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线性切换系统的若干问题研究

作　者: 丁大伟
导　师: 杨光红
学　校: 东北大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 线性切换系统静态输出反馈 H2滤波有限频滤波器故障检测多Lyapunov函数切换Lyapunov函数平均驻留时间加权l2增益有限频l2增益线性矩阵不等式
分类号: TP13
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

作为一类重要的混杂系统,线性切换系统由多个线性子系统和一条切换规则组成,该规则也称切换信号或切换律,它决定了子系统间如何切换。线性切换系统具有重要的理论意义和广泛的工程背景,因而受到了人们的重视。近年来,线性切换系统研究领域产生了很多重要的成果。然而,由于切换系统本身的复杂性,这一理论尚未完善,仍有很多问题亟待解决。本文在总结前人工作的基础上,主要研究了线性切换系统的静态输出反馈、鲁棒H2控制和滤波、有限频滤波器设计以及故障检测等几类问题。目前,关于受限切换下线性切换系统的静态输出反馈的研究还比较少,针对这一情况,本文结合Finsler引理和平均驻留时间技术,给出了这类切换系统的静态输出反馈控制器设计方法,新方法通过引入两组松弛变量减少了设计的保守性。对于任意切换下线性切换系统的静态输出反馈,已有的方法只适用于几类具有特殊结构的线性切换系统,本文借助于Finsler引理和切换Lyapunov函数,给出了新的静态输出反馈设计条件,该条件可用于已有方法失效时,是已有方法的补充。参数依赖Lyapunov函数已用于解决离散不确定线性切换系统的鲁棒控制问题,而对连续不确定切换系统则不然,其原因是很难利用已有方法实现系统矩阵和Lyapunov变量的解耦,本文通过使用Schur补克服了这一困难,从而给出了连续不确定线性切换系统的鲁棒H2控制器和滤波器的设计方法。已有的线性切换系统滤波器设计都是在全频范围内进行的,当外部扰动的频率范围已知时,全频方法可能引入保守性。针对这种情况,本文首次提出了有限频l2增益概念处理线性切换系统的有限频问题,给出了离散不确定线性切换系统的有限频滤波器设计方法,该方法在已知扰动频率范围时,可以取得比全频方法更好的性能。目前,关于切换系统故障检测的研究还比较少,本文在最后部分给出了两类线性切换系统的故障检测方法。针对任意切换和受限切换两种情况,分别给出了故障检测滤波器设计方法以及阈值设计条件。具体工作如下：第1章系统地分析和总结了切换系统研究领域的发展状况和研究方法,并给出了与本文有关的一些预备知识。第2章研究了离散线性切换系统的静态输出反馈控制问题。分为两个部分,第一部分研究了受限切换下离散线性切换系统的静态输出反馈问题。利用多Lyapunov函数和平均驻留时间技术,首先给出了保证闭环切换系统指数稳定且具有指定加权l2增益的充分条件。根据此条件,结合Finsler引理,给出了新的静态输出反馈控制器设计条件。对于给定的系统衰减度,最小平均驻留时间以及相应的控制器增益可以通过所给的条件求得。该方法通过引入两组松弛变量减少了设计保守性。本章第二部分研究了任意切换下离散线性切换系统的静态输出反馈问题。基于切换Lyapunov函数和Finsler引理,给出了新的静态输出反馈控制器综合条件,该条件在已有方法失效时仍可用。最后,仿真算例说明了所提出方法的有效性。第3章研究了具有多胞不确定性的连续线性切换系统的鲁棒H2控制及滤波问题。本章分为两部分,第一部分研究了鲁棒H2状态反馈控制器设计问题。利用参数依赖的多Lyapunov函数和平均驻留时间技术,首先得到了切换系统指数稳定且满足H2性能要求的充分条件。之后,通过运用Schur补技术,实现了系统矩阵与Lyapunov变量的解耦,从而得到了鲁棒H2控制器设计的线性矩阵不等式条件。为了方便比较,同时给出了基于参数无关Lyapunov函数的控制器设计方法。第二部分研究了鲁棒H2滤波器设计问题。所用的技术手段与第一部分类似,得到了鲁棒H2滤波器设计的线性矩阵不等式条件。仿真算例进一步验证了所提出方法的有效性。第4章研究了离散不确定线性切换系统的有限频滤波器设计问题。为了处理线性切换系统的有限频问题,首次提出了有限频l2增益的概念,并给出了离散线性切换系统具有有限频l2增益的充分条件,基于此条件,分别给出了低频、中频以及高频滤波器的设计条件。