本發(fā)明涉及控制過程擾動(dòng)抑制領(lǐng)域,具體為一種非光滑反饋輸出控制器。

背景技術(shù)：

在系統(tǒng)控制過程中,各種擾動(dòng)無時(shí)不刻地影響著系統(tǒng)的性能?？茖W(xué)合理、快速、高效地進(jìn)行控制過程中的擾動(dòng)抑制，對(duì)提高系統(tǒng)的控制性能有著十分重要的意義。

目前有關(guān)控制過程的擾動(dòng)抑制主要是通過一定的算法對(duì)控制過程中擾動(dòng)進(jìn)行抑制，目前主要采用的方法有濾波法、線性負(fù)反饋法和非光滑反饋法；濾波法主要通過濾波算法將不符合濾波規(guī)則的信號(hào)作為擾動(dòng)過濾，隔離擾動(dòng)信號(hào)對(duì)控制過程的影響，濾波法對(duì)已知頻率范圍的擾動(dòng)抑制效果較好，對(duì)未知擾動(dòng)的抑制效果較差，同時(shí)容易隔離同頻率的有用信號(hào)；線性負(fù)反饋法將控制系統(tǒng)的輸出通過線性負(fù)反饋的方式與控制系統(tǒng)的輸入疊加作為控制過程的最終輸入，通過控制系統(tǒng)輸出中所蘊(yùn)含的擾動(dòng)信息與控制過程中的擾動(dòng)相互抵消來進(jìn)行擾動(dòng)的抑制，線性負(fù)反饋法對(duì)反饋系數(shù)的依賴程度較高，對(duì)常值擾動(dòng)抑制效果較好，而對(duì)時(shí)變擾動(dòng)和不確定性擾動(dòng)抑制效果不太理想；非光滑反饋擾動(dòng)抑制算法主要是應(yīng)用系統(tǒng)的輸出信號(hào)和輸出信號(hào)的微分信號(hào)運(yùn)算器運(yùn)算器，應(yīng)用非光滑控制器構(gòu)成了非光滑反饋控制算法，將非光滑反饋控制算法的輸出和系統(tǒng)輸入相疊加作為系統(tǒng)控制的最終輸入信號(hào)，利用非光滑反饋控制算法重構(gòu)系統(tǒng)輸出中蘊(yùn)含的擾動(dòng)信息，并與系統(tǒng)所受到的擾動(dòng)進(jìn)行相抵消實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制；非光滑反饋擾動(dòng)抑制方法能很好地抑制各種不同類型的擾動(dòng)，但目前所采用的非光滑反饋擾動(dòng)抑制方法參數(shù)整定過程比較復(fù)雜，對(duì)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)。

目前擾動(dòng)抑制方法主要存在以下不足之處：1、擾動(dòng)抑制的速度較慢；2、擾動(dòng)方法的參數(shù)整定比較復(fù)雜；3、對(duì)不同類型擾動(dòng)抑制的魯棒性較差；4、對(duì)不同類型擾動(dòng)的抑制效果不盡相同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種非光滑反饋輸出控制器，以解決控制過程中擾動(dòng)的快速抑制，不同擾動(dòng)的高效抑制和擾動(dòng)抑制算法參數(shù)整定的簡潔性。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種非光滑反饋輸出控制器，具體如下：

數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

n與m互質(zhì),m為奇數(shù),n為自然數(shù),

0＜k1＜1,0＜α2＜1,0＜k2＜1

所述數(shù)學(xué)表達(dá)式是以有界擾動(dòng)二階積分系統(tǒng)為對(duì)象所設(shè)計(jì)得到，有界擾動(dòng)二階積分系統(tǒng)的表達(dá)式為：

其中|d(t)|≤l,l>0且為常量。

上述技術(shù)方案中，所述非光滑反饋輸出控制器控制流程為：

步驟一，將非光滑反饋輸出控制器代入控制系統(tǒng)中，通過計(jì)算得出控制系統(tǒng)控制器的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的微分信號(hào)運(yùn)算器運(yùn)算器，將控制系統(tǒng)控制器的輸出信號(hào)和控制系統(tǒng)控制器的輸出信號(hào)的微分信號(hào)運(yùn)算器運(yùn)算器作為非光滑反饋輸出控制器的輸入；

