第33卷第12期自动化学报V|01.33,No.122007年12月ACTAAUTOM』VnCASINICADecember,2007
非线性系统广义模糊跟踪控制
胡跃冰1张庆灵1’2张艳1
摘要研究一种给定日。模犁参考跟踪特性的非线性系统的,工乙S广义模糊跟踪控制问题.通过把一般的模糊模型等价变换到广义模糊模型,引入了松弛变量,并基于线性矩阵不等式(LMI)给出了新的H。跟踪控制器设计方法.控制器参数在一组线性矩阵不等式中同时得到求解,避免了原有方法分步求解的困难,方法简单易行且具有鲁棒性.两个算例表明了结论的有效性.
关键词非线性动力系统,T.S模糊模型,跟踪控制,线性矩阵不等式中图分类号TPl3
FuzzyDescriptorTrackingControlDesign
forNonlinearSystems
HUYue-Bin91ZHANGQing-Lin91?2ZHANGY孤1
AbstractAT-Sfuzzydescriptortrackingcontrold髑ignfornonlinearsystemswithaguaranteedH∞modelreferencetrack-ingperformanceisdiscussed.Slackvariablesareintroduced
intothemodelbyequivalenttransfotruingoftheordinaryfuzzymodeltoafuzzydescriptormodel,andthenaflew日0track-
ingcontrollerdesignmethodwhichisbasedonlinearmatrixinequality(LMI)isobtained.ItsadvantagesaretosolveallthecontrollingvariablesinLMIsatthesametimetoavoidthedi伍?cultiescausedbytwo-stepstrategy,andthecontrollerisrobust.TWOsimulationexamplesareprovidedtodemonstrateeffective-
n鲫ofthemethod.
KeywordsNonlineardynamicsystem,T-Sfuzzymodel,trackingcontrol,linearmatrixinequality(LMI)
1引言
镇定和跟踪是控制的两个主要方面.跟踪控制,尤其是状态跟踪控制具有十分重要的研究价值.首先,系统动态性能不完全由极点决定,也依赖于零点,但目前零点配置未完全解决.其次,有些情况下,系统参数不确定或者在运行过程中有一定的漂移,都会使闭环系统特性变坏,甚至不稳定而无法工作.由~个理想模型给出希望的动态特性,并设计状态跟踪控制器常常可以解决上述问题.自T-S型模糊系统11】提出以来,已经被证明可以实现对非线性模型的任意逼近【21,即可以用来描述许多实际的非线性系统.关于T.S型模糊系统稳定性的研究已取得很多成果【3j3,但是关于跟踪控制的结论却很少【4J'尤其是对于连续时问系统【5J.更值得关=}辛的是,广义系统方法提出以来,在鲁棒稳定性分析和控制器设计方面取得1广很多成果【6】.而正常系统是一种特殊的广义系统(E=J),通过适当的模型转换,研究广义系统的方法可以用来研究正常系统.一般的跟踪控制方法在实际控制过程中均收稿日期2006-9-4收修改稿日期2007-3-30
ReceivedSeptember4,2006;inrevisedformMarch30,2007
国家自然科学基金(60574011)资助
SuppoSedbyNationalNatur“ScienceFoundationofCbins(605740111
1.东北大学系统科学研究所沈阳1100042.东北大学流程工业综合自动化教育部重点实验室沈阳110004
1.InstituteofSystemsScience,NortheseternUniversity,Shenyang1100042.KeyLaboratoryofIntegratedAutomationofProcessIndustry,MinistryofEducation,NortheasternUniversiry,Shenyang110004
DoI:10.1360/aas-007-1341存在一定难度:精确反馈线性化【7】需要非线性模型的大量信息来处理系统的非线性;而自适应控制IS]则需要不断更新控制规则和参数.本文引入与跟踪误差有关的日。跟踪特性作为优化指标【9J,把模糊跟踪控制器设计方法归结为求解具有参数的线性矩阵不等式(LMI),从而避免厂上述问题.注意到LMl只能处理凸优化问题,一般通过选择特殊的Lyapunov矩阵并且先计算部分LMI来处理15J,这种方法具有很大局限性,在许多情况下找不到可行解.本文重新构造-,状态方程,并且把新的状态方程等价变换到正则无脉冲的广义系统中,从而引入了松弛变量,使得寻优参数的选择保守性更低,求解可行性更大.两个算例表明了方法的有效性.
