網(wǎng)絡(luò)化線性切換系統(tǒng)有限時(shí)間控制問題研究.pdf

1、切換系統(tǒng)可以對多模態(tài)或多控制器的系統(tǒng)進(jìn)行建模，在航天、能源、通信等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景，是控制領(lǐng)域當(dāng)前一個(gè)非常重要的研究課題。該系統(tǒng)主要由有限個(gè)子系統(tǒng)和控制/描述各子系統(tǒng)之間切換規(guī)則的切換信號組成。目前，針對線性切換系統(tǒng)在復(fù)雜子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、切換信號等方面的研究，已經(jīng)取得了顯著的成果，但同時(shí)也存在很多不足和大量亟需解決的難題；此外，如何利用高科技傳輸媒介，例如網(wǎng)絡(luò)，和傳統(tǒng)切換系統(tǒng)相結(jié)合，有效地提高切換系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，也是一個(gè)十分有意義但同

2、時(shí)又具有挑戰(zhàn)性的問題。目前對于連續(xù)時(shí)間線性切換系統(tǒng)的研究，主要集中在非網(wǎng)絡(luò)傳輸背景下，而對于網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)的分析與綜合還有待進(jìn)一步拓展。另一個(gè)需要關(guān)注的問題是對于系統(tǒng)穩(wěn)定性能的分析，當(dāng)前對于切換系統(tǒng)的研究主要集中在Lyapunov漸近穩(wěn)定上，該性能定義的運(yùn)行時(shí)間是無限長，然而在實(shí)際應(yīng)用中，一些系統(tǒng)的有限時(shí)間動(dòng)態(tài)性能，例如有限時(shí)間穩(wěn)定性能更為重要。綜上所述，研究一類基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木€性切換系統(tǒng)的有限時(shí)間性能分析與綜合，是一個(gè)十分有實(shí)踐意義的

3、課題。
　　本論文在已有連續(xù)時(shí)間線性切換系統(tǒng)研究成果基礎(chǔ)上，對部分結(jié)果進(jìn)行拓展和改進(jìn)，同時(shí)將其應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，對其在有限時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)性能進(jìn)行分析與控制器設(shè)計(jì)。提出了基于控制器模態(tài)依賴的Lyapunov函數(shù)構(gòu)造方法，有效地解決了當(dāng)前異步切換控制問題基于線性矩陣不等式求解時(shí)的復(fù)雜性難題，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)的分析，提供了一種有效的技術(shù)方案；此外，從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源的角度，提出了一類基于事件觸發(fā)傳輸機(jī)制的控制器設(shè)計(jì)方案。這些成果可以

4、有效地解決具有復(fù)雜子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)（例如不可控子系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)通信受限等問題。改進(jìn)異步切換模態(tài)依賴控制器和網(wǎng)絡(luò)化跟蹤模態(tài)依賴控制器設(shè)計(jì)技術(shù)分別在多檔位位置伺服切換系統(tǒng)以及衛(wèi)星跟蹤控制系統(tǒng)中得到了有效的驗(yàn)證，為工程實(shí)踐提供了有效的理論框架和技術(shù)參考。論文的主要內(nèi)容和研究成果如下：
　　對已有非網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下線性切換系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和概述，同時(shí)對部分結(jié)果進(jìn)行了拓展和改進(jìn)。從切換信號的研究角度，分別對當(dāng)前四種主要切換方式：任意切換、駐留時(shí)間

5、切換、平均駐留時(shí)間切換以及模態(tài)依賴平均駐留時(shí)間切換，在有限時(shí)間框架內(nèi)進(jìn)行了性能分析和控制器設(shè)計(jì)，同時(shí)對一類最新提出的基于持續(xù)駐留時(shí)間切換的系統(tǒng)的有限時(shí)間控制問題進(jìn)行了研究；從復(fù)雜子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究角度，對一類具有不穩(wěn)定子系統(tǒng)的有限時(shí)間控制問題進(jìn)行了研究，該成果可以有效地解決一類具有不可控子系統(tǒng)的系統(tǒng)性能分析與控制器設(shè)計(jì)問題；從切換系統(tǒng)綜合角度，對當(dāng)前存在異步切換控制的系統(tǒng)綜合問題進(jìn)行了研究，提出了一種基于控制器模態(tài)依賴切換的Lyapunov

