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基于事件触发的非线性网络化系统的滑模控制

褚晓安  
【摘要】:事件触发控制是一种新颖的控制机制,与传统的周期触发控制相比,这种控制方式能够在保证系统稳定性和性能要求的前提下,有效提高带宽受限下的网络化系统有限资源的利用率。原因在于在该机制中,只有满足预先设定的事件触发条件,传感器信号或控制器信号才会传输。另一方面,滑模控制因其对系统参数不确定性,扰动和输入非线性具有强鲁棒性的优势,而广泛应用于工业过程控制、网络化控制及机器人等领域。近几年,结合事件触发控制和滑模控制的优势,基于事件触发的滑模控制已成为很多学者当前的关注热点。但是,针对网络化系统的事件触发滑模控制的研究成果仍存在一些局限,有待进一步探讨,例如,多数成果针对于状态完全可测的线性连续系统的研究,对于更具有实际意义的输出反馈离散非线性系统的研究还很少涉及。此外,对于网络化系统中出现量化、执行器故障、饱和及死区等因素影响的事件触发滑模控制方法研究还比较欠缺。为了弥补已有成果的不足,本文针对一类存在系统约束(如饱和、死区、量化、执行器故障及网络延时)的离散Lipschitz非线性网络化系统和T-S模糊网络化系统,从系统建模、稳定性分析和事件触发机制、观测器与滑模控制器协同设计等方面展开研究。主要研究内容概括如下:1.针对一类具有输入输出量化的不确定离散时间Lipschitz非线性网络化控制系统,研究了基于事件触发观测器的滑模控制问题。在考虑量化、网络延时和事件触发机制影响的情况下,利用时滞系统建模方法和重构Lipschitz性质,建立了一个包含滑动模态和误差动态的线性参数时变时滞系统模型。基于此模型,根据Lyapunov-Krasovskii泛函理论和线性矩阵不等式方法,得到了该系统模型满足给定H∞性能指标下的渐近稳定性充分条件,并协同设计了事件触发参数、观测器参数和滑模参数。考虑输入量化因素的影响,设计了一个新的基于观测器的滑模控制器,并进行了滑模可达性分析。2.研究了一类存在执行器故障的离散时间Lipschitz非线性网络化控制系统的事件触发故障估计和滑模容错控制问题。首先,设计了事件触发故障/状态观测器来同时估计执行器故障和系统状态。然后使用重构Lipschitz性质和时滞系统分析方法,建立了一个包含滑动模态和状态/故障误差动态的离散线性参数时变时滞系统模型。基于Lyapunov-Krasovskii泛函分析方法,提出了一个保证该系统渐近稳定且满足H∞性能的延时相关充分条件,并给出了参数协同设计方法。再次,设计了一个基于观测器的滑模容错控制器,并证明了有限时间内滑模的可达性。3.针对存在传感器饱和和执行器死区的情况,研究了一类动态事件触发离散时间Lipschitz非线性网络化控制系统的基于非脆弱观测器的滑模控制问题。为了进一步减少不必要的网络数据传输,基于饱和输出信息,提出了一种新的动态事件触发机制。然后构造了一个非脆弱观测器来估计不可测系统状态,并基于估计状态设计了一个离散滑模面。接着建立了一个同时刻画动态事件触发机制、输出饱和、网络延时和不确定参数的线性参数时变时滞系统模型,提出了保证该模型渐近稳定且满足自适应H∞性能的充分条件,并协同设计了动态事件触发参数、滑模参数和观测器参数。再次,设计了一个新的事件触发滑模控制器,并分析了在存在死区输入情况下滑模的可达性。4.在考虑输入量化、不完备测量及双通道事件触发影响的情况下,研究了一类离散时间T-S模糊网络化控制系统的故障估计及容错控制问题。传感器端不完备信息包含随机饱和和随机量化。首先,为了减少传感器到控制器端和控制器到执行器端的数据传输量,在传感器端提出了一个动态事件触发机制,在控制器端引入了一个静态事件触发机制。然后设计了一个事件触发模糊故障/状态观测器同时估计执行器故障和系统状态。接着建立了一个新的包含滑动模态和故障/状态误差动态的T-S模糊时滞系统模型,得到了保证该模型随机渐近稳定且满足自适应H∞性能的充分条件,并协同设计了事件触发参数、观测器参数及滑模参数。基于此条件,设计了一个新的模糊滑模容错控制器使得系统轨迹在存在输入量化、执行器故障和输入事件触发机制的情况下到达一个有界滑模区域。5.针对传感器端存在多通道饱和、量化和非理想网络的情形,研究了一类离散时间T-S模糊网络化控制系统的输出分散动态事件触发滑模控制问题。首先,为了减少传感器端多通道网络数据传输量,提出了一种新的分散动态事件触发机制。然后,建立了一个同时刻画量化、饱和、滑动模态和分散动态事件触发机制的增广T-S模糊时滞系统模型,分析了该系统模型的稳定性,并给出了参数协同设计方法。再次,设计了一个基于观测器的模糊滑模控制器保证滑模的可达性。


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