專利名稱：遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性控制領(lǐng)域的應(yīng)用，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立逆模型，補(bǔ) 償遲滯系統(tǒng)，屬于非線性控制的逆系統(tǒng)方法。
背景技術(shù)：
遲滯非線性是一種廣泛存在的科學(xué)現(xiàn)象，如壓電陶瓷、勵(lì)磁電機(jī)、變壓器、機(jī) 械間隙系統(tǒng)等都存在遲滯現(xiàn)象。在控制系統(tǒng)中，遲滯非線性不僅會(huì)降低系統(tǒng)的控制 精度，而且削弱閉環(huán)系統(tǒng)中的反饋?zhàn)饔茫踔猎斐上到y(tǒng)的不穩(wěn)定。特別是在智能材 料領(lǐng)域，壓電陶瓷等智能材料因定位精度高、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用在精 密加工機(jī)床，電子顯微鏡探頭驅(qū)動(dòng)，微工作臺(tái)，天文望遠(yuǎn)鏡定位等系統(tǒng)。但壓電陶 瓷等智能材料本身所固有的遲滯特性，已成為控制精度進(jìn)一步提高的主要障礙。從 控制角度看，遲滯系統(tǒng)的控制難度主要在兩個(gè)方面 一是多映射性，相同輸入可以 有不同輸出，而相同輸出可以不同輸入；另一方面，遲滯系統(tǒng)的輸出不僅與輸入信 號(hào)瞬時(shí)值有關(guān)，而且還與輸入信號(hào)的歷史有關(guān)。
為提高控制精度，減小遲滯對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響，通常采取的控制策略是建立相 應(yīng)的遲滯模型進(jìn)行補(bǔ)償，其中以廣義Maxwell模型和Preisach遲滯模型的應(yīng)用最為 廣泛。廣義Maxwell模型將遲滯系統(tǒng)等效為若干個(gè)遲滯單元的疊加，只要增加單 元數(shù)量就可以提高精度，但廣義Maxwell模型是一種對(duì)稱模型，無(wú)法適用于非對(duì) 稱遲滯系統(tǒng)。Preisach模型原理簡(jiǎn)單，適用范圍廣，可以描述任何復(fù)雜遲滯特性， 但所需的參數(shù)太多，需要龐大的存儲(chǔ)空間，計(jì)算量大，而且實(shí)現(xiàn)形式比較復(fù)雜，難 以實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行在線控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)有遲滯特性的系統(tǒng)，采用分段控制的方式，根據(jù)輸出信號(hào)的變化， 分別建立上升段和下降段的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，與原系統(tǒng)復(fù)合成偽線性系統(tǒng)，補(bǔ)償遲滯 非線性，提高控制精度。
(1) 提取數(shù)據(jù)遲滯系統(tǒng)在輸入信號(hào)"O的作用下，輸出信號(hào)為y(O，根據(jù) W^的變化，在上升段提取輸入信號(hào)"^、輸出信號(hào)y(0、與該段相鄰的前一下 降段的輸出信號(hào)y(/)局部極值；在下降段提取輸入信號(hào)w(0、輸出信號(hào)y(/)、與
該段相鄰的前上升降段的輸出信號(hào)y(/)局部極值；其中，第一段的局部極值設(shè)置 為0。
(2) 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分別建立上升段與下降段的神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型，其中，上升段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將步驟(l)中提取的每個(gè)上升段輸出信號(hào)y(Z)，
輸出信號(hào)y(O局部極值，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸入量，輸入信號(hào)w(/)作為神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸出量；下降段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將步驟(l)中提取的各下降段輸出信號(hào)_y(0，輸出信號(hào)y(/)局部極值，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入量，輸入信號(hào)w(/)為神
經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸出量。
(3) 設(shè)計(jì)偽線性系統(tǒng)采用切換開關(guān)，設(shè)計(jì)遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，在輸入信號(hào)遞 增時(shí)，逆系統(tǒng)的輸出為上升段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出，在輸入信號(hào)遞減時(shí)，逆系統(tǒng)的 輸出為下降段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出；將逆系統(tǒng)與遲滯系統(tǒng)串聯(lián)，構(gòu)成偽線性系統(tǒng)， 而且偽線性系統(tǒng)的輸入是遲滯系統(tǒng)的期望輸出值力(O，同時(shí)對(duì)期望輸出值為(0的
進(jìn)行在線局部極值檢測(cè)，將期望輸出值h(r)，以及檢測(cè)到的局部極值信號(hào)，同時(shí)
作為偽線性系統(tǒng)的輸入。
(4) 局部極值檢測(cè)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入有3個(gè)量，期望輸出值力(/)、力(r)的
歷史局部極大值、期望輸出值》(^的歷史局部極小值。將期望輸出值力(O依次通
