網(wǎng)絡(luò)化線性切換系統(tǒng)有限時間控制問題研究.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)前一個非常重要的研究課題。該系統(tǒng)主要由有限個子系統(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)的動態(tài)性能，也是一個十分有意義但同

2、時又具有挑戰(zhàn)性的問題。目前對于連續(xù)時間線性切換系統(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，該性能定義的運行時間是無限長，然而在實際應(yīng)用中，一些系統(tǒng)的有限時間動態(tài)性能，例如有限時間穩(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)的有限時間性能分析與綜合，是一個十分有實踐意義的

3、課題。
　　本論文在已有連續(xù)時間線性切換系統(tǒng)研究成果基礎(chǔ)上，對部分結(jié)果進(jìn)行拓展和改進(jìn)，同時將其應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，對其在有限時間內(nèi)的系統(tǒng)性能進(jìn)行分析與控制器設(shè)計。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的復(fù)雜性難題，同時為網(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)傳輸機制的控制器設(shè)計方案。這些成果可以

4、有效地解決具有復(fù)雜子系統(tǒng)動態(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)中得到了有效的驗證，為工程實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、駐留時間

5、切換、平均駐留時間切換以及模態(tài)依賴平均駐留時間切換，在有限時間框架內(nèi)進(jìn)行了性能分析和控制器設(shè)計，同時對一類最新提出的基于持續(xù)駐留時間切換的系統(tǒng)的有限時間控制問題進(jìn)行了研究；從復(fù)雜子系統(tǒng)動態(tài)研究角度，對一類具有不穩(wěn)定子系統(tǒng)的有限時間控制問題進(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。上述三個方面的研究結(jié)果不僅有效地補充了當(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滯的網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)的有限時間控制問題進(jìn)行了研究，分別針對三種控制器進(jìn)行了設(shè)計：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櫩刂破鳌＠幂斎?時滯技術(shù)，將具有丟包和傳輸時滯的網(wǎng)絡(luò)傳輸轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)時變時滯，同時針對系統(tǒng)切換模態(tài)只能在采樣點進(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間的切換信號。上述三種控制器設(shè)計問題，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，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，這樣勢必會造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，甚至產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)堵塞。而基于事件觸發(fā)傳輸機制不需

9、要對所有采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而是對每一個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，只有符合條件的數(shù)據(jù)才會被傳輸。首先對于切換信號已知或可實時檢測的切換系統(tǒng)，提出了狀態(tài)事件觸發(fā)傳輸方案，即在定周期采樣機制下，對每一個采樣的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析計算，當(dāng)其滿足預(yù)先設(shè)定的事件觸發(fā)機制時，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)需要在采樣點進(jìn)行檢測的情況，提出了基于混雜事件觸發(fā)傳輸機制，即系統(tǒng)狀態(tài)或系統(tǒng)模態(tài)在采樣時刻任一條件滿足，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)總運行時間比例受約束的切換規(guī)則，同時結(jié)合平均駐留時間的切

11、換方式，確保了具有復(fù)雜子系統(tǒng)動態(tài)以及復(fù)雜采樣和傳輸方案的切換系統(tǒng)的有限時間性能。同時將結(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)總得運行時間比例約束尺度的平均駐留時間切換信號。該問題是對前面研究內(nèi)容中：含不穩(wěn)定子系統(tǒng)有限時間控制器設(shè)計、改進(jìn)的異步切換控制器設(shè)計以及基于事件觸發(fā)傳輸機制的技術(shù)綜合和拓展，為研究具有其他復(fù)雜系統(tǒng)動態(tài)以及其他復(fù)雜傳輸環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)有限時間系統(tǒng)