網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不確定時滯系統(tǒng)魯棒濾波問題的研究.pdf

1、自從20世紀(jì)60年代，學(xué)者們創(chuàng)立了濾波理論以及濾波器設(shè)計方法以來，濾波問題便一直作為自動控制與信號處理領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題，得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。濾波理論通過構(gòu)造合適的濾波器使得許多難于實(shí)現(xiàn)的控制方法在諸多工程領(lǐng)域中獲得了成功的應(yīng)用，如飛行器的自主導(dǎo)航、雷達(dá)跟蹤、火控系統(tǒng)控制以及經(jīng)濟(jì)金融分析等。極大的推動了控制科學(xué)與工程的進(jìn)一步發(fā)展。而伴隨著現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域?qū)刂葡到y(tǒng)的成本、可靠性、可維護(hù)性的要求越來越高，以及近幾十年來網(wǎng)絡(luò)化通訊理論技術(shù)

2、發(fā)展的日趨成熟，越來越多的控制系統(tǒng)均開始采用網(wǎng)絡(luò)化通訊技術(shù)，并且取得了優(yōu)良的控制效果。但與此同時，由于在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境中，系統(tǒng)通訊能力受到信號通道帶寬等諸多條件的限制，使得在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了許多新特性，如信號的量化誤差、數(shù)據(jù)傳出延遲、數(shù)據(jù)隨機(jī)丟包等。通過分析這些特性的產(chǎn)生原因，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，這些隨機(jī)現(xiàn)象均是由于在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境中，測量或者傳遞的信號所含部分信息丟失所致。正是這種部分信息丟失最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能的急劇下降甚至崩潰。因此，網(wǎng)

3、絡(luò)化技術(shù)的出現(xiàn)不但為濾波理論的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，同時也伴隨著巨大的挑戰(zhàn)。發(fā)展一種適用于網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，可以更加充分利用隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計特性的新型魯棒濾波方法，成為了一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的研究方向。
　　本文的主旨是針對在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，時滯系統(tǒng)可能出現(xiàn)的信號量化誤差、傳輸延遲、數(shù)據(jù)丟包等具有隨機(jī)發(fā)生規(guī)律的網(wǎng)絡(luò)化特性，并基于帶有此類特性的實(shí)際工程中常見的系統(tǒng)模型，如線性系統(tǒng)、Markov跳躍系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)等，結(jié)合魯棒濾波器設(shè)計問題提出一些新的研

4、究問題以及新的研究方法。經(jīng)過對上述各種隨機(jī)特性具有統(tǒng)計意義上的建模后，本文將小增益定理進(jìn)行擴(kuò)展，并得到適用于一般隨機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出方法，在此基礎(chǔ)上探討各類隨機(jī)時滯系統(tǒng)的濾波器設(shè)計以及故障診斷問題。本文研究了幾類常見且具有代表性的時變系統(tǒng)的H∞濾波問題，并且將所得結(jié)論應(yīng)用于基于網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境的，通信受限情況下線性離散系統(tǒng)的故障診斷的研究中，最后結(jié)合連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的故障診斷濾波器設(shè)計問題，取得了滿意的效果。
　　在總結(jié)了相關(guān)理論及應(yīng)用

5、背景和現(xiàn)有主要研究成果的局限性的基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究了帶有時變時滯的線性離散系統(tǒng)的魯棒濾波器設(shè)計問題。通過引入同時考慮時變時滯上確界以及下確界的兩項(xiàng)時滯近似估計方法，將原濾波誤差系統(tǒng)變換為由兩個子系統(tǒng)構(gòu)成的內(nèi)聯(lián)系統(tǒng)，使得其滿足小增益定理的使用環(huán)境以及條件。并且詳細(xì)分析了這種基于模型變換的輸入輸出方法可能給最終結(jié)果帶來保守性的原因，而且重點(diǎn)闡述了如何盡可能的減少這種保守性的方法。通過分別分析兩個子系統(tǒng)的比例小增益，即H∞范數(shù)，給出了濾波誤

6、差系統(tǒng)漸近穩(wěn)定且滿足給定的H∞性能的充分條件。解決了一類帶有時變時滯的線性離散系統(tǒng)的魯棒濾波器設(shè)計問題。并且從理論上闡述了這種輸入輸出方法和直接使用Lyapunov穩(wěn)定性理論對系統(tǒng)進(jìn)行分析的區(qū)別以及內(nèi)在聯(lián)系。通過仿真算例將所得結(jié)果同其他主要方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比，在保證算法有效性以及實(shí)用性的基礎(chǔ)上，證實(shí)了所提出的結(jié)論具有更低的保守性，并且通過理論分析，詳盡闡述其理論依據(jù)。為通信受限情況下更為復(fù)雜的隨機(jī)非線性系統(tǒng)的魯棒濾波問題的研究提供了

7、理論基礎(chǔ)，并且在許多網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用前景。
　　由于Markov跳躍系統(tǒng)在控制以及信號處理領(lǐng)域中的重要性，許多學(xué)者們一直將其作為研究的重點(diǎn)。以此為研究背景，本文考慮在帶有時變時滯的情況下，其魯棒濾波器設(shè)計問題。由于小增益定理無法直接應(yīng)用于隨機(jī)系統(tǒng)中，在結(jié)合隨機(jī)穩(wěn)定性以及均方意義下的輸入輸出穩(wěn)定性定義的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了如何將小增益定理擴(kuò)展至一般的隨機(jī)系統(tǒng)。并且以此為研究框架，結(jié)合保守性較低的模型變換方法，進(jìn)一步分別分析了經(jīng)

