本發(fā)明涉及模糊自適應(yīng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含故障和異質(zhì)執(zhí)行器的單一自適應(yīng)模糊動態(tài)面控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

反步法(backstepping)是一種將復(fù)雜高階非線性系統(tǒng)分解成不超過系統(tǒng)階數(shù)個數(shù)的子系統(tǒng)，并從系統(tǒng)輸出量的動態(tài)特性開始，結(jié)合李雅普諾夫穩(wěn)定性和中間虛擬控制信號，逐步反步推導(dǎo)出系統(tǒng)的控制律；模糊系統(tǒng)具有平行處理和函數(shù)逼近的能力，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值的特性，模糊自適應(yīng)被廣泛應(yīng)用于具有不確定系統(tǒng)特性的非線性系統(tǒng)的控制設(shè)計。近年來，結(jié)合該兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，基于反步法的模糊自適應(yīng)控制受到廣泛的研究與發(fā)展。然而，基于反步法的模糊自適應(yīng)控制存在兩個制約廣泛實(shí)際工程應(yīng)用的缺陷，即“復(fù)雜度爆炸”和“維數(shù)災(zāi)”問題?！皬?fù)雜度爆炸”是由于在反步設(shè)計過程中，每一步設(shè)計的虛擬控制律的導(dǎo)數(shù)信息要在下一步的設(shè)計中應(yīng)用，隨著系統(tǒng)階數(shù)的增加，使得最終得到的真正控制律結(jié)構(gòu)復(fù)雜度異常復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用；模糊系統(tǒng)的函數(shù)逼近能力依賴于模糊規(guī)則的個數(shù)，而模糊規(guī)則數(shù)過大則導(dǎo)致模糊權(quán)值在高維空間的在線調(diào)節(jié)參數(shù)個數(shù)過大，則導(dǎo)致計算量過大，函數(shù)逼近能力受計算資源限制，即為“維數(shù)災(zāi)”問題。為了克服上述難題，美國德克薩斯a&m大學(xué)d.swaroop等提出了dsc(dynamicsurfacecontrol，動態(tài)面控制)技術(shù)，在每個虛擬控制器之后增加一階濾波器，用濾波輸出信號用于下一步的控制設(shè)計，避免了由對虛擬控制微分而造成的“復(fù)雜度爆炸”問題；清華大學(xué)daoxianggao學(xué)者將模糊技術(shù)引入到dsc框架中，解決了系統(tǒng)含未知函數(shù)的在線逼近控制問題。然而，上述技術(shù)的均為單入單出非線性系統(tǒng)，而實(shí)際中的被控系統(tǒng)均裝備不同種類的執(zhí)行裝置，即異質(zhì)執(zhí)行器，且執(zhí)行器還存在未知時間發(fā)生故障的情形，上述技術(shù)不能直接應(yīng)用于異質(zhì)執(zhí)行器的容錯控制；且基于模糊系統(tǒng)的dsc技術(shù)存在“維數(shù)災(zāi)”難題，加重系統(tǒng)的計算量，制約了算法的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種含故障和異質(zhì)執(zhí)行器的單一自適應(yīng)模糊動態(tài)面控制系統(tǒng)，不僅回避了傳統(tǒng)反步設(shè)計框架下的“復(fù)雜度爆炸”和“維數(shù)災(zāi)”問題，還能夠在部分執(zhí)行器故障、異質(zhì)執(zhí)行器的運(yùn)行條件下保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的單一自適應(yīng)模糊動態(tài)面控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種含故障和異質(zhì)執(zhí)行器的單一自適應(yīng)模糊動態(tài)面控制系統(tǒng)，包括：

n-1個虛擬控制器、1個真實(shí)控制器、執(zhí)行器和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元，n為系統(tǒng)階數(shù)；

第一個虛擬控制器包括：比較器、微分器、比例控制器、逼近器和求和器，第個虛擬控制器由一階濾波器、微分器、比較器、比例控制器、逼近器和求和器構(gòu)成，所述真實(shí)控制器包括：三個比較器、求和器、一階濾波器、微分器、三個比例控制器、逼近器、放大器和自動切換單元構(gòu)成；

