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首页非线性纯反馈系统自适应控制:高阶滑模观测器方法
非线性纯反馈系统自适应控制:高阶滑模观测器方法
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更新于2024-08-30
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"基于高阶滑模观测器的非线性纯反馈系统自适应控制的研究论文" 这篇研究论文主要探讨了非线性纯反馈系统的自适应控制策略,尤其引入了高阶滑模观测器来解决未知状态的估计问题。传统的控制方法,如反向步进技术,在处理纯反馈系统时常常遇到复杂性和循环问题。然而,该论文提出了一种新颖的自适应控制设计,它不依赖于反向步进技术,而是通过设定一组替代状态变量及其相应的变换,将纯反馈系统的状态反馈控制转化为一个标准系统的输出反馈控制。这种方法避免了复杂的反向步进过程,同时也解决了由此产生的问题。 在新提出的控制框架中,关键在于采用了一个高阶滑模观测器来估算系统中的未知状态。这种观测器能够在有限时间内确保误差收敛,提高了系统状态估计的精度和稳定性。为了实现跟踪控制,论文提出了两种自适应神经网络控制器。第一种方案中,引入了一个鲁棒项,以考虑系统中的不确定性,增强控制器对不确定性和扰动的鲁棒性。 在第二种控制器设计方案中,可能涉及了更深入的神经网络学习机制,以适应系统参数的变化和非线性特性。通过神经网络的学习能力,控制器能够在线调整其参数,以适应系统动态的变化,进一步提升控制性能。这两种控制器的设计都旨在确保系统能够跟踪期望的参考轨迹,同时保持良好的动态性能和稳定性。 这篇论文为非线性纯反馈系统的控制提供了新的思路,利用高阶滑模观测器增强了状态估计能力,并通过自适应神经网络控制器实现了对系统动态的高效控制,有效地解决了传统方法中的复杂性和不确定性问题。这项工作对于理解和改进非线性控制系统,特别是在实际工程应用中,具有重要的理论价值和实践意义。
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372 IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL NETWORKS AND LEARNING SYSTEMS, VOL. 24, NO. 3, MARCH 2013
Unlike available results, the controllers to be studied in this
paper are derived without using backstepping. To facilitate the
control design, a set of new state variables will be defined
and a coordinate transform will be proposed to transform
pure-feedback system (1) into a canonical system.
Define alternative state variables as
⎧
⎨
⎩
z
1
= x
1
z
i
=˙z
i−1
,
i = 2,...,n
y = z
1
= x
1
.
(2)
Then, according to the fact that z
2
=˙z
1
= f
1
(x
1
, x
2
),it
follows that:
˙z
2
=¨z
1
=
∂ f
1
(x
1
, x
2
)
∂x
1
˙x
1
+
∂ f
1
(x
1
, x
2
)
∂x
2
˙x
2
=
∂ f
1
(x
1
, x
2
)
∂x
1
f
1
(x
1
, x
2
) +
∂ f
1
(x
1
, x
2
)
∂x
2
f
2
(x
1
, x
2
, x
3
). (3)
Since the unknown function f
2
(x
1
, x
2
, x
3
) is continuously
differentiable with respect to x
3
, we apply the mean-value
theorem [36] for f
2
(x
1
, x
2
, x
3
) as
f
2
(x
1
, x
2
, x
3
) = f
2
(x
1
, x
2
, 0)+
∂ f
2
(x
1
, x
2
, x
3
)
∂x
3
|
x
3
=x
θ
3
x
3
(4)
where x
θ
3
= θ x
3
with 0 <θ<1 being a constant (not
necessarily known) [17], [20]. Then (2) can be rewritten as
˙z
2
= α
2
(x
1
, x
2
) + β
2
(x
1
, x
2
, x
θ
3
)x
3
(5)
where α
2
(x
1
, x
2
)=(∂ f
1
(x
1
, x
2
)/∂x
1
) f
1
(x
1
, x
2
)+(∂ f
1
(x
1
, x
2
)/
∂x
2
) f
2
(x
1
, x
2
, 0) and β
2
(x
1
, x
2
, x
θ
3
) = (∂ f
1
(x
1
, x
2
)/∂x
2
)
(∂ f
2
(x
1
, x
2
, x
3
)/∂x
3
)|
x
3
=x
θ
3
are unknown but smooth functions
of ¯x
2
=[x
1
, x
2
]
T
∈ R
2
and [¯x
2
, x
θ
3
]
T
∈ R
3
.