在奉文中,将始终使用如下简写:在矩阵A=(ao)。。。中,事表示对称矩阵中对称位置元素的转置,He{A}=A+A1。,符号J表示适当维数的单位矩阵.
2问题描述
Takagi-Sugeno提出的模糊模型由IF-THEN规则描述,考虑建模误差及外界干扰的模糊规则具有如下形式PlantRulet:
Ifz1(t)is只land…andzg(t)is只口fori=1,2,…,LThen主(t)=Aiz(t)+Biu(t)+Bl,w(t)
(1)式中,z(t)=扛10),z2(£),…,。。(咧。∈R”是状态变量,名l(£),…za(t)是前件变量,u(t)=阻1(£),u2(t),…,嘶。(t)】T∈R,m是输入向量,w(t)=【叫1(t),tt,2(t),…,tt,。(t)]T∈R“是扰动输入,Ai∈R“。“,Bi∈附。”,B1t∈R““,假设前件变量与输入相互独立,Rj是模糊集,L是模糊规则数.
采用单点模糊化、乘积模糊推理、加权平均解模糊法,可以得到非线性系统的T.S模糊模型
L
圣(亡)=∑ko(£))【A脚(£)+口i缸(t)+B-t锄o)】(2)t=1
式中,z(t)=k1(t),z2(t),…,匆(£)】,且始终假设∑墨1危t(z0))=1,九t(z(£))≥o,i=1,2,…,L.
考虑如下参考模型
茸(t)=A,2,(t)+B,r(t)(3)
式中,霉,(£)和r(t)是参考状态和输入,山是渐近稳定矩阵定义基于跟踪误差z(t)一盅,(D的至‰跟踪特性如下
/’{陋(t)一2,(t)1TQ陋(t)一z,(t)l}dts矿/。面T(t)而(t)出
J0J0
(4)式中,西(t)=陋(t),r(t)】T,tl是控制中止时间,Q是正定加权矩阵,P是预设点乙衰减度.式(4)的物理意义是任意白国对跟踪误差z(t)一2,(t)的作用可以被控制在水平P以下.定义估计误差
eCt)=z(t)一2,(t)(5)对其求导
“归萎‰(绯舭届@)仙似∞邶“叫∞卜(6)(A,霉,(t)+B,rCt))
1342
自
动化学
报33卷
构造
设计控制器如下
u(t)=K(-(t)一z,(t))
证明.简便起见,在证明过程中,用0代替口(t),用面
∽代酬巩用k代瓠㈦啪.取户:罡甜其中Po=昭>0,得到
主=∑hto(t))【五孟o)+鼠白(t)】
(8)
式中,童@,=I:2],五t=[A7主;KA‘二^7],宫t=
[竺o].
考虑初始状态,则式(4)中的性能指标可以改写为
厂“童T(t)蕊(£)出≤童T(o)P孟(o)+p2厂“白T(£)面o)dr
J0
J0
,
,
(9)
式中,国=J詈:|.
因此,本文旨舂设计模糊控制器(7),使得在任意西(t)作
用下,系统(8)均能满足原系统(1)的王fo。性能指标.进一步
最小化控制水平P,得到最优性能指标,并且使闭环系统
刍=∑‰(名(t))At孟(£)
(10)
二次稳定.
’
定义妒=未,口=匿莲;],则下述正则、无脉冲的广义系
统与原系统(1)具有相|一J的稳定性.
EOCt)=∑ko@))A。口(t)+Bc西o)
(11)她E=褂伽匕爿~嘲
其闭环系统为
L
E0(t)=∑‰(名(£))A≯(t)
(12)
t=1
考虑初始状态,式(4)中的日。性能指标可以改写为
fotl0T(t)㈣斛㈣唧wp㈤≮3,
式中,旬=[言习.