步驟二，將非光滑反饋輸出控制器的輸出和控制系統(tǒng)控制器的輸入相疊加，作為控制系統(tǒng)控制器的輸入；

步驟三，控制系統(tǒng)控制器的輸出和擾動(dòng)相疊加后的信號(hào)作為控制對(duì)象的輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象執(zhí)行相應(yīng)的功能，并將控制對(duì)象的狀態(tài)作為控制系統(tǒng)的輸出。

一種非光滑輸出反饋控制器接入控制系統(tǒng)的模型，擾動(dòng)信號(hào)發(fā)生器與時(shí)鐘控制器連接，系統(tǒng)控制信號(hào)發(fā)生器和非光滑輸出反饋控制器的輸出端分別與加法運(yùn)算器連接，所述加法運(yùn)算器順序連接微分信號(hào)運(yùn)算器和輸出顯示器，所述微分信號(hào)運(yùn)算器輸出端與非光滑輸出反饋控制器的輸入端連接。

本發(fā)明的有益效果是：非光滑反饋輸出控制器以控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)和它的微分信號(hào)運(yùn)算器為源，利用非光滑反饋控制器進(jìn)行控制過程的擾動(dòng)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與控制過程所受擾動(dòng)的相互抵消來實(shí)現(xiàn)控制過程的擾動(dòng)抑制；與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的有益效果是：1、擾動(dòng)抑制速度快，2、不同擾動(dòng)抑制率高，3、算法中參數(shù)整定簡單。

附圖說明

圖1為非光滑輸出反饋控制器接入控制系統(tǒng)的模型。

圖2為非光滑輸出反饋控制器對(duì)不同常值擾動(dòng)的抑制情況。其中圖2a為常值擾動(dòng)，圖2b為常值擾動(dòng)的抑制情況，圖2c為常值擾動(dòng)的抑制情況局部放大圖。

圖3為非光滑輸出反饋控制器對(duì)不同時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)的抑制情況。其中圖3a為時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)，圖3b為時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)的抑制情況，圖3c為時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)的抑制情況局部放大圖。

圖4為非光滑輸出反饋控制器對(duì)不同時(shí)變無規(guī)則有界擾動(dòng)的抑制情況。其中圖4a時(shí)變無規(guī)則有界擾動(dòng)，圖4b時(shí)變無規(guī)則有界擾動(dòng)的抑制情況，圖4c時(shí)變無規(guī)則有界擾動(dòng)的抑制情況局部放大圖。

圖5為非光滑輸出反饋控制器對(duì)不同類型擾動(dòng)的抑制情況。其中圖5a為不同類型有界組合擾動(dòng)，圖5b為不同類型有界組合擾動(dòng)的抑制情況，圖5c、圖5d、圖5e為不同類型有界組合擾動(dòng)的抑制情況局部放大圖。

其中：1-常值擾動(dòng)1，2-常值擾動(dòng)2，3-常值擾動(dòng)3，4-控制系統(tǒng)輸入信號(hào)，5-非光滑輸出反饋控制器對(duì)常值擾動(dòng)3的抑制情況，6-非光滑輸出反饋控制器對(duì)常值擾動(dòng)2的抑制情況，7-非光滑輸出反饋控制器對(duì)常值擾動(dòng)1的抑制情況，8-有界時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)1，9-有界時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)2，10-有界時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)3，11-加法運(yùn)算器，12-非光滑輸出反饋控制器對(duì)時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)1的抑制情況，13-非光滑輸出反饋控制器對(duì)時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)2的抑制情況，14-非光滑輸出反饋控制器對(duì)時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)3的抑制情況，15-有界時(shí)變不規(guī)則擾動(dòng)1，16-有界時(shí)變不規(guī)則擾動(dòng)2，17-微分信號(hào)運(yùn)算器運(yùn)算器，18-非光滑輸出反饋控制器對(duì)有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)1的抑制情況，19-非光滑輸出反饋控制器對(duì)有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)2的抑制情況，20-不同類型有界組合擾動(dòng)，21-輸出顯示器，22-非光滑輸出反饋控制器對(duì)不同類型組合擾動(dòng)的抑制情況，23-時(shí)鐘控制器，24-擾動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，25-系統(tǒng)控制信號(hào)發(fā)生器，26、非光滑反饋輸出控制器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖說明闡述本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

