具有冗余通道的網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)濾波問題研究.pdf

1、切換系統(tǒng)可以建模模態(tài)切換現(xiàn)象以及切換控制方法，目前已經(jīng)成為系統(tǒng)與控制領(lǐng)域研究的熱點之一。根據(jù)切換信號類型，可以將切換分為隨機性切換與一般性切換。盡管國內(nèi)外學(xué)者已在關(guān)于這兩類典型的切換系統(tǒng)的分析與綜合上取得了許多重要的研究成果，然而研究中仍然存在大量的問題亟待發(fā)現(xiàn)、提出和解決，一些關(guān)鍵的研究方法尚需完善和改進。同時，隨著生產(chǎn)實際對控制系統(tǒng)的性能要求越來越高，控制對象的動態(tài)機理越來越復(fù)雜，考慮簡單子系統(tǒng)動態(tài)的切換系統(tǒng)往往不能很好地反映許多真

2、實的系統(tǒng)動態(tài)過程，所獲理論結(jié)果也很難應(yīng)用于考慮數(shù)據(jù)丟包、時變時滯、數(shù)據(jù)量化、乘性噪聲等復(fù)雜動態(tài)的實際系統(tǒng)。因此，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，進一步深入、系統(tǒng)地開展隨機性與一般性切換系統(tǒng)的建模、分析和綜合工作，以及含有復(fù)雜子系統(tǒng)動態(tài)的切換系統(tǒng)的研究，定量或定性地分析這些子系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜動態(tài)與系統(tǒng)動態(tài)特性之間的關(guān)系是解決上述問題的必由之路。
　　本論文旨在基于國內(nèi)外現(xiàn)有的研究工作基礎(chǔ)上，進一步深入地研究網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)的濾波問題，提出了一些新的研究模型、

3、新的研究問題以及新的研究方法。本論文給出了一些新的概念，如異步濾波器、時變Lyapunov函數(shù)、非權(quán)值性能指標(biāo)等，去除了一些不符合工程實際的理想假設(shè)，降低了開發(fā)的研究結(jié)果的保守性，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，考慮系統(tǒng)中含有隨機丟包、時變時滯、量化以及乘性噪聲等復(fù)雜動態(tài)情況下，解決了離散時間Markov跳躍系統(tǒng)的廣義H2異步濾波以及非脆弱H∞濾波問題。進一步地，為了降低傳輸數(shù)據(jù)的丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，提出了一些新的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計方法，如含單

4、冗余通道的網(wǎng)絡(luò)、含多冗余通道的網(wǎng)絡(luò)、以及具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)等，分別解決了基于離散時間非線性Markov跳躍系統(tǒng)的分布式濾波問題、基于離散模態(tài)依賴持續(xù)駐留時間(Modal persistent dwell time,MPDT)受限切換系統(tǒng)的廣義H2濾波問題以及網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的非脆弱H∞濾波問題。另外，獲得的部分理論研究結(jié)果成功應(yīng)用于一類基于云的汽車懸架系統(tǒng)中，證明了所提出的新方法的優(yōu)勢，同時也為工程實踐提供了必要的理論參考與依據(jù)。

5、　　第2-3章在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有的研究結(jié)果以及當(dāng)前研究課題存在的不足基礎(chǔ)上，在無冗余通道的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，考慮系統(tǒng)與濾波器之間模態(tài)跳變存在不匹配情況下，研究了離散時間Markov跳躍系統(tǒng)的廣義H2與非脆弱H∞異步濾波問題。在隨機性切換系統(tǒng)領(lǐng)域，已有的模態(tài)依賴與模態(tài)獨立濾波器都不能很好地體現(xiàn)濾波器不能完全檢測出系統(tǒng)模態(tài)變化的情況，也就是說，在檢測系統(tǒng)模態(tài)的跳變存在延遲的情況下，系統(tǒng)模態(tài)的跳變與濾波器模態(tài)的跳變之間會出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，因此，所設(shè)計的

6、異步濾波器可以彌補上述兩類濾波器的不足，進一步豐富Markov跳躍系統(tǒng)濾波問題的研究結(jié)果。首先，假設(shè)系統(tǒng)中存在隨機發(fā)生的非線性以及時變時滯等復(fù)雜動態(tài)，研究了相應(yīng)的離散時間Markov跳躍系統(tǒng)的廣義H2異步濾波問題，用一個滿足Bernoulli分布的隨機序列來描述隨機發(fā)生的非線性現(xiàn)象，獲得的結(jié)果揭示了一個描述異步跳變程度大小與系統(tǒng)性能優(yōu)劣之間單調(diào)性變化的規(guī)律。然后，考慮系統(tǒng)中存在乘性噪聲、量化以及隨機丟包等復(fù)雜動態(tài)時，研究了相應(yīng)的離散時間

