一种平行单级双倒立摆的动态面控制器结构及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种平行单级双倒立摆的动态面控制器结构及设计方法，尤其是涉及 平行单级双倒立摆及这一类含输入饱和的多输入多输出下三角不确定时滞非线性系统控 制器结构及设计方法，属于自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 由弹簧相连的平行单级双倒立摆系统是一类典型的多输入多输出含不确定性的 下三角时滞非线性系统，Lyapunov-Krasovskii泛函是分析时滞非线性系统的工具之一，该 泛函与反步法（backstepping)、神经网络逼近技术相结合构造的自适应控制器在解决复杂 下三角不确定时滞非线性系统的控制问题中受到了广泛的重视与发展。
[0003] 自适应反步技术为弹簧相连的平行单级双倒立摆系统的控制问题提供了有力的 工具，但从被控对象结构特性和控制器设计方面来看，存在下述问题：第一，弹簧相连的平 行单级双倒立摆系统具有时滞特性，依据无时滞模型设计的控制器在实际应用时具有一定 的局限性；第二，工程实际中，输入量的幅值一般存在一定的限制，现有大部分控制器设计 未考虑输入饱和特性，有可能发生控制量较长时间处于饱和上/下限的情况，执行机构磨 损严重；第三，基于反步法设计的控制器存在一种缺陷，即"计算复杂性"问题，反步法在每 步递推的过程中需要对虚拟控制律进行求导，导致控制器的项数随系统阶数的增长呈爆炸 性增长，同时神经网络权值数量增多，需要调整的数据量大，计算负荷增加，控制器结构复 杂，不利于实际应用。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种平行单级双倒立摆的动态面控制器结构 及设计方法，不仅考虑输入饱和特性，可以解决包括平行单级双倒立摆在内的一大类多输 入多输出含不确定性的下三角时滞非线性系统的控制问题，同时可以降低控制器结构的复 杂性，减少计算负荷，从而提高控制器的整体性能。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] -种平行单级双倒立摆的动态面控制器结构，包括第1、第2控制器，第i控制器包 括第il、i2子控制器；所述第il子控制器均包括第il比较器单元、第il组合单元、第il 逼近器单元和第il非线性控制单元；所述第i2子控制器均包括第i2滤波器单元、第i2比 较器单元、第i2组合单元、第i2逼近器单元、第i2非线性控制单元、第i2辅助系统单元和 第i3比较器单元；
[0007] 所述第il比较器单元的一个输入端与第i单级倒立摆的实际输出端相连，另一 个输入端输入第i单级倒立摆的参考信号，第il比较器单元的输出端与第il组合单元的 一个输入端相连；第Π 组合单元的另一个输入端输入第i单级倒立摆参考信号的微分；第 il逼近器单元的输入端与第il组合单元的输出端相连，其输出端与第il非线性控制单元 的一个输入端相连；第Π 非线性控制单元的另一个输入端与第Π 比较器单元的输出端相 连；
[0008] 所述第i2滤波器单元的输入端与第i 1非线性控制单元的输出端相连，第i2滤波 器单元的输出端与第i2比较器单元的一个输入端相连，第i2滤波器单元输出端信号的微 分与第i2组合单元的一个输入端相连；第i2比较器单元的另一个输入端与第i单级倒立 摆状态信号输出端相连，第i2组合单元的另外两个输入端分别连接第il比较器单元的输 出端、第i2比较器单元的输出端；第i2逼近器单元的输入端与第i2组合单元的输出端相 连，第i2逼近器单元的输出端与第i2非线性控制单元的一个输入端相连；第i2非线性控 制单元的另外两个输入端分别连接第i2比较器单元的输出端、第i2辅助系统单元的输出 端，第i2非线性控制单元的输出端一方面连接第i3比较器单元的一个输入端，另一方面经 第i单级倒立摆的饱和单元分别连接第i3比较器单元的另一个输入端、第i单级倒立摆的 输入端；第i3比较器单元的输出端与第i2辅助系统单元的一个输入端相连，第i2辅助系 统单元的另一个输入端与第i2比较器单元的输出端相连，i = 1，2。
[0009] 基于如上所述平行单级双倒立摆的动态面控制器结构的设计方法，包括以下步 骤：
[0010] 步骤1)，设计第il子控制器；
[0011] 步骤2)，利用第il子控制器的输出作为第i2子控制器的输入，设计第i2子控制 器，利用第i2子控制器的输出作为第i单级倒立摆的饱和单元的输入，得到平行单级双倒 立摆动态面控制器结构的第i输出，作为对应的第i单级倒立摆的输入。
[0012] 进一步的，所述步骤1)，设计第il子控制器，具体为：
[0013] 1-1)第il比较器单元：所述第i单级倒立摆的实际输出信号Xil、参考信号y id作 为第il比较器单元的输入，经变换Sil= X n_yid，得到第il比较器单元的输出信号Sil;
[0014] 1-2)第il组合单元：第il比较器单元的输出信号Sil与参考信号y id的微分 作为第il组合单元的输入，构成第il组合单元的输出
【主权项】
1. 一种平行单级双倒立摆的动态面控制器结构，其特征在于：包括第1、第2控制器，第 i控制器包括第il、i2子控制器；所述第il子控制器均包括第il比较器单元、第il组合 单元、第il逼近器单元和第il非线性控制单元；所述第i2子控制器均包括第i2滤波器单 元、第i2比较器单元、第i2组合单元、第i2逼近器单元、第i2非线性控制单元、第i2辅助 系统单元和第i3比较器单元； 所述第il比较器单元的一个输入端与第i单级倒立摆的实际输出端相连，另一个输入 端输入第i单级倒立摆的参考信号，第il比较器单元的输出端与第il组合单元的一个输 入端相连；第il组合单元的另一个输入端输入第i单级倒立摆参考信号的微分；第il逼近 器单元的输入端与第Π 组合单元的输出端相连，其输出端与第Π 非线性控制单元的一个 输入端相连；第Π 非线性控制单元的另一个输入端与第Π 比较器单元的输出端相连； 所述第i2滤波器单元的输入端与第il非线性控制单元的输出端相连，第i2滤波器单 元的输出端与第i2比较器单元的一个输入端相连，第i2滤波器单元输出端信号的微分与 第i2组合单元的一个输入端相连；第i2比较器单元的另一个输入端与第i单级倒立摆状 态信号输出端相连，第i2组合单元的另外两个输入端分别连接第i 1比较器单元的输出端、 第i2比