3基-T-广义系统的模糊跟踪控制系统设计
定理1.在非线性系统(11)中,如果存在1'o=昭>0,
适当维数的Pl,B是如下矩阵不等式
●
一日e(P2}
P2
?
]宰l<0
。p:d
(14)
i=1,2,…,L的公共解,则被控系统可以达到控制指标P
ET户=户TE=[苫习2。
构造Lyapunov函数v(o)=0WET劢,则
_-dV(0):oTETpo+oTET两:(E0)T/5口q-0Tp(E0)
(It厂“矿(t)啦(£)出:
JO
IIT(o)ETPo(o)一0w(t1)ET户口(o,)+
“巩洒∽+百dV(0)卜
。{酐
+
。{…?
’lol
士
一日e(B)
B
一姗∥吁)at
所以,当式(14)成立时,
厂“zT(t)西(£)出s孟T(o)P1孟(o)+p2厂“西T西出
j
0
j0
口
为了获得更好的跟踪效果,上述跟踪问题也可以转化为
最优化问题
rain
P
8.t.P0=昭>0
『Het五iTPl)+国
?
?1
(15)
l蹬At+I"o—Pl—He{Pz}
事l<0
【
Pl
P2
一p2刈
定理2.在闭环非线性系统(12)中,如果存在Po=
路>0,以及适当维数的P1,P2是最优化问题(15)的解,则
闭环系统(12)是二次稳定的。
证明.构造Lyapunov函数v(o)=0TET前,且国正定,
根据式(14)可得—dv五(o一)<0.
口
所以,整个设计问题转化为求满足条件的Po=昭>0,
以及适当维数的P1,B满足最优化问题(15).
取P1
=
6P2,
对式(14)进行合同变换
f巧10
0]
lo
只-1
ol,令巧1=o,巧TP0巧1=户得到
【o0
列
jP:户T>0.
^
一0—0T
百T
:1<0(16)
一pz,J
.Q
R
跚倘R
口五
肌曝.G
即们
+斗T
白伊晒
.A
一
哩P
一陌
一
.Qa
w
m
R
伍缸肌砑
12期胡跃冰等:非线性系统广义模糊跟踪控制
擘jp=[怠薏]>。,。=[量:94],并令也=,20。,KO。=W,式(16)变为式(17),式中s11=6He{BlW+A,01+Ai02一Ar02}
岛1=6(BiW+A‘02+,2(鼠Ⅳ)T+f2(A,01)T+0。TAT.一0。TAT.)
sjl=A一60}+鼠w+A,01+A‘02一A,02
&1=扇一J,20}+BtW+J4‘02
&2=5He{f2BiW+AtG3}
S4a=露一60手+f2BiW+丘A,0l+A‘03一A,岛&2=磊一J四十,2鼠形+A岛
Ssa=一02一,20}
所以最优化问题(15)转化为
皿n
8.t.司>。矧∽08’
从上述定理可以看出,本文将一般模糊模型等价变换到广义系统,从而引入了松弛变量.进一步通过建立求解参数之间的关系,减少了需求解变量之问的耦合情况,使得控制器的求解更加容易.
注.给定日。跟踪特性的非线性系统模糊跟踪控制的困难在于所求参数要同时满足L条规则的LMIs.文献[5】5先求解LMIs中的部分参数,再将这些参数的解带回原LMIs中解得全部参数,局限性较大,需求解的LMIs的总规则数为2L.而本文方法直接求解L条规则的LMIs就可以得到全部参数的解,需求解LMIs规则数减少了一半.而且所有参数都在忙司一个LMIs中直接求解,使得LMIs求解可行性更大,跟踪误差可以达到更小,两个算例充分说明了这一点.
4仿真算例
斑ct,=[一=了三三]霉ct,+[习uc幻+[1]叫ct,
『_1106]
I
【一1一l一3l
该系统司以看作是一条规则鲍模糊系统?
"IT取叫(t)=o.1cos(t),r(t)=108sin(t)0l,Q=,.
取初始状态为:@1(o),¥2(o),X3(o),。,?(o),z,2(o),z,3(0))T=(2,2,2,0,0,o)T,F2=1,6=0.8.