当外部扰动的频率范围已知时,所设计的有限频滤波器可以取得比全频更好的性能。最后,给出仿真算例验证所提出方法的有效性。第5章研究了线性切换系统的故障检测问题。分为两个部分,第一部分研究了任意切换下离散线性切换系统的故障检测问题。基于切换Lyapunov函数和Finsler引理,首先得到了滤波误差系统稳定且具有指定H∞性能指标的线性矩阵不等式条件,然后根据此条件设计出了故障检测滤波器,最后给出了阈值的设计条件。本章第二部分研究了受限切换下连续线性切换系统的故障检测问题。结合多Lyapunov函数和平均驻留时间技术,首先得到了滤波误差系统指数稳定且具有指定H∞性能指标的充分条件。之后,给出了故障估计滤波器的设计方法,故障可根据滤波器的输出估计出来。仿真算例验证了本章所提出方法的有效性。第6章总结了本文的主要工作,并展望了下一步的研究工作。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-14
第一章绪论  14-26
  1.1 切换系统概念  14-15
  1.2 切换系统的研究背景  15-19
    1.2.1 理论价值  15-16
    1.2.2 工程应用  16-19
  1.3 切换系统的研究进展  19-21
    1.3.1 稳定性  19-20
    1.3.2 能控能观性  20
    1.3.3 系统镇定  20
    1.3.4 优化控制  20-21
  1.4 预备知识  21-22
    1.4.1 一些引理  21-22
    1.4.2 符号说明  22
  1.5 本文的主要工作  22-26
第二章离散线性切换系统的静态输出反馈控制器设计  26-54
  2.1 引言  26
  2.2 受限切换情况  26-40
    2.2.1 问题描述  27-28
    2.2.2 H_∞控制器设计  28-38
    2.2.3 仿真算例  38-40
  2.3 任意切换情况  40-51
    2.3.1 问题描述  41-42
    2.3.2 镇定控制器设计  42-45
    2.3.3 H_∞控制器设计  45-49
    2.3.4 仿真算例  49-51
  2.4 结论  51-54
第三章连续不确定线性切换系统的鲁棒H_2控制器及滤波器设计  54-76
  3.1 引言  54
  3.2 鲁棒H_2控制器设计  54-65
    3.2.1 问题描述  54-56
    3.2.2 参数依赖Lyapunov函数方法  56-61
    3.2.3 参数无关Lyapunov函数方法  61-62
    3.2.4 仿真算例  62-65
  3.3 鲁棒H_2滤波器设计  65-73
    3.3.1 问题描述  65-66
    3.3.2 鲁棒H_2滤波器设计策略  66-72
    3.3.3 仿真算例  72-73
  3.4 结论  73-76
第四章离散不确定线性切换系统的有限频滤波器设计  76-92
  4.1 引言  76
  4.2 问题描述  76-78
  4.3 有限频滤波器设计  78-89
    4.3.1 低频滤波器设计策略  80-86
    4.3.2 中频滤波器设计策略  86-87
    4.3.3 高频滤波器设计策略  87-89
  4.4 仿真算例  89-90
  4.5 结论  90-92
第五章线性切换系统的故障检测  92-112
  5.1 引言  92
  5.2 离散线性切换系统的故障检测  92-101
    5.2.1 问题描述  92-94
    5.2.2 故障检滤波器设计策略  94-98
    5.2.3 阈值设计  98-99
    5.2.4 仿真算例  99-101
  5.3 连续线性切换系统的故障检测  101-110
    5.3.1 问题描述  102-103
    5.3.2 故障检测滤波器设计策略  103-108
    5.3.3 阈值设计  108-109
    5.3.4 仿真算例  109-110
  5.4 结论  110-112
第六章结论与展望  112-114
参考文献  114-132
致谢  132-134
攻读博士学位期间所做的主要工作  134-135

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