作為實(shí)施例所示本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明所述的一種非光滑反饋擾動(dòng)抑制算法所依賴的非光滑控制器是一種穩(wěn)定的控制器，非光滑反饋擾動(dòng)抑制算法的穩(wěn)定性根據(jù)lyaponuv穩(wěn)定原理進(jìn)行其穩(wěn)定性證明。

教課書中，lyaponuv函數(shù)：式中c∈r⁺且為常數(shù)，則v1(x1,x2)≥0，且為徑向無界的可微函數(shù)；對(duì)函數(shù)v1(x1,x2)求導(dǎo)可得:

如要證明這種非光滑控制器的穩(wěn)定性，必須使

若取k1＝c,則

為此只要能保證

就可以證明所涉及的非光滑控制器的有限時(shí)間穩(wěn)定性。

設(shè)z＝x2，則為有界擾動(dòng)一階標(biāo)準(zhǔn)積分系統(tǒng)；為這個(gè)擾動(dòng)一階積分系統(tǒng)設(shè)計(jì)非光滑控制器為u＝-k|z|^αsign(z)，其中式中k>0,0＜α＜1；

設(shè)函數(shù)則v1(z)≥0；函數(shù)的v1(z)的導(dǎo)數(shù)為

根據(jù)相關(guān)研究內(nèi)容可知，如果為一階有界擾動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器

u＝-k|z|^αsign(z)，則一階系統(tǒng)的狀態(tài)將會(huì)在有限時(shí)間內(nèi)被鎮(zhèn)定到區(qū)域q，其中k>0,0＜α＜1,c1為一個(gè)任意小的常數(shù)且c1>0。即當(dāng)z∈q時(shí)，故根據(jù)lyaponuv穩(wěn)定原理可證，本發(fā)明所涉及的非光滑控制器是一種穩(wěn)定控制器。

根據(jù)圖1示，非光滑輸出反饋控制器接入控制系統(tǒng)的模型，非光滑輸出反饋控制器是一個(gè)兩個(gè)輸入、一個(gè)輸出的控制器，其中一路輸入為控制系統(tǒng)的輸出，另一路輸入信號(hào)為系統(tǒng)輸出信號(hào)的微分信號(hào)運(yùn)算器，其輸出信號(hào)為經(jīng)過非光滑反饋控制器運(yùn)算處理后的信號(hào)；擾動(dòng)信號(hào)發(fā)生器與時(shí)鐘控制器連接，發(fā)出擾動(dòng)信號(hào)、系統(tǒng)控制信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)控制信號(hào)和非光滑輸出反饋控制器的輸出信號(hào)均作為加法運(yùn)算器的輸入，加法運(yùn)算器的輸出經(jīng)微分信號(hào)運(yùn)算器后直接作用于控制系統(tǒng)的執(zhí)行對(duì)象，執(zhí)行對(duì)象的執(zhí)行結(jié)果作為控制系統(tǒng)的輸出，在輸出顯示器上表現(xiàn)出結(jié)果。