7、Markov跳躍系統(tǒng)的非脆弱H∞異步濾波問題，分別用兩個相互獨立的滿足Bernoulli分布的隨機序列來描述隨機發(fā)生的量化以及丟包現(xiàn)象，分析了加性增益擾動變化、乘性噪聲的大小、以及發(fā)生丟包的概率大小與系統(tǒng)性能好壞之間的定量關(guān)系，也進一步驗證了異步跳變程度大小與系統(tǒng)性能好壞之間的單調(diào)性變化規(guī)律。本章提出的異步濾波器設(shè)計方法為接下來要研究的帶有冗余通道的Markov跳躍系統(tǒng)的分布式濾波問題提供了理論基礎(chǔ)，并為進一步深入研究分層混雜系統(tǒng)分析與

8、綜合問題指明了方向。
　　第4章研究了在隨機性切換系統(tǒng)領(lǐng)域中一類重要的濾波問題，即在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了進一步改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕粋€單冗余通道被引入到測量輸出模型中，研究了一類離散時間非線性Markov跳躍系統(tǒng)的分布式濾波問題。為了更準(zhǔn)確地刻畫出傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的變化，采用了隨機切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用一類包含系統(tǒng)非線性信息的Lyapunov函數(shù)，使得推導(dǎo)出的結(jié)果具有更低的保守性。獲得的結(jié)果驗證了單冗余通道的引入可以達到更滿意的平

9、均H∞濾波性能。這一部分的研究內(nèi)容為考慮各種復(fù)雜子系統(tǒng)動態(tài)情形下Markov跳躍系統(tǒng)的異步濾波問題奠定了理論基礎(chǔ)，也為接下來進一步深入研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下帶多冗余通道的MPDT離散切換系統(tǒng)濾波問題提供了理論借鑒。
　　第5章研究了在含有多冗余通道的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，離散MPDT受限切換系統(tǒng)的廣義H2濾波問題。相比于駐留時間以及平均駐留時間切換信號，持續(xù)駐留時間切換信號可以描述同時包含快切換與慢切換特征的切換系統(tǒng)，因而更具有一般性。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下

10、，為了減小數(shù)據(jù)丟包的可能性，提出了多冗余通道設(shè)計思想，分別利用滿足Bernoulli分布與多項分布的隨機序列建模發(fā)生在主通道與某一個冗余通道上的隨機丟包現(xiàn)象，研究了多冗余通道網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下離散MPDT受限切換系統(tǒng)的非權(quán)值廣義H2濾波問題，相比于權(quán)值性能指標(biāo)，非權(quán)值形式具有更強的擾動抑制性能。在一類離散MPDT切換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上，分別驗證了模態(tài)依賴特性以及多冗余通道設(shè)計思想的好處。這部分研究為持續(xù)駐留時間切換條件下，一般性切換系統(tǒng)的分析與綜合奠定

11、了理論基礎(chǔ)，所提出的多冗余通道的設(shè)計思想為接下來要研究的具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的濾波問題提供了理論指導(dǎo)。
　　第6章給出了切換系統(tǒng)在建模切換控制方法上的典型應(yīng)用，研究了一類具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的非脆弱H∞濾波問題。在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)傳輸通道不是唯一的，并且傳輸通道的數(shù)目不是固定不變的情況是經(jīng)常可見的。為了更真實地反映數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)奶攸c，具有可變數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道被引入到測量輸出模型中，其中通道數(shù)目的變化受M

12、PDT切換信號的調(diào)節(jié)。利用偽時間依賴的Lyapunov函數(shù)方法，推導(dǎo)出的條件保證了濾波器的存在并具有更低的保守性。最后，在一類基于云的汽車懸架系統(tǒng)上驗證了所提出的具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計方法的優(yōu)點，并分析了加性增益擾動變化與系統(tǒng)性能優(yōu)劣之間的定量關(guān)系。這部分研究內(nèi)容是本論文提出的具有可變網(wǎng)絡(luò)通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的H∞濾波在工程應(yīng)用上的探索性嘗試，既拓寬了網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通訊能力變化情形下濾波問題的解決思路，又為工程實踐提供了新的