摘要
针对一类离散的非线性分布参数系统,提出了一种批次长度随机变化的迭代学习控制问题。该类系统由抛物型偏微分方程构成。该方法采用伯努利型随机变量来描述迭代长度随机变化的情况,并根据分布参数系统的性质以及P型分布更新控制算法设计了迭代学习控制器。基于压缩映射原理,给出了系统输出误差收敛的充分必要条件并加以证明。结果表明,所提出的控制方法在λ范数意义下跟踪误差是收敛,且相对经典迭代学习算法,所提控制算法的收敛速度更快。最后,通过数值仿真验证了所提算法的有效性。
迭代学习控制(Iterative learning control, ILC)是一种适用于在有限时间内重复完成给定任务的智能控制策
现有的大部分ILC文献研究的批次长度固定不变,使得ILC在实际工程应用受到一定的条件限制,阻碍了ILC的发展与应用。而在实际应用中,批次长度可能是随机变化的,这就意味着学习的过程可能提前结束或者推迟。例如人形机器人的步态问
本文针对一类离散的非线性抛物型分布参数系统,根据该系统的性质和边值条件设计了P型迭代学习控制器,给出了输出误差的收敛充分条件,证明所提控制方法在范数意义下跟踪误差的收敛性,并通过仿真验证了算法的有效性。
本文主要研究类离散的非线性抛物型分布参数系统批次长度随机变化的迭代学习控制问题。考虑如下的非线性分布参数系统
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式中:n和t分别为空间和时间的离散变量,1≤n≤N,0≤t≤T,N和T是给定的整数;k=0、1、2…表示迭代次数;A、C和D为已知系统参数;、、分别表示系统(1)的系统状态、系统输入和系统输出。,均为非线性函数,且满足一致全局Lipschitz条件
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式中为大于零的利普希茨常数。
系统(1)中差分形式如下
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设系统(1)的初值条件和边界条件分别为
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式中为一有界函数。
假设1 对于系统(1),任意的期望输出轨迹,存在唯一的系统输入使得
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假设2 满足相同的初始条件,即。在实际应用中,初始状态的每次迭代可能不会被精确地重置,但偏差在小范围内变化。
本文主要研究迭代学习控制中批次长度随机变化的问题,因此必须考虑期望批次长度与实际批次长度之间的关系。当时,输出信号不包含上的信息,这意味着系统输出信号不完整。当时,系统可以输出整个批次长度信号,但是之后的信号对于学习而言是冗余和无用的,所以在本文中视为。
设计系统(1)的ILC方案的难点在于系统的实际批次长度可能与期望的批次长度不同,即批次长度随机变化。在批次长度随机变化的情况下,为了描述系统误差在每一时刻发生的概率,本文考虑用随机批次长度发生的概率来定义系统误差。
定义1 随机变量的概率事件分布为
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式中:为系统(1)最小迭代长度,为最大迭代长度。
此外,当{+1,…,}时,随机变量服从伯努利分布,用于表示第k次迭代输出信息的有无。若=1,表示系统输出在t时刻可测且输出在{0,1,…,}之间有效。表示系统误差信息在t时刻可测量的概率。若=0,则表示无法获取t时刻系统输出误差的有用信息。此种情况发生概率为。结合定义1可得
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定义2 第k次学习后输出误差定义为
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由于服从伯努利分布,则
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式中。
对系统(1),采用P型迭代学习控制算法
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式中:,,L为学习增益。
为了便于后续的收敛性分析,本文给出了以下的引理。
引理1 [
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那么有
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定理1 考虑离散非线性抛物性分布参数系统(1)和ILC控制律(11)。如果假设条件1和2成立,且学习增益满足
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那么。
证明 设,。
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对
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同理可得
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将
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对
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式中
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运用边界条件(4)和均值不等式可得
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记:,,则
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对
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由控制律(10)可得
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再将
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在
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式中λ为正数。将
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式中, 。
当λ取值充分小时,可使得。再根据压缩映射原理,可以得到
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综上所述定理1得证。
考虑如下非线性抛物型分布参数系统
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考虑区域,N=10,60,取初值和边值为,。设期望输出
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此外,设期望批次长度=60,最小批次长度=55,最大批次长度=65,实际批次长度,满足离散均匀分布。学习增益L=0.7,则理论1条件满足。

图1 期望输出
Fig.1 Desired output

图2 误差曲面(k=3)
Fig.2 Error surface (k=3)

图3 误差曲面(k=10)
Fig.3 Error surface (k=10)

图4 误差曲面(k=12)
Fig.4 Error surface (k=12)

图5 误差曲线
Fig.5 Error curves

图6 迭代15次系统输出
Fig.6 The fifteenth iterative output

图7 迭代误差最大变化曲线
Fig.7 Curves of iterative number-max tracking error
本文将批次长度随机变化的ILC算法应用于离散的非线性抛物型分布参数系统的控制,扩宽了ILC算法在非线性分布参数系统上的应用,对分布参数系统迭代学习控制具有重要的理论和实际意义。此外,本文实现对期望输出的渐进跟踪,并通过严格的分析证明系统的跟踪误差在范数意义下的收敛。与传统迭代算法相比,变批次迭代算法收敛速度更快。未来将进一步考虑改进算法,以提高迭代学习控制在非线性分布参数系统中的可实施性。
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