過(guò)微分器與延時(shí)器，比較輸入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的當(dāng)前值與前一時(shí)刻值，若當(dāng)前值大于等于 零，前一時(shí)刻值小于零，則認(rèn)為前一時(shí)刻的輸入信號(hào)為局部極小值；若當(dāng)前值小于 等于零，延時(shí)后信號(hào)大于零，則認(rèn)為前一時(shí)刻的輸入信號(hào)為局部極大值。
本發(fā)明提出了一種采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分段補(bǔ)償遲滯的非線性控制方法，提取 輸入信號(hào)的特征值同時(shí)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠精確的 逼近遲滯逆模型。本發(fā)明的分段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)的Preisach、 Maxwell等模型 相比，所需參數(shù)少，實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了參數(shù)辨識(shí)的方法，而且傳統(tǒng)的遲滯模型 多為速率無(wú)關(guān)模型，不能補(bǔ)償輸入信號(hào)變化速率對(duì)輸出的影響，本發(fā)明為補(bǔ)償輸入 速率的影響，提供了一個(gè)可行的方案。


圖l為遲滯系統(tǒng)的輸入-輸出圖2為在輸信號(hào)w(r)的作用下，遲滯系統(tǒng)的輸出圖3為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與遲滯系統(tǒng)復(fù)合成的偽線性系統(tǒng)框圖 圖4為偽線性系統(tǒng)的輸入輸出圖。
具體實(shí)施例方式
遲滯系統(tǒng)在連續(xù)變化的輸入信號(hào)w(O作用下，輸出信號(hào)少(/)，其輸入-輸出關(guān) 系如圖1所示。根據(jù)輸出信號(hào)y(0的變化，將輸入與輸出信號(hào)分為上升段與下降 段。若有連續(xù)的三個(gè)時(shí)間段^A]， h,d， k，/」，如圖2所示，其中[。t]、
h,/」為上升段，[仏d為下降段，則輸出信號(hào)y^。;)、 y(O為局部極小值，輸出
信號(hào)少h)、少(G)為局部極大值。對(duì)于上升段^A]，提取該時(shí)間段的輸入信號(hào) "(0、輸出信號(hào)y(o，以及相鄰的前一下降段的局部極值^(^)、 y^)，以此類推 到其它上升段；對(duì)于下降段h,(]，提取該時(shí)間段的輸入信號(hào)"(/)、輸出信號(hào)
y(O，以及前一上升段的局部極值y(/。)、 _y(^)，以此類推到其它上升段與下降段。
建立上升段的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中輸入層3節(jié)點(diǎn)，輸出層出l節(jié)點(diǎn)。將提取的
每個(gè)上升段輸出、輸出局部極值，作為訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入，提取的每個(gè)上升
段輸入作為訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸出；建立下降段的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中輸入層3 節(jié)點(diǎn)，輸出層出l節(jié)點(diǎn)。將提取的每個(gè)下降段輸出、輸出局部極值，作為訓(xùn)練神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入，提取的每個(gè)下降段輸入作為訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸出。
訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與遲滯系統(tǒng)復(fù)合成偽線性系統(tǒng)，如圖3所示，并且偽 線性系統(tǒng)的輸入為系統(tǒng)的期望輸出h(O，同時(shí)對(duì)期望輸出值A(chǔ)(Z)進(jìn)行局部極值檢
測(cè)，將輸入局部極值同時(shí)作為偽線性系統(tǒng)的輸入。輸出J^0與期望輸出值力(0之 間的遲滯誤差將大大降低。遲滯系統(tǒng)與偽線性系統(tǒng)的輸入-輸出圖如圖3所示。
本發(fā)明在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械間隙系統(tǒng)、磁致伸縮材料等有遲滯特性的系統(tǒng) 均可應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的方法，本發(fā)明所需的參數(shù)少、實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單，更易于在實(shí)時(shí) 控制中應(yīng)用。
該方法可用于補(bǔ)償壓電驅(qū)動(dòng)器，磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器，形狀記憶合金，機(jī)械間隙遲 滯，以及其他有遲滯的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1、一種遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)控制方法，其特征在于包括以下三個(gè)步驟(1)提取數(shù)據(jù)遲滯系統(tǒng)在輸入信號(hào)u(t)的作用下，輸出信號(hào)為y(t)，根據(jù)輸出信號(hào)y(t)的變化，在遲滯系統(tǒng)上升段提取輸入信號(hào)u(t)、輸出信號(hào)y(t)、與該段相鄰的前一下降段的輸出信號(hào)y(t)局部極值；在下降段提取輸入信號(hào)u(t)、輸出信號(hào)y(t)、與該段相鄰的前一上升段的輸出信號(hào)y(t)局部極值；其中，第一段的局部極值設(shè)置為0；(2)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分別建立上升段與下降段的