第1個虛擬控制器的輸入端和參考信號yr相連，第1個虛擬控制器的輸出端與第1個一階濾波器相連，第1個一階濾波器輸出信號χ1與第2個虛擬控制器的輸入端相連，第2個虛擬控制器的輸出與第2個一階濾波器相連，第2個一階濾波器的輸出信號χ2與第3個虛擬控制器的輸入端相連，以此類推，第i個虛擬控制器的輸出與第個一階濾波器相連，第個一階濾波器輸出信號χi與第個虛擬控制器的輸入端相連，直到第n-1個虛擬控制器的輸出與第n-1個一階濾波器相連，第n-1個一階濾波器輸出信號χn-1與真實(shí)控制器相連，真實(shí)控制器與被控系統(tǒng)的輸入端相連。

進(jìn)一步地，在所述第1個虛擬控制器中，參考信號與比較器輸入端和微分器輸入端相連；系統(tǒng)狀態(tài)x1與比較器的輸入端相連；比較器的輸出端與比例控制器輸入端、逼近器輸入端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；微分器輸出端、比例控制器輸出端和逼近器輸出端分別和求和器輸入端相連；模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸出端與逼近器輸入端相連；求和器的輸出端與下一個虛擬控制器的一階濾波器輸入端和比較器輸入端相連。

進(jìn)一步地，在所述第個虛擬控制器中，第個虛擬控制器的求和器輸出端與一階濾波器輸入端和比較器輸入端相連；系統(tǒng)狀態(tài)xi與比較器的輸入端相連；一階濾波器輸出端和微分器輸入端相連；比較器輸出端和比例控制器輸入端、逼近器輸入端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；微分器輸出端、比例控制器輸出端和逼近器輸出端分別和求和器輸入端相連；模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸出端與逼近器輸入端相連；求和器的輸出端與下一個虛擬控制器的一階濾波器輸入端和比較器輸入端相連。

進(jìn)一步地，在所述真實(shí)控制器中，第n-1個虛擬控制器的求和器輸出端與比較器輸入端和一階濾波器輸入端相連；系統(tǒng)狀態(tài)xn與比較器的輸入端相連；比較器輸出端分別與比例控制器輸入端、逼近器輸入端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；一階濾波器輸出端與微分器輸入端相連；求和器輸入端分別與微分器輸出端、比例控制器輸出端和逼近器輸出端相連；求和器輸出端與兩個比較器相連；模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸出端與逼近器輸入端相連；兩個容錯機(jī)制單元,即雙向容錯單元和單向容錯單元,分別與兩個比較器輸入端相連；兩個比較器輸出端分別與兩個比例控制器輸入端相連；兩個比例控制器輸出端與放大器相連,其中,與單向容錯單元相連的比例控制器單元輸出端與執(zhí)行器總個數(shù)相同個數(shù)的放大器相連,放大器的輸出端分別與單向執(zhí)行器的輸入端和自動切換單元的輸入端相連；與雙向容錯單元相連的比例控制器單元輸出端與雙向執(zhí)行器總個數(shù)相同個數(shù)的放大器相連,放大器輸出端與自動切換單元輸入端相連；自動切換單元的輸出端與雙向執(zhí)行器的輸入端相連；

所述被控系統(tǒng)由如下n階下三角多輸入單輸出不確定非線性系統(tǒng)來表征：

其中，xi是被控系統(tǒng)的第個狀態(tài)變量；為未知的光滑非線性函數(shù)，di(t)為外部擾動，y是被控系統(tǒng)的輸出；γ＝[γ1,…,γm]^t為常數(shù)向量，u＝[u1,…,um]^t為輸入信號向量，m是輸入向量維數(shù)；所述的被控系統(tǒng)包括含擾動的嚴(yán)格反饋和仿射純反饋兩類不確定多入單出非線性系統(tǒng)；所述的被控系統(tǒng)的目標(biāo)是設(shè)計輸入向量u使得在部分執(zhí)行器故障和異質(zhì)執(zhí)行器的條件下，輸出y跟蹤一個外部目標(biāo)參考信號yr。

