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专利号: 2021103345850
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-04-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于非线性建模的电控执行器精确控制方法,其特征是按如下步骤进行:步骤1:定义电控执行器的模型包括磁滞算子模型和神经网络模型,设置所述电控执行器的模型中的磁滞参数,包括:k时刻电控执行器的第一位移变量x(k)、k时刻电控执行器的速度变量 k时刻非线性模型的第二位移变量y(k)、k时刻磁滞算子模型的磁滞输出变量s(k)、k时刻第一位移参考点x0(k)和第二位移参考点y0(k);

初始化k=1;

初始化k‑1时刻的第一位移变量x(k‑1)为固定值;初始化k‑1时刻的第二位移变量y(k‑

1)为固定值;初始化k‑1时刻的磁滞输出变量s(k‑1)为[‑1,1]中的任意数;

步骤2:将所述k‑1时刻的第一位移变量x(k‑1)赋值给第一位移参考点x0(k‑1),将所述k‑1时刻的第二位移变量y(k‑1)赋值第二位移参考点y0(k‑1);

步骤3:根据k时刻电控执行器的速度变量 判断非线性模型的工作状态:当 时,非线性模型在加载状态;

当 时,非线性模型在卸载状态;

当 时,非线性模型的工作状态保持不变;

步骤4:根据所述非线性模型的工作状态,利用式(1)和式(2)更新所述第二位移参考点y0(k)和第一位移参考点x0(k),得到更新后的k时刻第二位移参考点y0(k)和第一位移参考点x0(k):

x0(k)=x(k‑1)    (2)‑1 ‑1

式(1)中,h1 (·)和h2 (·)分别是两个形状函数h1(·)和h2(·)的形状逆函数;a为第一磁滞算子变量,且a>0;

步骤5:利用式(3)计算k时刻的非线性模型的第二位移变量y(k),使得第二位移变量y(k)在加载状态下保持为正数,在卸载状态下保持为负数:y(k)=y0(k)+x(k)‑x0(k)    (3)步骤6:利用式(4)、式(5)和式(6)分别计算形状函数h1(y(k))、h2(y(k))和第二磁滞算子变量b:

b

h1(y(k))=|y(k)|                             (4)b

h2(y(k))=‑|y(k)|                            (5)式(4)‑式(6)中,h1(·)和h2(·)为调整磁滞非线性曲线形状的形状函数,用于提高非线性曲线的拟合程度,b0为第二磁滞算子b的初始阈值,m为正系数;

步骤7:利用式(7)计算k时刻磁滞算子模型的磁滞输出s(k):步骤8:将所述k时刻磁滞算子模型的磁滞输出s(k)和非线性电控执行器的驱动功率I与神经网络模型结合,建立式(8)所示的k时刻基于磁滞算子模型和神经网络模型的电控执行器的非线性模型:

F=NN(s1,s2,···,si,···,sn,I)                  (8)式(8)中,F为电控执行器的非线性力输出,s1,s2,···,si,···,sn为磁滞算子模型的磁滞输出,si表示第i个第一磁滞算子变量ai对应的磁滞算子模型的磁滞输出,NN(·)表示神经网络函数;i=1,2,···,n;

令所述神经网络模型为3层结构,定义输入层到输出层依次称为第0层,第1层,第2层,第3层,并利用式(9)‑式(11)表示第1层神经网络结构的神经元的数学模型:u1(i)=ω1(i,1)s1+···+ω1(i,n)sn+ω1(i,n+1)I+d1(i)              (9)z1(i)=f(u1(i))              (10)式(9)‑式(11)中,ω1(i,j)表示从第0层第j个神经元到第1层的第i个神经元的权重,j=1,2,···,n+1;d1(i)是第1层的第i个神经元的偏置值,u1(i)表示第1层的第i个神经元的输入变量的加权总和,f(·)是第1层和第2层神经网络结构的神经元的激活函数,z1(i)为第1层神经网络结构的第i个神经元的输出;i=1,2,···,n+1;

利用式(12)‑式(14)表示第2层神经网络结构的神经元的数学模型:z2(i)=f(u2(i))    (13)式(12)‑式(14)中,ω2(i,j)表示从第1层第j个神经元到第2层的第i个神经元的权重,j=1,2,···,n+1;d2(i)是第2层的第i个神经元的偏置值,u2(i)表示第2层的第i个神经元的输入变量的加权总和,z2(i)为第2层神经网络结构的第i个神经元的输出;i=1,