非光滑輸出反饋控制器對(duì)控制過程擾動(dòng)抑制情況如下：

假設(shè)：常值擾動(dòng)1，

假設(shè)：常值擾動(dòng)2，

假設(shè)：常值擾動(dòng)3，

假設(shè)：有界時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)1，

假設(shè)：有界時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)2，

假設(shè)：有界時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)3，

假設(shè)模型的控制輸入信號(hào)為1，根據(jù)圖1所示的控制系統(tǒng)的模型中輸入圖2.a中所示的不同的常值擾動(dòng)，通過本發(fā)明中所涉及的非光滑輸出反饋控制器的作用，根據(jù)擾動(dòng)值進(jìn)行測試，控制器對(duì)擾動(dòng)的一致情況如圖2.b和圖2.c所示，具體擾動(dòng)率見表1：當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)為3％控制信號(hào)的時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)98.53％；當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)為控制信號(hào)的30％時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)98.47％；當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)為控制信號(hào)的130％時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)96.56％。由于擾動(dòng)信號(hào)一般不大于控制信號(hào)，由此可知本發(fā)明中所涉及的非光滑控制器對(duì)不同數(shù)量級(jí)的常值擾動(dòng)都具有很好魯棒性、適應(yīng)性，可很好地抑制不同大小的常值擾動(dòng)。

表1不同數(shù)量級(jí)別常值擾動(dòng)的抑制情況

假設(shè)模型的控制輸入信號(hào)為1，根據(jù)圖1所示的控制模型中輸入圖3.a中所示的不同時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)，通過本發(fā)明中所涉及的非光滑輸出反饋控制器的作用，對(duì)不同時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)的抑制情況如圖3.b和圖3.c所示，具體擾動(dòng)率見表2；當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)在控制信號(hào)5％內(nèi)變化時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)98.48％；當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)在控制信號(hào)的50％內(nèi)變化時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)98.50％；當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)在控制信號(hào)的150％時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)96.52％。由于擾動(dòng)信號(hào)一般不大于控制信號(hào)，由此可知這種非光滑控制器對(duì)不同數(shù)量范圍內(nèi)的時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)都具有很好魯棒性、適應(yīng)性；可很好地抑制不同大小的時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)。

表2不同數(shù)量范圍內(nèi)的時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)的抑制情況

假設(shè)模型的控制輸入信號(hào)為1，根據(jù)圖1所示的控制模型中輸入圖4.a中所示的不同有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)，通過本發(fā)明中所涉及的非光滑輸出反饋控制器的作用，對(duì)不同的有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)的抑制情況如圖4.b和圖4.c所示，具體擾動(dòng)率見表3；當(dāng)有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)信號(hào)在控制信號(hào)6％內(nèi)變化時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)98.16％；當(dāng)有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)信號(hào)在控制信號(hào)的60％內(nèi)變化時(shí)，平均擾動(dòng)抑制率可達(dá)98.15％；由此可知這種非光滑控制器對(duì)不同數(shù)量范圍內(nèi)的有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)都具有很好魯棒性、適應(yīng)性，可很好地抑制不同大小的有界時(shí)變不規(guī)則性擾動(dòng)。

表3不同數(shù)量范圍內(nèi)的時(shí)變規(guī)則性擾動(dòng)的抑制情況

假設(shè)模型的控制輸入信號(hào)為1，根據(jù)圖1所示的控制模型中輸入圖5.a中所示在不同時(shí)段輸入不同的擾動(dòng),通過本發(fā)明中所涉及的非光滑輸出反饋控制器的作用，對(duì)不同時(shí)段所作用擾動(dòng)的抑制情況如圖5.b、圖5.c和圖5.d所示，由圖5可知這種非光滑控制器對(duì)不同類型的有界擾動(dòng)的抑制率在94.1％到98.45％之間，充分證明了這種非光滑控制器可很好地抑制不同類型的擾動(dòng)。

通過上述實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，本發(fā)明的非光滑反饋擾動(dòng)抑制算法解決控制過程中擾動(dòng)的快速抑制，通過不同類型擾動(dòng)的抑制情況，以控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)和它的微分信號(hào)運(yùn)算器為源，利用非光滑反饋控制器進(jìn)行控制過程的擾動(dòng)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與控制過程所受擾動(dòng)的相互抵消來實(shí)現(xiàn)控制過程的擾動(dòng)抑制。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。