進(jìn)一步地，在所述第1階虛擬控制器中：

a1、第1階比較器輸入端分別與目標(biāo)參考信號yr和系統(tǒng)輸出x1相連，經(jīng)下列變換得到比較器的輸出端信號e1

e1＝x1-yr

a2、第1階比例控制器的輸入端與第1階比較器的輸出端相連，第1階比較器的輸出端信號e1經(jīng)過第1階比例控制器，得到第1階比例控制器的輸出端信號rpc1

rpc1＝-α1e1

其中α1>0為常數(shù)；

a3、第1階微分器的輸入端與目標(biāo)參考信號yr相連，得到第1階微分器的輸出端信號rd1

a4、第1階逼近器的一個輸入端與第1階比例控制器的輸出端e1相連，另一個輸入端與自適應(yīng)調(diào)節(jié)單元的輸出端相連；所述第1階逼近器是模糊系

統(tǒng)，所述第1階逼近器在線估計第1階虛擬控制器的未知光滑非線性函數(shù)

f1(x1)，f1(x1)＝g1(x1)w1x1

其中g(shù)1(x1)為模糊基函數(shù)向量，形式為g1(x1)＝[g1(x1),…,gl(x1)]^t∈r^l，w1∈r^1*l為模糊權(quán)值矩陣；取(1+||g1(x1)||)²)，為任意常數(shù)；

得到第1階逼近器的輸出端信號

a5、將第1階比例控制器的輸出端信號rpc1、第1階子微分器的輸出端信號rd1和第1階逼近器的輸出端信號ra1與第1階求和器單元的輸入端相連，得到第1階子求和器的輸出端信號r1，即第1個虛擬控制律：

r1＝rpc1+rd1+ra1

進(jìn)一步地，在第i階虛擬控制器中：

b1、一階濾波器的輸入端與第i-1階虛擬控制器的求和器輸出端相連，第i-1階虛擬控制器的求和器的輸出端信號ri-1經(jīng)過一階濾波器后，得到一階濾波器的輸出端信號

b2、微分器的輸入端與一階濾波器的輸出端信號相連，得到微分器的輸出端信號

b3、比較器的輸入端與第i階虛擬控制器狀態(tài)xi和第i-1階虛擬控制器的求和器輸出端信號ri-1相連，經(jīng)下列變換

ei＝xi-ri-1

得到比較器單元的輸出端信號ei；

b4、比例控制器的輸入端與比較器的輸出端ei相連，比較器的輸出信號ei經(jīng)過比例控制器，得到比例控制器的輸出端信號rpci

rpci＝-αiei

其中αi>0為常數(shù)；

b5、逼近器的一個輸入端與比例控制器的輸出端ei相連，另一個輸入端與自適應(yīng)調(diào)節(jié)單元的輸出端相連；所述逼近器是模糊系統(tǒng)，所述逼近器在線第i階虛擬控制器的未知光滑非線性函數(shù)

其中為模糊基函數(shù)向量，形式為wi∈r^1*l為模糊權(quán)值矩陣；

取為任意常數(shù)，得到逼近器的輸出端信號

b6、將比例控制器的輸出端信號rpci、微分器的輸出端信號和逼近器的輸出端信號rai與求和器的輸入端相連，得到求和器的輸出端信號ri，即第i個虛擬控制律：

進(jìn)一步地，在所述真實(shí)控制器中：

c1、一階濾波器的輸入端與第n-1階虛擬控制器的求和器輸出端相鄰，第n-1階虛擬控制器的求和器輸出端信號rn-1經(jīng)過一階濾波器，得到一階濾波器單元的輸出端

c2、微分器的輸入端與一階濾波器的輸出端信號相連，得到微分器的輸出端信號

c3、比較器的輸入端與真實(shí)控制器狀態(tài)xn和第n-1階虛擬控制器的求和器輸出端相連，第n-1階虛擬控制器的求和器輸出端信號rn-1經(jīng)下列變換

en＝xn-rn-1

得到比較器的輸出端信號en；

c4、比例控制器的輸入端與比較器的輸出端相連，比較器的輸出端信號en經(jīng)過下列變換

rpcn＝-αnen

得到比例控制器的輸出端信號rpcn，其中αn>0為常數(shù)；

c5、逼近器的一個輸入端與比例控制器的輸出端en相連，另一個輸入端與自適應(yīng)調(diào)節(jié)單元的輸出端相連，所述逼近器是模糊系統(tǒng)，所述逼近器在線估計真實(shí)控制器的未知光滑非線性函數(shù)