使用LMIoptimizationtoolbox求解凸优化问题(18),得到
P2=1.0751,K=103×l_4.1688—9.16001.3698l
LJ按照文献【5】方法取相同的初始状态,计算得到
P2=2.1,K=103×l一0.6059—1.9708一o.7770l
两种方法分别达到最优时的仿真曲线如图1所示.其中
点线表示参考状态变量,实线表示采用奉文方法的状态变量仿真结果,虚线表示采用文献【5】方法的状态变量仿真曲线,点划线表示干扰.
图1状态变量跟踪控制曲线
Fig.1Thetracking
ctlrv翻ofstates
图2矿比较值
Fig.2Comparisonsof矿
幸卑
●幸
一Q一1?
0一HeIGl】.0鼠
0日F
0一B曼
士
^
t
^
——HeIOz}
B≠
0
一p2I幸
0——psi
<O(1Z)
奉
●
●
●
●
幸
奉
幸
幸
●
轧cj}∞鼬踞研删
1344自动化学报33卷
图1给出了各个状态变量在两种控制方法下的跟踪曲
线.结果表明采用本文控制方法的跟踪效果明显优于文献f51
控制方法的跟踪效果.图2对两种控制方法下的控制指标进
行丫对比,给出丁两种方法可以达到的最小值.结果说明通
过调整参数,本文方法可以以更小的误差跟踪参考状态.
例2.考虑一个连续的T-S模糊系统的跟踪问题一倒
立摆的跟踪.
倒立摆的动力方程为
圣l(t)=x2(t)
以归堂焉塞等茅一+
z(言一口mcos2z?)
式中z1(t)=0代表偏离垂直面的角度,x2(t)=百代表偏离
角度的速率,g=9.8m/s2为重力加速度,m=0.1kg为杆的
质量,l=0.5m为杆长的一半,口=1/(m+m。),m。=1kg.
对这个系统建立连续的T-S模糊系统的模型如下
If正10)isabout0,then圣(£)=A120)+6lt‘(£)+611叫(t)
IfXl(t)isabout士三,then圣(t)--A22(t)+62u(t)+61ltt,o)
…-=[南拉[南卜=
¨。=[南卜[南],
卢=∞sc88。,.取A,=[三二],研=J,Q=,.
按照文献[5]的方法计算,LMIs总是不可解的.
取F2=1,6=1000,按照本文方法得到
p2=2.0192,K=104×[.1-2259-0.0967]
仿真曲线如下:
5结论
图3状态变量跟踪控制曲线
Fig.3ThetrackingCUrVesofstates
通过把模糊模型等价变换到正则、无脉冲的广义模型,提出丫一种非线性系统的具有鲁棒性的连续T-S型模糊模型的乩跟踪控制器的设计方法.通过求解LMIs,就可以得
到使系统渐近跟踪参考模型的控制器,而与模糊隶属函数无关,使得本文方法简单易行.同时,也可以按照本文方法设计PDC(Paralleldistributedcompensations)控制器.倒立摆控制器的设计证明丫奉文方法的有效性.
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胡跃冰东北人学系统科学研究所硕士研究生.主要研究方向为模糊控制,鲁棒控制和广义系统理论.E-mail:yuebinghu@yahoo.com.cn(HUYue-BingMasterstudentatInstituteofSystemssci-ence,NortheasternUniversity.Herresearchinterestcoversfuzzycontrol,robustcontrol,andsingularsystemstheory.)
张庆灵东北大学理学院教授.主要研究方向为分散控制,广义系统理论和鲁棒控制.本文通信作者.E-mail:qlzhang@mail.neu.edU.cn(ZHANGQing-LingProfessoratCollegeofScience,North-easternUniversity.HisresearchinterestcoversdecentrMizedcontrol,descriptorsystems,androbustcontr01.Correspondingauthorofthispaper.)
张艳东北大学系统科学研究所博士研究生.主要研究方向为模糊控制和广义系统理论.E-mail:atuoyanyan@163.com
(ZHANGYanPh.D.candidateatInstituteofSystemsSci-ence.NortheasternUniversity.Herresearchinterestcoversfuzzycontrolanddescriptorsystems.)