6、函數(shù)構(gòu)造方法，該方法可以有效地降低當(dāng)前異步切換控制基于線性矩陣不等式求解復(fù)雜的問題，同時(shí)為下一步基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那袚Q系統(tǒng)的研究提供一種可行的解決方案。上述三個(gè)方面的研究結(jié)果不僅有效地補(bǔ)充了當(dāng)前非網(wǎng)絡(luò)線性切換系統(tǒng)成果體系，也為后面章節(jié)基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木€性切換系統(tǒng)的研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　對具有丟包和傳輸時(shí)滯的網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)的有限時(shí)間控制問題進(jìn)行了研究，分別針對三種控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)：基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臓顟B(tài)反饋控制器、基于網(wǎng)絡(luò)傳輸觀測器的狀態(tài)

7、反饋控制器、基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)妮敵龈櫩刂破?。利用輸?時(shí)滯技術(shù)，將具有丟包和傳輸時(shí)滯的網(wǎng)絡(luò)傳輸轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)時(shí)變時(shí)滯，同時(shí)針對系統(tǒng)切換模態(tài)只能在采樣點(diǎn)進(jìn)行檢測和網(wǎng)絡(luò)受限傳輸問題，將其增廣為具有異步切換控制器的線性切換時(shí)滯系統(tǒng)。利用前面研究中提出的改進(jìn)異步切換處理技術(shù)，對增廣的線性切換時(shí)滯系統(tǒng)模型進(jìn)行處理，得到基于線性矩陣不等式的可行性條件和基于平均駐留時(shí)間的切換信號。上述三種控制器設(shè)計(jì)問題，基本涵蓋了線性切換系統(tǒng)主要的控制途徑，有效地解決了切

8、換系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，各自存在的問題和耦合產(chǎn)生的問題，從而為基于網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)那袚Q系統(tǒng)控制問題研究以及相關(guān)的濾波與狀態(tài)估計(jì)等其他問題研究提供了一種可行的技術(shù)方案。
　　在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的數(shù)據(jù)傳輸方案：事件觸發(fā)傳輸機(jī)制，并分別針對狀態(tài)事件觸發(fā)和混雜事件觸發(fā)兩種方案進(jìn)行了研究和分析。傳統(tǒng)的非事件觸發(fā)傳輸方案，是對所有的采樣數(shù)據(jù)都進(jìn)行傳輸，這樣勢必會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，甚至產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)堵塞。而基于事件觸發(fā)傳輸機(jī)制不需

9、要對所有采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而是對每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，只有符合條件的數(shù)據(jù)才會(huì)被傳輸。首先對于切換信號已知或可實(shí)時(shí)檢測的切換系統(tǒng)，提出了狀態(tài)事件觸發(fā)傳輸方案，即在定周期采樣機(jī)制下，對每一個(gè)采樣的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)其滿足預(yù)先設(shè)定的事件觸發(fā)機(jī)制時(shí)，就進(jìn)行傳輸，否則該數(shù)據(jù)將被丟棄。其次，對切換信號未知且系統(tǒng)模態(tài)需要在采樣點(diǎn)進(jìn)行檢測的情況，提出了基于混雜事件觸發(fā)傳輸機(jī)制，即系統(tǒng)狀態(tài)或系統(tǒng)模態(tài)在采樣時(shí)刻任一條件滿足，包含系統(tǒng)模態(tài)和狀態(tài)信息的

10、數(shù)據(jù)都將被傳輸。狀態(tài)事件觸發(fā)和混雜事件觸發(fā)本質(zhì)是對可能存在異步切換控制的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該方案的提出充分利用了系統(tǒng)狀態(tài)的及其變化速率信息，可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境。
　　對一類具有不可控子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化線性切換系統(tǒng)的控制器問題進(jìn)行了研究。不僅考慮了上一章所提出的基于混雜事件觸發(fā)傳輸方案，同時(shí)考慮了采樣周期的非一致性問題。提出了一種基于不可控子系統(tǒng)和可控子系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間比例受約束的切換規(guī)則，同時(shí)結(jié)合平均駐留時(shí)間的切

11、換方式，確保了具有復(fù)雜子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)以及復(fù)雜采樣和傳輸方案的切換系統(tǒng)的有限時(shí)間性能。同時(shí)將結(jié)果拓展到了一類具有凸多面體不確定性的切換系統(tǒng)中，得到了參數(shù)依賴的可行性條件和基于不可控子系統(tǒng)和可控子系統(tǒng)總得運(yùn)行時(shí)間比例約束尺度的平均駐留時(shí)間切換信號。該問題是對前面研究內(nèi)容中：含不穩(wěn)定子系統(tǒng)有限時(shí)間控制器設(shè)計(jì)、改進(jìn)的異步切換控制器設(shè)計(jì)以及基于事件觸發(fā)傳輸機(jī)制的技術(shù)綜合和拓展，為研究具有其他復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)以及其他復(fù)雜傳輸環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)有限時(shí)間系統(tǒng)