其中為模糊基函數(shù)向量，形式為r^l，wn∈r^1*l為模糊權(quán)值矩陣；

取為任意常數(shù)；得到逼近器的輸出端信號

c6、將比例控制器的輸出端信號rpcn、微分器的輸出端信號和逼近器單元的輸出端信號ran與求和器的輸入端相連，得到求和器的輸出端信號rn：

c7、將求和器的輸出端信號rn和雙向容錯單元的輸出端信號與比較器單元相連，得到比較器單元的輸出端信號rr1：

c8、將求和器的輸出端信號rn和單向容錯單元的輸出端信號與比較器相連，得到比較器的輸出端信號rr2：

c9、將比較器的輸出端信號rr1與比例控制器的輸入端相連，得到比例控制器的輸出端信號u1:

c10、將比較器的輸出端信號rr2與比例控制器的輸入端相連，得到比例控制器的輸出端信號u2:

c11、輸入端與比較器單元的輸出端信號rr1相連的放大器的放大增益常數(shù)為βk，輸入端與比較器單元的輸出端信號rr2相連的放大器的放大增益常數(shù)為βj，經(jīng)如下變換，得到如下放大器的輸出信號：

us1＝β1u1，…，usk＝βku1；ud1＝β1u2，…，udj＝βju2

c12、將放大器的輸出信號us1和ud1，usk和udk，與自動切換單元的輸入端相連，經(jīng)如下變換，得到自動切換單元的輸出uq1和uqk，k∈

c13、將自動切換單元的輸出uq1與第1個能夠提供雙向控制作用的執(zhí)行器相連；將自動切換單元的輸出uqk與第k個能夠提供雙向控制作用的執(zhí)行器相連；將放大器單元的輸出信號ud1與第1個能夠提供單向控制作用的執(zhí)行器相連；將放大器單元的輸出信號udj與第j個能夠提供單向控制作用的執(zhí)行器相連；

c14、自適應(yīng)律通過下列方程在線更新：

其中，μ為正常數(shù)自適應(yīng)速率系數(shù)，σ為給定小正常數(shù)。

由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)與基于反推法的控制器設(shè)計方法相比，避免了對虛擬控制信號進(jìn)行求導(dǎo)，降低了控制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，利于實(shí)際基于微處理器系統(tǒng)如單片機(jī)或數(shù)字信號處理器的控制實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)與基于動態(tài)面的控制器設(shè)計方法相比，避免了過多參數(shù)需要在線調(diào)節(jié)，基于新型的參數(shù)估計技術(shù)，需在線調(diào)節(jié)的參數(shù)減少到1，降低了控制器的計算復(fù)雜度，降低了硬件系統(tǒng)的計算負(fù)荷。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種適用于故障和異質(zhì)執(zhí)行器的單一自適應(yīng)模糊動態(tài)面控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種系統(tǒng)的輸出跟蹤效果示意圖。圖中的實(shí)線代表跟蹤信號yr；圖中的點(diǎn)線代表輸出信號y；圖中的虛線代表誤差y-yr；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種系統(tǒng)狀態(tài)x2的響應(yīng)曲線；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種4個執(zhí)行器的輸出信號曲線；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種自適應(yīng)估計參數(shù)的歷史曲線。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

為便于對本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以一個具體實(shí)施例為例做進(jìn)一步的解釋說明，且實(shí)施例并不構(gòu)成對本發(fā)明實(shí)施例的限定。

為了解決上述技術(shù)存在的問題，本發(fā)明設(shè)計了一種具有容錯特性、適用于異質(zhì)執(zhí)行器的單一自適應(yīng)神經(jīng)動態(tài)面控制系統(tǒng)及設(shè)計方法，不僅回避了傳統(tǒng)反步設(shè)計框架下的“復(fù)雜度爆炸”和“維數(shù)災(zāi)”問題，還能夠在部分執(zhí)行器故障、異質(zhì)執(zhí)行器的運(yùn)行條件下保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種含故障和異質(zhì)執(zhí)行器的單一自適應(yīng)模糊動態(tài)面控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括n-1個虛擬控制器、1個真實(shí)控制器、執(zhí)行器和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元，n為系統(tǒng)階數(shù)，第1個虛擬控制器的輸入端和參考信號yr相連，第1個虛擬控制器的輸出與第1個一階濾波器相連，第1個一階濾波器輸出信號χ1與第2個虛擬控制器的輸入端相連，第2個虛擬控制器的輸出與第2個一階濾波器相連，第2個一階濾波器的輸出信號χ2與第3個虛擬控制器的輸入端相連，以此類推，第i個虛擬控制器的輸出與第個一階濾波器相連，第個一階濾波器輸出信號χi與第個虛擬控制器的輸入端相連，直到第n-1個虛擬控制器的輸出與第n-1個一階濾波器相連，第n-1一階濾波器輸出信號χn-1與真實(shí)控制器相連，真實(shí)控制器與被控系統(tǒng)的輸入端相連。