2,···,n+1;

利用式(15)‑式(17)得到第3层神经网络结构的神经元的数学模型:z3(i)=σ(u3(i))    (16)σ(u3(i))=u3(i)    (17)式(15)‑式(17)中,ω3(i,j)表示从第2层第j个神经元到第3层的第i个神经元的权重,j=1,2,···,n+1;d3(i)是第3层的第i个神经元的偏置值,u3(i)表示第3层的第i个神经元的输入变量的加权总和,σ(·)为第3层神经网络结构的神经元的激活函数;z3(i)为第3层神经网络结构的第i个神经元的输出;i=1;

步骤9:按照步骤2‑步骤8的过程,建立式(18)所示的k时刻基于所述磁滞算子模型和神经网络逆模型的电控执行器逆模型:

Idesired=NN(s′1,,s′2,···,s′i,···,s′n,Fdesired)    (18)式(18)中,Fdesired为电控执行器所需的期望力,且期望力由控制电控执行器输出的上层控制器产生,Idesired为神经网络逆模型的期望驱动功率,s′i表示神经网络逆模型的第i个第一磁滞算子变量ai对应的磁滞算子模型的磁滞输出,i=1,2,···,n;

神经网络逆模型与神经网络模型结构相同,利用式(19)‑式(21)得到神经网络逆模型的第1层神经网络结构的神经元的数学模型:u′1(i)=ω′1(i,1)s′1+···+ω′1(i,n)s′n+ω′1(i,n+1)Fdesired+d′1(i)    (19)z′1(i)=f(u′1(i))    (20)式(19)‑式(21)中,ω′1(i,j)表示神经网络逆模型的第0层的第j个神经元到第1层的第i个神经元的权重,j=1,2,···,n+1;d′1(i)是神经网络逆模型的第1层的第i个神经元的偏置值,u′1(i)表示神经网络逆模型的第1层的第i个神经元的输入变量的加权总和,f(·)是神经网络逆模型的第1层和第2层神经网络结构的神经元的激活函数,z′1(i)为神经网络逆模型的第1层神经网络结构的第i个神经元的输出;i=1,2,···,n+1;

利用式(21)‑式(23)得到神经网络逆模型的第2层神经网络结构的神经元的数学模型:z′2(i)=f(u′2(i))    (23)式(21)‑式(23)中,ω′2(i,j)表示神经网络逆模型的第1层第j个神经元到第2层的第i个神经元的权重,j=1,2,···,n+1;d′2(i)是神经网络逆模型的第2层的第i个神经元的偏置值,u′2(i)表示神经网络逆模型的第2层的第i个神经元的输入变量的加权总和,f(·)是神经网络逆模型的第1层和第2层神经网络结构的神经元的激活函数,z′2(i)为神经网络逆模型的第2层神经网络结构的第i个神经元的输出;i=1,2,···,n+1;

利用式(25)‑式(27)得到神经网络逆模型的第3层神经网络结构的神经元的数学模型:z′3(i)=σ(u′3(i))    (26)σ(u′3(i))=u′3(i)    (27)式(25)‑式(27)中,ω′3(i,j)表示神经网络逆模型的第2层第j个神经元到第3层的第i个神经元的权重,j=1,2,···,n+1;d′3(i)是神经网络逆模型的第3层的第i个神经元的偏置值,u′3(i)表示神经网络逆模型的第3层的第i个神经元的输入变量的加权总和,σ(·)为神经网络逆模型的第3层神经网络结构的神经元的激活函数,z′3(i)为神经网络逆模型的第3层神经网络结构的第i个神经元的输出;i=1;

步骤10:将电控执行器逆模型的第一位移变量x′(k)、速度变量 作为电控执行器逆模型的输入激励,按照步骤7的过程得到k时刻第i个第一磁滞算子变量ai对应的磁滞输出s′i,i=1,2,···,n,再与期望力Fdesired一起作为神经网络逆模型的输入,从而对神经网络逆模型进行训练,得到训练好的神经网络逆模型,通过所述训练好的神经网络逆模型获得电控执行器的期望驱动功率Idesired,再将期望驱动功率Idesired作为电控执行器的输入,从而实现电控执行器输出力的精确控制。