基于耗散理论的tora系统自适应控制方法
【专利摘要】基于耗散理论的TORA系统自适应控制方法。该方法包括：选取一种旋转小球可在竖直平面内转动的双自旋航天器的简化模型；根据所选系统模型确定系统的控制目标；最终提出一种自适应控制方法，可镇定控制转动小球和平移振荡小车，同时能够在线估计系统的未知参数。相比已有的控制方法，该方法不仅能够达到控制TORA系统的目的，而且可在线估计系统的未知参数，简单易行，减少了调节增益的时间，大大提高了系统的控制效率。
【专利说明】基于耗散理论的TORA系统自适应控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非线性欠驱动领域的自动控制方法，具体是一种基于耗散理论的欠驱动TORA系统的自适应控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，在我们的生活中，大部分的系统均为非线性系统。因此，近年来，非线性系统的控制问题受到了广泛的关注[1-4]。非线性系统中的欠驱动系统更因其诸多优点而成为控制领域的热点问题。所谓欠驱动系统，指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，通常欠驱动系统通过较少的控制输入实现对更多被控状态量的控制。因此，欠驱动系统在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。其中，具有旋转激励的平移振荡器(Translat1n oscillators with a rotatingactuator, T0RA)是一种典型的非线性欠驱动系统，由一个不可驱动的平移振荡器和一个可驱动的转动小球组成，该模型原本是双自旋航天器的简化模型，作为一个非线性基准系统，通常用于分析、设计非线性控制器或用于检验所设计非线性控制器的性能。对于TORA系统的控制而言，当不可驱动的平移振荡器受到外界干扰时，通过可驱动转动小球对平移振荡器进行间接控制，使其收敛于稳定平衡点位置，同时，转动小球最终也被镇定于稳定平衡点位置。遗憾的是，由于TORA系统的欠驱动特性，难以同时兼顾这两个方面。
[0003]目前，欠驱动TORA系统的控制方法主要有基于能量的控制方法[5]、基于无源性的控制方法[6,7]和反馈线性化及Backstepping控制[8]等。就目前而言,绝大多数的控制方法都无法在线估计系统的参数，当系统参数改变时，需重新反复调节控制器的增益，以达到控制TORA系统的目的。然而，调节增益的过程无疑大大降低了对欠驱动TORA系统的控制效率。鉴于此原因，本发明针对TORA系统的镇定控制问题，提出了一种自适应镇定控制方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决现有技术存在的上述不足，提供一种具有在线估计能力的自适应镇定控制方法，本方法克服了上述现有技术的不足，可通过系统响应在线估计系统的参数，旨在提高控制系统的控制效率，同时扩大相同增益控制器的使用范围。
[0005]本发明致力于通过分析TORA系统的无源性，构造一种新颖的能量函数，设计出基于耗散理论的自适应控制器，该控制器可在线估计不可驱动小车质量、转动小球质量和弹簧的劲度系数等系统参数，大大提高了控制器的控制效率。
[0006]本发明提供的基于耗散理论的TORA系统自适应控制方法，为解决上述技术问题包括以下步骤:
[0007]步骤1、被控系统的选取
[0008]对于已有的双自旋航天器的简化模型主要有:旋转小球可在水平面内转动、旋转小球可在竖直平面内转动、旋转小球沿斜平面转动等模型。本发明所考虑的模型为旋转小球可在竖直平面内转动的双自旋航天器的简化模型。该简化模型由可驱动的旋转小球和一个与弹簧连接的移动小车组成为，小球在电机驱动力的作用下可在竖直平面内转动，简便起见，本发明称该模型为TORA系统，该系统的动力学模型表示如下:
【权利要求】
1.基于耗散理论的TORA系统自适应控制方法，包括以下步骤: 步骤1、被控系统的选取； 对于已有的双自旋航天器的简化模型主要有:旋转小球可在水平面内转动、旋转小球可在竖直平面内转动、旋转小球沿斜平面转动等模型；所考虑的模型为旋转小球可在竖直平面内转动的双自旋航天器的简化模型；该简化模型由可驱动的旋转小球和一个与弹簧连接的移动小车组成为，小球在电机驱动力的作用下可在竖直平面内转动，称该模型为TORA系统该系统的动力学模型表示如下:
其中，M为平移小车质量；m为转动小球的质量；转动半径为r ；k为弹簧的劲度系数；J为小球关于其质心的转动惯量；g表示重力加速度；x(t)和Θ (t)分别是小车距离初始位置的位移和小球逆时针转离竖直向下方向的角度4表示时间，变量后面的(t)表示该变量为关于时间的变量，为简明起见，公式中略去大部分变量中的⑴；》(0和Ao分别表示转动小球的角速度和角加速度；τ (t)为作用在转动小球上的输入转矩； 步骤2、控制目标的确定； 对于步骤I所给出的TORA系统，控制目标是当平移振荡小车受到外界干扰时，使用一种控制方法可以通过控制旋转小球间接地控制平移振荡小车，将小车镇定到稳定点的同时旋转小球也将稳定于稳定平衡点的位置，即:
其中，x(t)和Θ (t)分别是小车距离初始位置的位移和小球逆时针转离竖直向下方向的角度；6V)和UO兮别表示转动小球的角速度和平移振荡小车的速度；T表示向量的转置； 步骤3、能量函数的选择； 为实现同时镇定平移振荡小车和旋转小球的目的，定义如下李雅普诺夫候选函数V(t):
其中，V0(t)为式(11)所定义的正定函数，?表示参数估计误差；利用该李雅普诺夫提出具有在线估计功能的自适应控制方法，达到对TORA系统控制的目的； 步骤4、控制律的提出； 为实现步骤2所述的控制目标，基于步骤3所选择的新颖的李雅普诺夫候选函数，确定一种既能控制旋转小球又能控制平移振荡小车的自适应控制方法τ (t)如下:
其中，kE，kv，kp，kd e R+为控制增益；Y e R2代表已知向量，是系统的可测向量；? = [?, A]1 eR2表示对系统参数ω的估计，它由以下自适应机制来在线更新: ο = ΓΥΘ (18) 其中，么为估计向量?关于时间的导数；Γ = Cliagiy1, Y2I表示更新增益矩阵，A Y e R+代表控制增益；所提出的自适应机制可在线估计不可驱动小车质量、转动小球质量和弹簧的劲度系数等系统参数，克服了现有技术的不足； 步骤5、控制方法的实现； 通过借助传感器在线获取小球的旋转角度Θ (t)，角速度火〖)，小车的位移x(t)以及小车的速度'⑴，根据控制律(17)实时计算出相应的控制信号，控制TORA系统中旋转小球的转矩，实现控制的目标。
【文档编号】G05B13/04GK104199291SQ201410391120
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】武宪青, 欧县华, 何熊熊 申请人:浙江工业大学