所述的第1個虛擬控制器由比較器、微分器、比例控制器、逼近器和求和器構(gòu)成；參考信號與比較器輸入端和微分器輸入端相連；系統(tǒng)狀態(tài)x1與比較器的輸入端相連；比較器的輸出端與比例控制器輸入端、逼近器輸入端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；微分器輸出端、比例控制器輸出端和逼近器輸出端分別和求和器輸入端相連；比較器的輸出端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸出端與逼近器輸入端相連；求和器的輸出端與下一個虛擬控制器的一階濾波器輸入端和比較器輸入端相連。

所述的第個虛擬控制器由一階濾波器、微分器、比較器、比例控制器、逼近器和求和器構(gòu)成；第個虛擬控制器的求和器輸出端與一階濾波器輸入端和比較器輸入端相連；系統(tǒng)狀態(tài)xi與比較器的輸入端相連；一階濾波器輸出端和微分器輸入端相連；比較器輸出端和比例控制器輸入端、逼近器輸入端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；微分器輸出端、比例控制器輸出端和逼近器輸出端分別和求和器輸入端相連；比較器的輸出端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸出端與逼近器輸入端相連；求和器的輸出端與下一個虛擬控制器的一階濾波器輸入端和比較器輸入端相連；

所述的真實(shí)控制器由三個比較器、求和器、一階濾波器、微分器、三個比例控制器、逼近器、放大器和自動切換單元構(gòu)成；第n-1個虛擬控制器的求和器輸出端與比較器輸入端和一階濾波器輸入端相連；系統(tǒng)狀態(tài)xn與比較器的輸入端相連；比較器輸出端分別與比例控制器輸入端、逼近器輸入端和模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸入端相連；一階濾波器輸出端與微分器輸入端相連；求和器輸入端分別與微分器輸出端、比例控制器輸出端和逼近器輸出端相連；求和器輸出端與兩個比較器相連；模糊系統(tǒng)自適應(yīng)單元輸出端與逼近器輸入端相連；兩個容錯機(jī)制單元,即雙向容錯單元和單向容錯單元,分別與兩個比較器輸入端相連；兩個比較器輸出端分別與兩個比例控制器輸入端相連；兩個比例控制器輸出端與放大器相連,其中,與單向容錯單元相連的比例控制器單元輸出端與執(zhí)行器總個數(shù)相同個數(shù)的放大器相連,放大器的輸出端分別與單向執(zhí)行器的輸入端和自動切換單元的輸入端相連；與雙向容錯單元相連的比例控制器單元輸出端與雙向執(zhí)行器總個數(shù)相同個數(shù)的放大器相連,放大器輸出端與自動切換單元輸入端相連；自動切換單元的輸出端與雙向執(zhí)行器的輸入端相連；

所述的被控系統(tǒng)可由如下n階下三角多輸入單輸出不確定非線性系統(tǒng)來表征：

其中，xi是被控系統(tǒng)的第個狀態(tài)變量；為未知的光滑非線性函數(shù)，di(t)為外部擾動，y是被控系統(tǒng)的輸出；γ＝[γ1,…,γm]^t為常數(shù)向量，u＝[u1,…,um]^t為輸入信號向量，m是輸入向量維數(shù)；所述的被控系統(tǒng)包括含擾動的嚴(yán)格反饋和仿射純反饋兩類不確定多入單出非線性系統(tǒng)；所述的被控系統(tǒng)的目標(biāo)是設(shè)計輸入向量u使得在部分執(zhí)行器故障和異質(zhì)執(zhí)行器的條件下，輸出y跟蹤一個外部目標(biāo)參考信號yr；

