太陽(yáng)帆板等在擾動(dòng)情況下，其大幅度的自由振動(dòng)要延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，這將影響穩(wěn)定性和指 向控制精度，尤其是當(dāng)需要精確地控制其位置和指向時(shí)。國(guó)際空間探索中發(fā)生過(guò)類(lèi)似的事 故，如美國(guó)發(fā)射的陸地衛(wèi)星觀(guān)測(cè)儀的旋轉(zhuǎn)部分，由于受到太陽(yáng)能帆板驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的干擾而振 動(dòng)，影響了觀(guān)測(cè)儀的穩(wěn)定工作，大大降低了其傳送圖像的質(zhì)量，又如美國(guó)1958年發(fā)射的"探 索者1號(hào)"通訊衛(wèi)星，由于其四根鞭狀天線(xiàn)的振動(dòng)耗散了很多能量，在正常工作了一段時(shí)間 以后，出現(xiàn)了意想不到的衛(wèi)星翻滾現(xiàn)象，最終導(dǎo)致任務(wù)失敗。就國(guó)內(nèi)而言，隨著我國(guó)航空航 天事業(yè)的迅速發(fā)展，振動(dòng)問(wèn)題也日益突出，如東方紅三號(hào)通訊衛(wèi)星就因?yàn)樘?yáng)能帆板的振 動(dòng)而產(chǎn)生過(guò)嚴(yán)重的問(wèn)題。
[0004] 傳統(tǒng)抑制振動(dòng)的方法是通過(guò)被動(dòng)的隔振，減振的方法來(lái)起到減振的目的，而這些 方法比較被動(dòng)、死板、適應(yīng)性差，不能對(duì)多變的外界振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。為了克服上述困 難，振動(dòng)主動(dòng)控制被提出來(lái)，振動(dòng)主動(dòng)控制能夠?qū)崟r(shí)感受到外界的振動(dòng)情況，做出適當(dāng)?shù)姆?應(yīng)，輸出控制信號(hào)，來(lái)抑制振動(dòng)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗振動(dòng)性能對(duì)于系統(tǒng)的工作可靠性和精度是至 關(guān)熏要的。大量的工程結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中普遍承受振動(dòng)環(huán)境的激勵(lì)，若不采取措施對(duì)這些 結(jié)構(gòu)的振動(dòng)予以抑制，就會(huì)影響結(jié)構(gòu)上各部件的工作性能和壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使其功能失效。 因此，為了提高結(jié)構(gòu)的工作性能和精度，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)控制。
[0005] 國(guó)際上的文章有將各種先進(jìn)控制方法應(yīng)用到懸臂梁的控制當(dāng)中，典型的有自適應(yīng) 控制和模糊控制方法。這些實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸臂梁的軌跡控制。但自適應(yīng)控制對(duì)外界擾動(dòng)的魯棒 性很低，易使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，懸臂梁振動(dòng)控制顯然仍存在有不便與缺陷，而亟 待加以進(jìn)一步改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的懸臂梁振動(dòng)控制方法存在的缺陷，特別是提高懸 臂梁系統(tǒng)在存在模型不確定、參數(shù)攝動(dòng)以及外界擾動(dòng)力等各種干擾情況下，對(duì)理想軌跡的 跟蹤性能和整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性，而提供一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方 法。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，包括以下步驟：
[0009] 1)建立基于懸臂梁的濾波誤差模型；
[0010] 2)設(shè)計(jì)控制器；
[0011] 3)采用RBF網(wǎng)絡(luò)逼近懸臂梁數(shù)學(xué)模型中的懸臂梁未知的結(jié)構(gòu)函數(shù)，得到懸臂梁未 知的結(jié)構(gòu)函數(shù)的估計(jì)值；
[0012] 4)基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法；
[0013] 5)將經(jīng)過(guò)RBF網(wǎng)絡(luò)控制的控制器的控制輸入作為懸臂梁數(shù)學(xué)模型的控制輸入，對(duì) 懸臂梁進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)在線(xiàn)更新。
[0014] 前述的步驟1)中，基于懸臂梁的濾波誤差模型為：i =-《 + /(Λ·)-
[0015] 其中，s為濾波誤差，C為懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型中的阻尼項(xiàng)，u為懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型中 的輸入向量，d為懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型的擾動(dòng)，f(x)表示懸臂梁未知的結(jié)構(gòu)函數(shù)。
[0016] 前述的濾波誤差s為：

【權(quán)利要求】