For i = 3, one can obtain
˙z
3
=¨z
2
=
∂α
2
( ¯x
2
)
∂ ¯x
2
˙
¯x
2
+
∂β
2
( ¯x
3
)
∂ ¯x
3
˙
¯x
3
x
3
+ β
2
( ¯x
3
) ˙x
3
=
2
j=1
∂α
2
( ¯x
2
)
∂x
j
f
j
(x
1
,...,x
j+1
)
+
2
j=1
∂β
2
( ¯x
3
)
∂x
j
f
j
(x
1
,...,x
j+1
)x
3
+
∂β
2
( ¯x
3
)
∂x
3
x
3
+ β
2
( ¯x
3
)
˙x
3
=
2
j=1
∂α
2
( ¯x
2
)
∂x
j
f
j
( ¯x
j+1
)+
2
j=1
∂β
2
( ¯x
3
)
∂x
j
f
j
( ¯x
j+1
)x
3
+
∂β
2
( ¯x
3
)
∂x
3
x
3
+ β
2
( ¯x
3
)
f
3
(x
1
,...,x
4
). (6)
Since f
3
(x
1
,...,x
4
) is continuously differentiable with
respect to x
4
, then based on the mean-value theorem, it can
be represented as
f
3
(x
1
,...,x
4
)= f
3
(x
1
,...,x
3
, 0)+
∂ f
3
(x
1
,...,x
4
)
∂x
4
x
4
=x
θ
4
x
4
(7)
where x
θ
4
= θx
4
with 0 <θ<1 being a constant [17], [20].
We then rewrite (6) as
˙z
3
= α
3
( ¯x
3
) + β
3
¯x
3
, x
θ
4
x
4
(8)
where
α
3
( ¯x
3
) =
2
j=1
(∂α
2
( ¯x
2
)/∂x
j
) f
j
( ¯x
j+1
)
+
2
j=1
(∂β
2
( ¯x
3
)/∂x
j
) f
j
( ¯x
j+1
)x
3
+(
(
∂β
2
( ¯x
3
)/∂x
3
)x
3
+ β
2
( ¯x
3
)
)
f
3
( ¯x
3
, 0)
and
β
3
( ¯x
3
, x
θ
4
) = (
(
∂β
2
( ¯x
3
)/∂x
3
)x
3
+β
2
( ¯x
3
)
)
(∂ f
3
( ¯x
4
)/∂x
4
)|
x
4
=x
θ
4
are smooth functions of ¯x
3
∈ R
3
and [¯x
3
, x
θ
4
]
T
∈ R
4
,
respectively.
Similar to above analysis, for i = 4,...,n − 1, we can
derive
˙z
i
=¨z
i−1
=
∂α
i−1
( ¯x
i−1
)
∂ ¯x
i−1
˙
¯x
i−1
+
∂β
i−1
( ¯x
i
)
∂ ¯x
i
˙
¯x
i
x
i
+ β
i−1
( ¯x
i
) ˙x
i
=
i−1
j=1
∂α
i−1
( ¯x
i−1
)
∂x
j
f
j
( ¯x
j+1
)
+
i−1
j=1
∂β
i−1
( ¯x
i
)
∂x
j
f
j
( ¯x
j+1
)x
i
+
∂β
i−1
( ¯x
i
)
∂x
i
x
i
+ β
i−1
( ¯x
i
)
f
i
(x
1
,...,x
i+1
). (9)
Applying the mean-value theorem for the smooth function
f
i
(x
1
,...,x
i+1
) with respect to x
i+1
, it follows:
f
i
(x
1
,...,x
i+1
) = f
i
(x
1
,...,x
i
, 0)
+
∂ f
i
(x
1
,...,x
i+1
)
∂x
i+1
x
i+1
=x
θ
i+1
x
i+1
(10)
where x
θ
i+1
= θ x
i+1
with 0 <θ <1 being a constant. Then
substituting (10) into (9) yields
˙z
i
= α
i
( ¯x
i
) + β
i
¯x
i
, x
θ
i+1
x
i+1
(11)
where
α
i
( ¯x
i
) =
i−1
j=1
(∂α
i−1
( ¯x
i−1
)/∂x
j
) f
j
( ¯x
j+1
)
+
i−1
j=1
(∂β
i−1
( ¯x
i
)/∂x
j
) f
j
( ¯x
j+1
)x
i
+
(
(∂β
i−1
( ¯x
i
)/∂x
i
)x
i
+ β
i−1
( ¯x
i
)
)
f
i
( ¯x
i
, 0)
and
β
i
( ¯x
i+1
, x
θ
i+1
) = ((∂β
i−1
( ¯x
i
)/∂x
i
)x
i
+β
i−1
( ¯x
i
))(∂ f
i
( ¯x
i+1
)/∂x
i+1
)|
x
i+1
=x
θ
i+1
are unknown functions of ¯x
i
∈ R
i
and [¯x
i
, x
θ
i+1
]
T
∈ R
i+1
.
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