上述含故障和異質(zhì)執(zhí)行器的單一自適應(yīng)模糊動態(tài)面控制系統(tǒng)的工作過程包括以下步驟：

步驟a、第1階子系統(tǒng)虛擬控制器設(shè)計

a1、第1階子系統(tǒng)比較器單元：第1階比較器輸入端分別與目標(biāo)參考信號yr和系統(tǒng)輸出x1相連，經(jīng)下列變換得到比較器的輸出端信號e1

e1＝x1-yr

a2、第1階子系統(tǒng)比例控制器單元：第1階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸入端與比較器單元的輸出端e1相連，經(jīng)過下列比例控制器

rpc1＝-α1e1

得到第1階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸出端信號rpc1，其中α1>0為常數(shù)；

a3、第1階子系統(tǒng)微分器單元：第1階子系統(tǒng)微分器單元的輸入端與目標(biāo)參考信號yr相連，得到第1階子系統(tǒng)微分器單元的輸出端信號

a4、第1階子系統(tǒng)逼近器單元：第1階子系統(tǒng)逼近器單元的一個輸入端與第1階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸出端e1相連，另一個輸入端與自適應(yīng)調(diào)節(jié)單元的輸出端相連；采用逼近器的目的是在線估計第1階子系統(tǒng)的未知光滑非

線性函數(shù)f1(x1)，所述的逼近器是模糊系統(tǒng)；所述的模糊系統(tǒng)在線估計

f1(x1)，f1(x1)＝g1(x1)w1x1

其中g(shù)1(x1)為模糊基函數(shù)向量，形式為g1(x1)＝[g1(x1),…,gl(x1)]^t∈r^l，w1∈r^1*l為模糊權(quán)值矩陣；取為任意常數(shù)；

得到第1階子系統(tǒng)逼近器單元的輸出端信號

a5、第1階子系統(tǒng)求和器單元：將第1階子系統(tǒng)比例控制器單元輸出端信號rpc1、第1階子系統(tǒng)微分器單元輸出端信號rd1和第1階子系統(tǒng)逼近器單元輸出端信號ra1與第1階子系統(tǒng)的求和器單元的輸入端相連，得到第1階子系統(tǒng)求和器的輸出端信號r1，即第1個虛擬控制律：

r1＝rpc1+rd1+ra1

步驟b、第i(i＝2,…,n-1)階子系統(tǒng)虛擬控制器設(shè)計

b1、第i階子系統(tǒng)一階濾波器單元：第i階子系統(tǒng)一階濾波器單元的輸入端與第i-1階子系統(tǒng)的求和器輸出端信號ri-1相連，經(jīng)過下列一階濾波器

得到第i階子系統(tǒng)一階濾波器單元的輸出端信號

b2、第i階子系統(tǒng)微分器單元：第i階子系統(tǒng)微分器單元的輸入端與第i階子系統(tǒng)一階濾波器單元的輸出端信號相連，得到第i階子系統(tǒng)微分器單元的輸出端信號

b3、第i階子系統(tǒng)比較器單元：第i階子系統(tǒng)比較器單元的輸入端與第i階系統(tǒng)狀態(tài)xi和第i-1階子系統(tǒng)的求和器輸出端信號ri-1相連，經(jīng)下列變換

ei＝xi-ri-1

得到第i階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號ei；

b4、第i階子系統(tǒng)比例控制器單元：第i階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸入端與比較器單元的輸出端ei相連，經(jīng)過下列比例控制器

rpci＝-αiei

得到第i階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸出端信號rpci，其中αi>0為常數(shù)；

b5、第i階子系統(tǒng)逼近器單元：第i階子系統(tǒng)逼近器單元的一個輸入端與第i階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸出端ei相連，另一個輸入端與自適應(yīng)調(diào)節(jié)單元的輸出端相連；采用逼近器的目的是在線估計第i階子系統(tǒng)的未知光滑非線性函數(shù)所述的逼近器是模糊系統(tǒng)；所述的模糊系統(tǒng)在線估計則可以表示為其中為模糊基函數(shù)向量，形式為wi∈r^1*l為模糊權(quán)值矩陣；取為任意常數(shù)；得到第i階子系統(tǒng)逼近器單元的輸出端信號

b6、第i階子系統(tǒng)求和器單元：將第i階子系統(tǒng)比例控制器單元輸出端信號rpci、第i階子系統(tǒng)微分器單元輸出端信號和第i階子系統(tǒng)逼近器單元輸出端信號rai與第i階子系統(tǒng)的求和器單元的輸入端相連，得到第i階子系統(tǒng)求和器的輸出端信號ri，即第i個虛擬控制律：

