状态依赖切换系统的开环自适应实现方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种状态依赖切换系统的开环自适应实现方法及系统，包括：步骤S1：基于切换系统动力学模型，利用边界法向量与向量场判断运动流的可通过性，基于运动流的可通过性判断当前运动流是否能够平滑切换；步骤S2：当不能平滑切换时，则基于当前切换系统动力学模型中的控制器选取全驱动主导控制器；步骤S3：对当前全驱动主导控制器依次进行开环校正和开环补偿操作，实现运动流在边界的平滑切换。实现运动流在边界的平滑切换。实现运动流在边界的平滑切换。

【技术实现步骤摘要】
状态依赖切换系统的开环自适应实现方法及系统


[0001]本专利技术涉及切换系统控制领域，具体地，涉及状态依赖切换系统的开环自适应实现方法及系统。

技术介绍

[0002]在复杂系统的非线性分析和控制器设计中，切换系统的理论与研究成果得到了广泛应用。如具有变结构姿态控制的水陆两栖无人机，可同时应对机械结构突变与运行环境突变的问题；以形状记忆合金为主导的驱动器，利用高功重比、轻质小型的优势时，滞回环与本构模型高度非线性的特性也不容忽略。在切换边界若控制不当，可能引发运动流在边界颤振，对驱动器具有不良影响，如引发电机过热、形状记忆合金老化等问题。在状态依赖的切换系统中，仍面临不小的挑战：
[0003]1、模型参数的不确定性
[0004]子系统参数众多，一些假设和简化可能无法建立高保真的动力学模型，如电机通常建模为电流与输出力矩的关系式，但长时间运作下，齿轮间的间隙、工作温度的浮动对输出力矩都具有一定影响，部分参数具有时变性，引发建模的误差。通过构造自适应方法，可抑制模型参数不确定性对切换系统控制方法的影响。
[0005]2、外部环境的不可知性
[0006]对一些实时性要求较高的切换系统，如卫星对某一非合作目标进行追踪和捕获时，外界环境的变化具有不可预知性，引发期望轨迹的不可知性，即反馈信号的缺失，进而导致一些基于反馈的控制算法无法有效地进行应用。通过开环校正与开环补偿方法，可避免外部环境的突变引发期望轨迹的不可知问题。
[0007]3、控制方法的普适性与迁移性问题
[0008]在状态依赖切换系统的控制问题中，针对具体的动力学模型，选取基于模型的控制、基于反馈的控制或基于学习的控制，在迁移应用至其他模型时，可能面临重新构造控制器或重新训练数据的问题，其泛化性与迁移性会受到模型结构的影响。开发一个具有普适性的控制方法，可有效迁移至具有不同结构与不同参数的状态依赖切换系统，已成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种状态依赖切换系统的开环自适应实现方法及系统。
[0010]根据本专利技术提供的一种状态依赖切换系统的开环自适应实现方法，包括：
[0011]步骤S1：基于切换系统动力学模型，利用边界法向量与向量场判断运动流的可通过性，基于运动流的可通过性判断当前运动流是否能够平滑切换；
[0012]步骤S2：当不能平滑切换时，则基于当前切换系统动力学模型中的控制器选取全驱动主导控制器；
[0013]步骤S3：对当前全驱动主导控制器依次进行开环校正和开环补偿操作，实现运动流在边界的平滑切换。
[0014]优选地，所述步骤S1采用：
[0015]步骤S1.1：初始化切换系统动力学模型，并进行时域迭代；
[0016]所述切换系统动力学模型包括：
[0017][0018]其中，
[0019]x为长度N的切换系统状态向量，N≥2；f
σ
描述切换系统状态间的耦合关系；g
σ
描述切换系统状态与控制输入的关系；u为切换系统的控制输入；σ为运动流在状态空间中所处的子空间域，当运动流由一子空间域穿过边界进入相邻子空间域时，切换系统完成了切换，f
σ
与g
σ
对应切换；
[0020]步骤S1.2：由边界法向量与向量场对G函数进行定义，当运动流逼近边界分别计算相邻两个子空间的G函数，基于相邻两个子空间的G函数判断运动流是否能够通过；
[0021]任取两相邻子空间域记为Ω
α
和Ω
β
，两子空间域非集的交集为边界，记为该边界由函式l
αβ
()描述，当l
αβ
()正负号发生变换时，则切换系统发生切换；切换集为边界在空间中的微小邻域，记为∑αβ；
[0022]边界法向量记为由子空间域Ω
β
指向子空间域Ω
α
：
[0023][0024]由边界法向量与向量场对G函数，进行定义：
[0025][0026]当运动流抵达边界时，若不等式(5)成立，且运动流能平滑切换，则结束；否则运动流不可平滑切换，则进行开环自适应调整；
[0027][0028]优选地，所述步骤S2采用：利用二范数||
·
||2与无穷范数||
·
||
∞
基于当前切换系统动力学模型选取全驱动主导控制器；
[0029]基于二范数||
·
||2与无穷范数||
·
||
∞
，定义控制输入的系数矩阵H
αβ
为：
[0030][0031]选取H
αβ
向量中最大的两个值，分别用u
m
和u
n
表示，并分别对应于控制器u
m
和u
n
；
[0032]当控制器u
m
和u
n
中g
αm
g
βn
≠g
αn
g
βm
时，则将当前控制器u
m
和u
n
作为全驱动主导控制器。
