用s-function一个系统的控制器以及自适应律,其中自适应律为向量形式,写一个实例

时间: 2023-06-13 14:03:06 浏览: 168
以下是一个使用S-Function实现控制器和自适应律的示例: ```matlab function [sys,x0,str,ts] = adaptive_control_sfun(t,x,u,flag,params) % ADAPTIVE_CONTROL_SFUN S-Function for a system with adaptive controller % and adaptive law % The system is described by the following differential equation: % % dx/dt = A*x + B*u % % The adaptive controller is given by: % % u = -K*xhat + r % % where K is the feedback gain matrix, xhat is the estimated state, % and r is the reference input. % % The adaptive law is given by: % % dtheta/dt = gamma*P'*xtilde % % where theta is the vector of adaptive parameters, P is a matrix of % regressor functions, xtilde is the tracking error, and gamma is a % positive constant. % % The adaptive parameters are updated by: % % theta = theta + dtheta*dt % % The regressor functions are given by: % % P = [phi1(x,u), phi2(x,u), ..., phim(x,u)] % % where phi1, phi2, ..., phim are basis functions. % % The S-Function takes the following inputs: % % u(1) - reference input r % u(2) - measured output y % % and generates the following outputs: % % y(1) - control input u % y(2) - estimated state xhat % % The S-Function has the following parameters: % % params.A - state matrix A % params.B - input matrix B % params.K - feedback gain matrix K % params.gamma - adaptation rate gamma % params.phi - basis function handle % params.theta0 - initial value of adaptive parameters % params.m - number of basis functions % params.n - number of states % % The S-Function has the following states: % % x(1:n) - state vector x % x(n+1:end) - adaptive parameters theta % % The S-Function is called with flag = 0 at initialization and with % flag = 2 at each simulation step. switch flag case 0 % Initialization [sys,x0,str,ts] = init(params); case 2 % Simulation step sys = step(t,x,u,params); case 3 % Output sizing sys = sizes(params); case {1,4,9} % Unused flags sys = []; otherwise % Error handling error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); end function [sys,x0,str,ts] = init(params) % Initialization function % % The initial state is set to zero, and the initial value of the % adaptive parameters is set to theta0. n = params.n; % number of states m = params.m; % number of basis functions % Initialize state vector x to zero x0 = zeros(n+m,1); % Initialize adaptive parameters to theta0 x0(n+1:end) = params.theta0; % Return system sizes sizes(params); % call sizing function % Set sample time ts = [params.dt 0]; % Set state derivatives to zero str = []; % Set output vector to empty sys = []; function sys = step(t,x,u,params) % Simulation step function % % The state derivatives are computed using the system equations. % The control input is computed using the estimated state and the % feedback gain matrix. The tracking error is computed using the % reference input and the measured output. The regressor functions % are computed using the current state and input. The adaptive law % is computed using the tracking error and the regressor functions. % The adaptive parameters are updated using the adaptive law. % % The estimated state and control input are returned as outputs. n = params.n; % number of states m = params.m; % number of basis functions % Extract input values r = u(1); % reference input y = u(2); % measured output % Extract state and adaptive parameter vectors xhat = x(1:n); % estimated state theta = x(n+1:end); % adaptive parameters % Extract system matrices and vectors A = params.A; B = params.B; K = params.K; gamma = params.gamma; phi = params.phi; % Compute state derivatives xdot = A*xhat + B*(-K*xhat + r); % Compute control input u = -K*xhat + r; % Compute tracking error xtilde = xhat - y; % Compute regressor functions P = zeros(m,1); for i = 1:m P(i) = phi{i}(xhat,u); end % Compute adaptive law dtheta = gamma*P'*xtilde; % Update adaptive parameters theta = theta + dtheta*params.dt; % Update estimated state xhat = xhat + xdot*params.dt; % Update state vector x = [xhat;theta]; % Set output vector sys = [u;xhat]; function sys = sizes(params) % Output sizing function % % The output vector has two elements: the control input and the % estimated state. n = params.n; % number of states % Set output vector sizes sys = [2,1,n]; function phi = basis_functions() % Basis function definition % % This function defines the basis functions used in the adaptive law. % In this example, we use a set of radial basis functions. phi = {... @(x,u) exp(-norm(x)^2),... @(x,u) exp(-norm(x-u)^2),... @(x,u) exp(-norm(x+u)^2),... @(x,u) exp(-norm(x-2*u)^2),... @(x,u) exp(-norm(x+2*u)^2)... }; end % Define system parameters A = [0 1; -1 0]; B = [0; 1]; K = [1 0]; gamma = 0.1; phi = basis_functions(); theta0 = [1; 1; 1; 1; 1]; m = length(phi); n = size(A,1); dt = 0.1; % Define parameter struct params.A = A; params.B = B; params.K = K; params.gamma = gamma; params.phi = phi; params.theta0 = theta0; params.m = m; params.n = n; params.dt = dt; % Simulate system using S-Function sim('adaptive_control_sfun',[0 10],[],params); % Plot results t = ans.tout; u = ans.u; xhat = ans.xhat; subplot(2,1,1); plot(t,u); xlabel('Time (s)'); ylabel('Control input'); subplot(2,1,2); plot(t,xhat); xlabel('Time (s)'); ylabel('Estimated state'); ``` 此示例实现了一个二阶系统的自适应控制器和自适应律,其中自适应律为向量形式。该系统由以下微分方程描述: $$\frac{d}{dt}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}0&1\\-1&0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix} + \begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}u$$ 自适应控制器由以下控制律描述: $$u = -K\hat{x} + r$$ 其中$K$是反馈增益矩阵,$\hat{x}$是估计的状态,$r$是参考输入。 自适应律由以下微分方程描述: $$\frac{d}{dt}\theta = \gamma P^T\tilde{x}$$ 其中$\theta$是自适应参数向量,$P$是回归函数矩阵,$\tilde{x}$是跟踪误差,$\gamma$是正常数。自适应参数通过以下更新方程进行更新: $$\theta = \theta + \frac{d\theta}{dt}\Delta t$$ 回归函数由以下基函数定义: $$\begin{aligned}\phi_1(x,u) &= \exp(-||x||^2)\\\phi_2(x,u) &= \exp(-||x-u||^2)\\\phi_3(x,u) &= \exp(-||x+u||^2)\\\phi_4(x,u) &= \exp(-||x-2u||^2)\\\phi_5(x,u) &= \exp(-||x+2u||^2)\end{aligned}$$ 在S-Function中,我们使用以下参数传递系统参数: ```matlab % Define system parameters A = [0 1; -1 0]; B = [0; 1]; K = [1 0]; gamma = 0.1; phi = basis_functions(); theta0 = [1; 1; 1; 1; 1]; m = length(phi); n = size(A,1); dt = 0.1; % Define parameter struct params.A = A; params.B = B; params.K = K; params.gamma = gamma; params.phi = phi; params.theta0 = theta0; params.m = m; params.n = n; params.dt = dt; ``` 其中`basis_functions`函数定义了基函数集合。 在S-Function的`init`函数中,我们将状态向量`x`初始化为零,并将自适应参数向量初始化为给定的初始值。 ```matlab function [sys,x0,str,ts] = init(params) % Initialization function % % The initial state is set to zero, and the initial value of the % adaptive parameters is set to theta0. n = params.n; % number of states m = params.m; % number of basis functions % Initialize state vector x to zero x0 = zeros(n+m,1); % Initialize adaptive parameters to theta0 x0(n+1:end) = params.theta0; % Return system sizes sizes(params); % call sizing function % Set sample time ts = [params.dt 0]; % Set state derivatives to zero str = []; % Set output vector to empty sys = []; ``` 在S-Function的`step`函数中,我们使用系统方程计算状态导数,使用估计状态和反馈增益矩阵计算控制输入,使用参考输入和测量输出计算跟踪误差,使用当前状态和输入计算回归函数,使用跟踪误差和回归函数计算自适应律,使用自适应律更新自适应参数,使用状态导数更新估计状态。 ```matlab function sys = step(t,x,u,params) % Simulation step function % % The state derivatives are computed using the system equations. % The control input is computed using the estimated state and the % feedback gain matrix. The tracking error is computed using the % reference input and the measured output. The regressor functions % are computed using the current state and input. The adaptive law % is computed using the tracking error and the regressor functions. % The adaptive parameters are updated using the adaptive law. % % The estimated state and control input are returned as outputs. n = params.n; % number of states m = params.m; % number of basis functions % Extract input values r = u(1); % reference input y = u(2); % measured output % Extract state and adaptive parameter vectors xhat = x(1:n); % estimated state theta = x(n+1:end); % adaptive parameters % Extract system matrices and vectors A = params.A; B = params.B; K = params.K; gamma = params.gamma; phi = params.phi; % Compute state derivatives xdot = A*xhat + B*(-K*xhat + r); % Compute control input u = -K*xhat + r; % Compute tracking error xtilde = xhat - y; % Compute regressor functions P = zeros(m,1); for i = 1:m P(i) = phi{i}(xhat,u); end % Compute adaptive law dtheta = gamma*P'*xtilde; % Update adaptive parameters theta = theta + dtheta*params.dt; % Update estimated state xhat = xhat + xdot*params.dt; % Update state vector x = [xhat;theta]; % Set output vector sys = [u;xhat]; ``` 最后,我们使用S-Function进行仿真,并绘制结果。 ```matlab % Simulate system using S-Function sim('adaptive_control_sfun',[0 10],[],params); % Plot results t = ans.tout; u = ans.u; xhat = ans.xhat; subplot(2,1,1); plot(t,u); xlabel('Time (s)'); ylabel('Control input'); subplot(2,1,2); plot(t,xhat); xlabel('Time (s)'); ylabel('Estimated state'); ``` 此示例演示了如何使用S-Function实现具有向量形式自适应律的控制器。

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