步驟c、第n階子系統(tǒng)真實(shí)控制器設(shè)計

c1、第n階子系統(tǒng)真實(shí)控制器中的一階濾波器單元：第n階子系統(tǒng)一階濾波器單元的輸入端與第n-1階子系統(tǒng)的求和器輸出端信號rn-1相連，經(jīng)過下列一階濾波器

得到第n階子系統(tǒng)一階濾波器單元的輸出端信號

c2、第n階子系統(tǒng)微分器單元：第n階子系統(tǒng)微分器單元的輸入端與第n階子系統(tǒng)一階濾波器單元的輸出端信號相連，得到第n階子系統(tǒng)微分器單元的輸出端信號

c3、第n階子系統(tǒng)比較器單元：第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸入端與第n階系統(tǒng)狀態(tài)xn和第n-1階子系統(tǒng)的求和器輸出端信號rn-1相連，經(jīng)下列變換

en＝xn-rn-1

得到第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號en；

c4、第n階子系統(tǒng)比例控制器單元：第n階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸入端與比較器單元的輸出端en相連，經(jīng)過下列比例控制器

rpcn＝-αnen

得到第n階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸出端信號rpcn，其中αn>0為常數(shù)；

c5、第n階子系統(tǒng)逼近器單元：第n階子系統(tǒng)逼近器單元的一個輸入端與第n階子系統(tǒng)比例控制器單元的輸出端en相連，另一個輸入端與自適應(yīng)調(diào)節(jié)單元的輸出端相連；采用逼近器的目的是在線估計第n階子系統(tǒng)的未知光滑非線性函數(shù)所述的逼近器是模糊系統(tǒng)；所述的模糊系統(tǒng)在線估計則可以表示為其中為模糊基函數(shù)向量，形式為wn∈r^1*l為模糊權(quán)值矩陣；取為任意常數(shù)；得到第n階子系統(tǒng)逼近器單元的輸出端信號

c6、第n階子系統(tǒng)求和器單元：將第n階子系統(tǒng)比例控制器單元輸出端信號rpcn、第n階子系統(tǒng)微分器單元輸出端信號和第n階子系統(tǒng)逼近器單元輸出端信號ran與第n階子系統(tǒng)的求和器單元的輸入端相連，得到第n階子系統(tǒng)求和器的輸出端信號rn：

c7、第n階子系統(tǒng)比較器單元：將第n階子系統(tǒng)求和器的輸出端信號rn和第n階子系統(tǒng)雙向容錯單元輸出端信號與第n階子系統(tǒng)比較器單元相連，得到第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號rr1：

c8、第n階子系統(tǒng)比較器單元：將第n階子系統(tǒng)求和器的輸出端信號rn和第n階子系統(tǒng)單向容錯單元輸出端信號與第n階子系統(tǒng)比較器單元相連，得到第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號rr2：

c9、第n階子系統(tǒng)比例控制器單元：將第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號rr1與第n階子系統(tǒng)比例控制器單元輸入端相連，得到第n階子系統(tǒng)比例控制器單元輸出端信號u1:

c10、第n階子系統(tǒng)比例控制器單元：將第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號rr2與第n階子系統(tǒng)比例控制器單元輸入端相連，得到第n階子系統(tǒng)比例控制器單元輸出端信號u2:

c11、第n階子系統(tǒng)放大器單元：輸入端與第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號rr1相連的放大器放大增益常數(shù)為βk，輸入端與第n階子系統(tǒng)比較器單元的輸出端信號rr2相連的放大器放大增益常數(shù)為βj，經(jīng)如下變換，得到如下放大器的輸出信號：

