基于神经网络的一类MIMO非线性系统的自适应控制
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摘要
本文沿着理论研究与工程实际相结合、创新与实用相结合的思路,根据自适应神经网络控制理论的现状、存在的问题以及工程实际应用的基本要求,对未知非线性多输入多输出系统的控制理论进行了深入的研究,建立了系统化的整体设计框架,为解决某些传统方法难以解决的工程实际问题提供了新思路。
     本论文主要研究了一类未知多输入多输出非线性系统的自适应控制问题,提出了两种在线自适应控制器。第一种是基于GP-RBF算法的自适应RBF神经网络控制器(A-RBFNNC)。采用所提出的神经元灵敏度概念,并结合超球体聚类的方法,建立了一种新颖的增加和删除规则,在线确定RBF神经网络的结构和参数。当误差满足一定要求时,该控制器转入按照基于Lyapunov稳定性理论的自适应律进行网络权值的进一步调整,保证了控制器的全局稳定性和收敛性。
     第二种是基于一种混合遗传算法,针对非线性系统设计了一种自适应RBF神经网络控制器。文中将改进的标准遗传算法与梯度算法相结合,设计了一种混合遗传算法。所设计的控制器首先利用混合遗传算法在线确定RBF神经网络的结构和初始参数,然后按照基于Lyapunov稳定性理论的自适应律进行神经网络权值的进一步调整,保证了闭环系统的全局稳定性和收敛性。
     所设计的两种控制器都不需要先验知识就可以在线确定神经网络的初始结构,不仅无需辨识被控对象的模型就可进行神经网络控制器的在线设计,而且神经网络控制器的学习过程和系统的控制过程同时进行,不需要特定的教师信号,避免了离线训练通常存在训练数据不足的问题;基于Lyapunov稳定性理论设计的自适应律,保证了控制器的全局稳定性和收敛性。
     两关节机械手的仿真实验和锅炉内胆与夹套水温的控制实验证明了所给方法的有效性,不仅实现了神经网络的结构和参数的在线自适应,还保证了闭环系统的全局稳定,鲁棒性好。
Considering the principles of combining theoretical study with engineering application and innovation with practicality, based on the state of the research of adaptive neural control theory, the existing main problems and the practical requirements of engineering applications, this dissertation deeply investigates the control theory for unknown nonlinear multi-input and multi-output systems, succeeds in constructing a systematic design structure, and provides new effective approaches.
     In this thesis, the problem of adaptive control for unknown affine MIMO nonlinear system is studied and proposes two adaptive controllers. The first one is adaptive RBF neural network controller based on Growing and Pruning algorithm for RBF (GP-RBF). The structure and parameters of RBF neural network are determined online with the algorithm of growing and pruning which is obtained through combining a proposed neural sensitivity concept with hyper-sphere clustering. When the error condition is satisfied, the weights of controller are further adjusted and obtained by the adaptive law based on Lyapunov theory, which guarantees the global stability and convergence of controller. Simulation results show that the fast tracking ability, perfect stability and convergence of the controller.
     The second controller is adaptive RBF neural network controller based on hybrid genetic algorithm (HGA-RBFNNC). The structure and parameters of RBF neural network are determined online by hybrid genetic algorithm which is the combination of the improved genetic algorithm with and the steepest decent algorithm. Then the weights of controller are further adjusted and obtained by the adaptive law based on Lyapunov theory, which guarantees the global stability and convergence of the system. Simulation results show that the fast tracking ability, perfect stability and convergence of the controller.
     The two controllers needn’t experiences to define the structure and parameters of neural network. Not only online design the neural network don’t need recognize the model of the plant but also the study of controller and the control of the system are simultaneous and the teacher signal is not needed, which avoids the shortage of the training data in the offline study. They all use the adaptive law based on Lyapunov theory, which guarantees the global stability and convergence of the system.
     The simulations of two-link robot manipulator and the experiment on the boiler temperature show that the proposed methods are effective, which realizes the adaptive tuning of the structure and parameters of RBF neural network and ensures the global stability and convergence of the system.
引文
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