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中，上升段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將步驟(1)中提取的每個(gè)上升段輸出信號(hào)y(t)和輸出信號(hào)y(t)局部極值，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸入量，每個(gè)上升段的輸入信號(hào)u(t)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸出量；下降段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將步驟(1)中提取的每個(gè)下降段輸出信號(hào)y(t)和輸出信號(hào)y(t)局部極值，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸入量，輸入信號(hào)u(t)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸出量；(3)設(shè)計(jì)偽線性系統(tǒng)采用切換開關(guān)，設(shè)計(jì)遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，在輸入信號(hào)遞增時(shí)，逆系統(tǒng)的輸出為上升段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出，在輸入遞減時(shí)，逆系統(tǒng)的輸出為下降段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出；將逆系統(tǒng)與遲滯系統(tǒng)串聯(lián)，構(gòu)成偽線性系統(tǒng)，而且偽線性系統(tǒng)的輸入是遲滯系統(tǒng)的期望輸出值yd(t)，同時(shí)對(duì)期望輸出值yd(t)的進(jìn)行在線局部極值檢測(cè)，將期望輸出值yd(t)，以及檢測(cè)到的局部極值信號(hào)，同時(shí)作為偽線性系統(tǒng)的輸入。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)控制方法，其特征在于步驟(l)中 提取的上升段局部極值信號(hào)，是與該上升時(shí)間段相鄰的前一下降段的輸出局部極 值；提取的下降段局部極值信號(hào)，是與該下降時(shí)間段相鄰的前一上升段的輸出局部 極值。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)控制方法，其特征在于步驟(2)中 采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立三個(gè)輸入量、 一個(gè)輸出量的逆系統(tǒng)，這3個(gè)輸入量分別是輸 入信號(hào)w(O、輸入信號(hào)的局部極小值、輸入信號(hào)局部極大值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的遲滯特性的逆系統(tǒng)控制方法，其特征在于步驟(3)的在 線局部極值檢測(cè)時(shí)，將輸入信號(hào)依次通過(guò)微分器與延時(shí)器，比較輸入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的當(dāng) 前值與前一時(shí)刻值，若當(dāng)前值大于等于零，前一時(shí)刻值小于零，則認(rèn)為前一時(shí)刻的 輸入信號(hào)為局部極小值，并保持當(dāng)前局部極小值直到下一個(gè)局部極小值出現(xiàn)；若輸 入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的當(dāng)前值小于等于零，延時(shí)后信號(hào)大于零，則認(rèn)為前一時(shí)刻的輸入信號(hào) 為局部極大值，并保持當(dāng)前局部極大值直到下一個(gè)局部極大值出現(xiàn)。
全文摘要
一種遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)控制方法，屬非線性控制的逆系統(tǒng)控制方法，該方法包括分別提取遲滯系統(tǒng)上升段和下降段的輸入、輸出信號(hào)及輸出信號(hào)的局部極值；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別建立遲滯系統(tǒng)的上升段與下降段的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將提取的上升段輸出信號(hào)、輸出信號(hào)的局部極值和輸入信號(hào)作為上升段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸入量和目標(biāo)輸出量，同理并提取的下降段的輸出信號(hào)、輸出信號(hào)的局部極值和輸入信號(hào)分別作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)輸入量和目標(biāo)輸出量；采用切換開關(guān)，設(shè)計(jì)遲滯系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，將逆系統(tǒng)與遲滯系統(tǒng)串聯(lián)，構(gòu)成偽線性系統(tǒng)，該系統(tǒng)所需參數(shù)少，實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單，控制精度高，應(yīng)用于補(bǔ)償壓電驅(qū)動(dòng)器、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金、機(jī)械間隙遲滯等。
文檔編號(hào)G05B13/02GK101339407SQ20081002169
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者季宏麗, 朱孔軍, 裘進(jìn)浩, 陳遠(yuǎn)晟 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)