[0033]优选地，所述步骤S3采用：
[0034]步骤S3.1：在选定控制输入u
m
和u
n
为主导控制器后，保持其余控制输入不变，对二者进行开环校正，校正值分别记为u
m1
和u
n1
：
[0035][0036]步骤S3.2：在控制输入完成开环校正后，若切换系统动力学模型不存在误差，则使不可通过情形消失，运动流不会在边界颤振；若切换系统动力学模型存在误差，则开通开环补偿模块；
[0037]在切换系统存在误差时，引入开环补偿量克服向量场计算失真的问题，对主导控制器进行开环补偿，补偿值分别记为u
m2
和u
n2
：
[0038][0039]其中，γ
αβ
为自适应算子。
[0040]优选地，通过自适应算法模块可对自适应算子γ
αβ
进行更新，进一步提升保证开环操纵效果；
[0041]自适应算子γ
αβ
的初值为γ
αβ0
，为根据切换系统误差先验信息选取常值，自适应算子γ
αβ
的更新方式如式(9)所示；其中，t
αβ
为运动流在边界颤振的时长；自流进入到切换集∑αβ开始，自流离开切换集∑αβ时停止；
[0042][0043]其中，λ
αβ
为正常数；
[0044]经过开环校正、开环补偿与自适应算法后，拟采取的开环自适应控制输入与为：
[0045][0046]根据本专利技术提供的一种状态依赖切换系统的开环自适应实现系统，包括：
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种状态依赖切换系统的开环自适应实现方法，其特征在于，包括：步骤S1：基于切换系统动力学模型，利用边界法向量与向量场判断运动流的可通过性，基于运动流的可通过性判断当前运动流是否能够平滑切换；步骤S2：当不能平滑切换时，则基于当前切换系统动力学模型中的控制器选取全驱动主导控制器；步骤S3：对当前全驱动主导控制器依次进行开环校正和开环补偿操作，实现运动流在边界的平滑切换。2.根据权利要求1所述的状态依赖切换系统的开环自适应实现方法，其特征在于，所述步骤S1采用：步骤S1.1：初始化切换系统动力学模型，并进行时域迭代；所述切换系统动力学模型包括：其中，x为长度N的切换系统状态向量，N≥2；f
σ
描述切换系统状态间的耦合关系；g
σ
描述切换系统状态与控制输入的关系；u为切换系统的控制输入；σ为运动流在状态空间中所处的子空间域，当运动流由一子空间域穿过边界进入相邻子空间域时，切换系统完成了切换，f
σ
与g
σ
对应切换；步骤S1.2：由边界法向量与向量场对G函数进行定义，当运动流逼近边界分别计算相邻两个子空间的G函数，基于相邻两个子空间的G函数判断运动流是否能够通过；任取两相邻子空间域记为Ω
α
和Ω
β
，两子空间域非集的交集为边界，记为该边界由函式l
αβ
()描述，当l
αβ
()正负号发生变换时，则切换系统发生切换；切换集为边界在空间中的微小邻域，记为∑αβ；边界法向量记为由子空间域Ω
β
指向子空间域Ω
α
：由边界法向量与向量场对G函数，进行定义：当运动流抵达边界时，若不等式(5)成立，且运动流能平滑切换，则结束；否则运动流不可平滑切换，则进行开环自适应调整；3.根据权利要求1所述的状态依赖切换系统的开环自适应实现方法，其特征在于，所述步骤S2采用：利用二范数||
·
||2与无穷范数||
·
||
∞
基于当前切换系统动力学模型选取全
驱动主导控制器；基于二范数||
·
||2与无穷范数||
·
||
∞
，定义控制输入的系数矩阵H
αβ
为：选取H
αβ
向量中最大的两个值，分别用u
m
和u
n
表示，并分别对应于控制器u
m
和u
n
；当控制器u
m
和u
n
中g
αm
g
βn
≠g
αn
g
βm
时，则将当前控制器u
m
和u
n
作为全驱动主导控制器。4.根据权利要求1所述的状态依赖切换系统的开环自适应实现方法，其特征在于，所述步骤S3采用：步骤S3.1：在选定控制输入u
m
和u
n
为主导控制器后，保持其余控制输入不变，对二者进行开环校正，校正值分别记为u
m1
和u
n1
：步骤S3.2：在控制输入完成开环校正后，若切换系统动力学模型不存在误差，则使不可通过情形消失，运动流不会在边界颤振；若切换系统动力学模型存在误差，则开通开环补偿模块；在切换系统存在误差时，引入开环补偿量克服向量场计算失真的问题，对主导控制器进行开环补偿，补偿值分别记为u
m2
和u
n2
：其中，γ
αβ
为自适应算子。5.根据权利要求4所述的状态依赖切换系统的开环自适应实现方法，其特征在于，通过自适应算法模块可对自适应算子γ
αβ
进行更新，进一步提升保证开环操纵效果；自适应算子γ
αβ
的初值为γ
αβ0
，为根据切换系统误差先验信息选取常值，自适应算子γ
αβ
的更新方式如式(9)所示；其中，t
αβ
为运动流在边界颤振的时长；自流进入到切换
集∑αβ开始，自流离开切换集∑αβ时停止；其中，λ
αβ
为正常数；经过开环校正、开环补偿与自适应算法后，拟采取的开环自适应控制输入与为：6.一种状...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄健哲，肖秉杭，敬忠良，唐德佳，顿向明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：