1. 基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 建立基于懸臂梁的濾波誤差模型； 2) 設(shè)計(jì)控制器； 3) 采用RBF網(wǎng)絡(luò)逼近懸臂梁數(shù)學(xué)模型中的懸臂梁未知的結(jié)構(gòu)函數(shù)，得到懸臂梁未知的 結(jié)構(gòu)函數(shù)的估計(jì)值； 4) 基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法； 5) 將經(jīng)過(guò)RBF網(wǎng)絡(luò)控制的控制器的控制輸入作為懸臂梁數(shù)學(xué)模型的控制輸入，對(duì)懸臂 梁進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)在線(xiàn)更新。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述步驟1)中，基于懸臂梁的濾波誤差模型為：i= -Cs-? + /U)-rf 其中，s為濾波誤差，C為懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型中的阻尼項(xiàng)，u為懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型中的輸 入向量，d為懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型的擾動(dòng)，f(x)表示懸臂梁未知的結(jié)構(gòu)函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述濾波誤差s為： s = e + Ae (3) 其中，Λ是濾波誤差參數(shù)，e為跟蹤誤差：e=qd-q q為懸臂梁振動(dòng)軌跡，qd為懸臂梁理想振動(dòng)軌跡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述懸臂梁未知的結(jié)構(gòu)函數(shù)f(x)的表達(dá)式為： / (x)= qd+Ae + C(qd + Ae) + Kq (5) 其中，K為懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型中的頻率項(xiàng)， X為可測(cè)量到的信號(hào)， 定義： ΛΓ= [βΤ?Τgg6]'
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述步驟2)中，控制器的控制輸入P由RBF網(wǎng)絡(luò)輸出與比例微分控制項(xiàng)構(gòu)成： φ=f(x) + Kvs (7) 其中，/k)為RBF網(wǎng)絡(luò)輸出，Kvs為比例微分控制項(xiàng)，Kv為線(xiàn)性反饋控制參數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述步驟3)中，所述RBF網(wǎng)絡(luò)為三層結(jié)構(gòu)：輸入層，隱層和輸出層，所述輸入層用以接受 系統(tǒng)中的可測(cè)量信號(hào)輸入X，所述隱層采用高斯基函數(shù)計(jì)算非線(xiàn)性映射后的輸出，所述輸出 層通過(guò)加權(quán)各隱層節(jié)點(diǎn)的輸出得到整個(gè)RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出， 所述RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出為/U) =汝1，即為懸臂梁未知的結(jié)構(gòu)函數(shù)的估計(jì)值， 其中#為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的估計(jì)值，Φ(X)表示隱層節(jié)點(diǎn)輸出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述步驟4)中， 所述Lyapunov函數(shù)V選取為： F =丄丄tKif1/-' '#) (17) 2 2 其中，# = 為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值估計(jì)誤差，W#為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值， 所述RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法為： W = Ρφ{(diào)χ)$? -yF\s\W (16) 其中，F(xiàn)=Ft > 0為權(quán)值調(diào)整的增益矩陣，γ為大于0的任意值，稱(chēng)為遺忘因子。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法中，滿(mǎn)足：
其中，Wb表示最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值礦的上界，Kvmin為線(xiàn)性反饋控制參數(shù)Kv的最小特征根且大 于零，網(wǎng)絡(luò)逼近誤差ε(X)的上界值，bd為擾動(dòng)d的上界值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的懸臂梁振動(dòng)控制方法，其特征在 于，所述步驟5)中，懸臂梁數(shù)學(xué)模型為： q+Cq+Kq=u^rd (1) 其中，C為阻尼項(xiàng)，K為頻率項(xiàng)，q為懸臂梁振動(dòng)軌跡，u為輸入向量，d為擾動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104238365SQ201410500347
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】胡桐月, 費(fèi)峻濤 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)