8、變換后得到的濾波誤差系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)。得到原系統(tǒng)H∞濾波器存在的充分條件，并提出相應(yīng)的魯棒濾波器設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步考慮了當(dāng)數(shù)據(jù)丟包情況發(fā)生時，以及在傳感器飽和約束的背景下，帶有時變時滯的Markov跳躍系統(tǒng)的魯棒濾波器設(shè)計問題。針對不同的隨機(jī)特性，選取具有統(tǒng)計意義的建模方法，并利用適用于隨機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出方法，提出了考慮數(shù)據(jù)隨機(jī)丟包特性的Markov跳躍系統(tǒng)的魯棒濾波器設(shè)計方法。并以得到的結(jié)論為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了當(dāng)同時發(fā)生傳

9、感器飽和現(xiàn)象時，Markov跳躍系統(tǒng)的H∞濾波問題。為了使研究的問題更加貼近工程應(yīng)用，還同時考慮了狀態(tài)依賴形式的隨機(jī)噪聲以及外部干擾。在分析對比了現(xiàn)有對傳感器飽和特性建模方法的基礎(chǔ)上，采用一種更具有通用形式的方法對傳感器飽和函數(shù)進(jìn)行分解處理。對于得到的濾波誤差系統(tǒng)，利用模型變換，以基于小增益定理的輸入輸出方法為分析方法，提出了滿足給定的H∞性能條件的魯棒濾波器存在的充分條件，并給出了H∞濾波器的具體設(shè)計方法。為更加復(fù)雜背景下的隨機(jī)系統(tǒng)魯

10、棒濾波問題研究提供了理論依據(jù)，同時為許多工作情況復(fù)雜，或者使用隨機(jī)切換系統(tǒng)建模的工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　本文還進(jìn)一步針對網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下可能出現(xiàn)的隨機(jī)非線性特性，研究了在通信受限情況下模糊系統(tǒng)的魯棒濾波器設(shè)計問題，并且同時考慮系統(tǒng)中含有時變時滯的情況，詳細(xì)分析了當(dāng)信息回路中存在信號量化誤差以及數(shù)據(jù)隨機(jī)丟包等網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)特性對濾波問題的影響。通過對這兩種隨機(jī)特性分別建模后，以時變時滯為模型變換的切入點(diǎn)，利用輸入輸出分析方法，提出了新的在

11、網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下H∞模糊濾波器存在的充分條件，并以此為基礎(chǔ)，建立了相應(yīng)的H∞濾波器設(shè)計方法。另外，還考慮了另一種在工程應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的非線性特性，即在傳感器飽和現(xiàn)象發(fā)生的情況下，模糊系統(tǒng)的魯棒濾波問題。介紹了現(xiàn)有文獻(xiàn)對傳感器飽和現(xiàn)象的主要建模以及分析方法，通過對比這些方法的優(yōu)點(diǎn)以及局限性，在保證最終結(jié)論的實(shí)用性以及有效性的前提下，采用了更加具有通用形式的分解方法對飽和函數(shù)進(jìn)行處理。并借助基于小增益定理的輸入輸出方法，分析濾波誤差系統(tǒng)的隨機(jī)穩(wěn)

12、定性，最終提出傳感器飽和約束下的H∞模糊濾波器存在的新條件，以及模糊濾波器的具體設(shè)計方法。提出針對具有隨機(jī)特性的模糊系統(tǒng)魯棒濾波問題的一般分析方法，為其在工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用做了理論鋪墊。
　　基于前面的理論分析，本文還提出了基于網(wǎng)絡(luò)化通訊傳感器的不確定系統(tǒng)的故障診斷問題，同時考慮當(dāng)由于網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的信號量化誤差、數(shù)據(jù)傳輸延遲、以及數(shù)據(jù)隨機(jī)丟包這三類主要的隨機(jī)特性發(fā)生時，對線性離散系統(tǒng)故障診斷問題研究的影響。為了利用殘差信號對故障信號進(jìn)

13、行估計，將故障信號進(jìn)行加權(quán)處理，使用應(yīng)用極為廣泛的線性化加權(quán)矩陣這種最小實(shí)現(xiàn)方法，并利用基于閾值的方法對得到的殘差進(jìn)行賦值，進(jìn)一步給出了對出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷的邏輯關(guān)系。針對工程中應(yīng)用廣泛的對數(shù)量化器，結(jié)合信號傳輸過程中可能出現(xiàn)的隨機(jī)延遲以及隨機(jī)丟包特性，對其建模后發(fā)現(xiàn)，得到的故障診斷濾波器誤差系統(tǒng)是含有時變時滯的隨機(jī)系統(tǒng)。因此，利用保守性相對較低的模型變換方法，利用基于經(jīng)擴(kuò)展的小增益定理的輸入輸出方法，結(jié)合Lyapunov穩(wěn)定性理論，得

14、到在保證故障診斷濾波誤差系統(tǒng)是隨機(jī)穩(wěn)定的前提下，其滿足給定的H∞性能指標(biāo)的充分條件。在此基礎(chǔ)之上，分析了現(xiàn)有主要的對所得條件進(jìn)行線性化的方法，結(jié)合故障診斷問題的具體形式以及其方法的局限性，提出了改進(jìn)方案，最終得到保守性更低的結(jié)果。最終，將所得結(jié)論應(yīng)用于連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器，并取得了良好的控制效果，充分證明了所得結(jié)論的有效性與實(shí)用性。本文對所提出的基于輸入輸出方法的通信受限情況下隨機(jī)系統(tǒng)魯棒濾波器設(shè)計方法在工程應(yīng)用中進(jìn)行了驗(yàn)證性嘗試，提出了