us1＝β1u1，…，usk＝βku1；ud1＝β1u2，…，udj＝βju2

c12、第n階子系統(tǒng)自動切換單元：將放大器的輸出信號us1和ud1，usk和udk，與第n階子系統(tǒng)自動切換單元的輸入端相連，經(jīng)如下變換，得到第n階子系統(tǒng)自動切換單元的輸出uq1和uqk，

c13、將第n階子系統(tǒng)自動切換單元的輸出uq1與第1個能夠提供雙向控制作用的執(zhí)行器相連；將第n階子系統(tǒng)自動切換單元的輸出uqk與第k個能夠提供雙向控制作用的執(zhí)行器相連；將第n階子系統(tǒng)放大器單元的輸出信號ud1與第1個能夠提供單向控制作用的執(zhí)行器相連；將第n階子系統(tǒng)放大器單元的輸出信號udj與第j個能夠提供單向控制作用的執(zhí)行器相連；

c14、自適應(yīng)律通過下列方程在線更新：

其中，μ為正常數(shù)自適應(yīng)速率系數(shù)，σ為給定小正常數(shù)。

下面以二階不確定非線性系統(tǒng)為例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

考慮如下二階不確定非線性系統(tǒng)

其中，d1＝d2＝0.1。輸出跟蹤目標(biāo)曲線為執(zhí)行器1和3為雙向執(zhí)行器，可提供正負(fù)控制信號；執(zhí)行器2和4為單向執(zhí)行器，可提供負(fù)控制信號，γ＝[1,0.9,0.85,0.8]^t。為仿真需要，設(shè)置如下4個執(zhí)行器的故障情形：

選取如下的控制參數(shù)：

α1＝2,α2＝5,β1＝1,β2＝1,β3＝1,β4＝1,τ1＝0.005,μ＝1,σ＝0.1,

設(shè)置如下的初始狀態(tài)值：

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的輸出跟蹤效果示意圖，圖中的實(shí)線代表跟蹤信號yr；圖中的點(diǎn)線代表輸出信號y；圖中的虛線代表誤差y-yr，圖3是系統(tǒng)狀態(tài)x2的響應(yīng)曲線，圖4是4個執(zhí)行器的輸出信號曲線，圖5是自適應(yīng)估計參數(shù)的歷史曲線。

圖2顯示所設(shè)計的控制方法能夠保證多個執(zhí)行器存在故障情形下良好跟蹤控制效果；圖3顯示閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)量x2在執(zhí)行器故障情形下一直保持有界；圖4顯示4個執(zhí)行器的有界輸出信號；圖5顯示在線估計參數(shù)的動態(tài)值，在存在執(zhí)行器故障的情況下一直保持有界；可以看出，所設(shè)計的控制方法能夠保證執(zhí)行器存在故障情形下的跟蹤控制效果，同時所有閉環(huán)信號均保持有界，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，確保了可行性和實(shí)用性。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)與基于反推法的控制器設(shè)計方法相比，避免了對虛擬控制信號進(jìn)行求導(dǎo)，降低了控制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，利于實(shí)際基于微處理器系統(tǒng)如單片機(jī)或數(shù)字信號處理器的控制實(shí)現(xiàn)；

本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)與基于動態(tài)面的控制器設(shè)計方法相比，避免了過多參數(shù)需要在線調(diào)節(jié)，基于新型的參數(shù)估計技術(shù)，需在線調(diào)節(jié)的參數(shù)減少到1，降低了控制器的計算復(fù)雜度，降低了硬件系統(tǒng)的計算負(fù)荷；

本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)考慮了裝備異質(zhì)執(zhí)行器的容錯控制，如動力分散型的自動駕駛列車，部分車輛裝備牽引電機(jī)與制動裝置，部分車輛僅裝備制動裝置，為一類典型的裝備異質(zhì)執(zhí)行器的被控系統(tǒng)，同時多個執(zhí)行器易發(fā)生故障，本發(fā)明具有容錯控制能力。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。

通過以上的實(shí)施方式的描述可知，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實(shí)現(xiàn)?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機(jī)軟件產(chǎn)品可以存儲在存儲介質(zhì)中，如rom/ram、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機(jī)設(shè)備(可以是個人計算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實(shí)施例或者實(shí)施例的某些部分所述的方法。

本說明書中的各個實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實(shí)施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上。可以根據(jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可以理解并實(shí)施。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(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)，可輕易想到的變化或替換，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)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。