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切换系统的平均驻留时间控制器设计

何伟  
【摘要】:随着控制对象越来越复杂,对控制性能指标要求也越来越高,同时系统运行机制受到多方面因素的制约,许多实际控制问题须通过切换系统理论才能得到更好的解决,切换系统分析与综合研究成为了学术界和工程研究领域的热点问题。切换系统的动力学行为不仅取决于各个切换子系统,还与切换规则密切相关。平均驻留时间(Average Dwell Time,ADT)切换规则是切换系统分析与综合的一种有效工具。尽管经过数十年的研究,切换系统的理论与应用研究已取得了丰硕的成果,然而,切换系统控制系统设计还有许多需要进一步探讨的问题。首先,在基于多Lyapunov函数的切换系统控制器设计中,约束两个相邻Lyapunov函数跳变的边界条件的数值计算复杂,往往只能得到一个充分条件的保守解;其次,关于切换系统的加权L_2增益性能切换控制器参数化研究还不尽人意;最后,切换系统的降阶控制器设计也是一个关键科学问题。针对上述三个方面问题,本文着重研究了基于平均驻留时间切换规则的切换控制器设计。具体研究内容主要包括以下几个方面:(1)针对离散时间切换系统的加权L_2增益性能实现,研究了基于ADT的全阶输出反馈切换控制器设计方法。切换系统在每个切换瞬间执行复位规则,基于变量消元法和变量替换法的线性化求解方法,给出了离散时间切换系统加权L_2增益性能的充分条件;进而设计了一个离散时间切换动态输出反馈控制方法。(2)针对连续切换线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)系统的加权L_2增益性能实现,研究了基于ADT的切换控制器设计方法。由于控制器设计中约束两个相邻Lyapunov函数跳变的边界条件往往是非凸的,本文引入一种执行复位规则的监测器,设计了一个连续时间切换的动态输出反馈控制方法,得到加权L_2增益性能综合的充分条件,将边界条件通过矩阵的初等变换和Schur补引理变换成线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities,LMIs)形式,使得切换系统满足某一加权L_2增益性能。(3)研究了连续时间切换LPV系统的加权L_2增益性能降阶控制器实现。一般切换控制器的阶次和系统对象的阶次是一致的,全阶的控制器实现成本高。本文在每个切换瞬间执行复位规则,提出一种降阶的输出反馈控制方法,并和传统的非复位规则降阶输出反馈控制器进行了比较,验证了所提出方法的有效性。(4)研究了连续时间切换系统的加权L_2增益性能切换控制器参数化设计方法。引入ADT切换规则和多李雅普诺夫函数,设计了一组动态切换输出反馈控制器,提出了Riccati不等式和LMIs两种形式的求解方法,保证了闭环切换系统满足加权L_2增益性能,给出了切换系统的控制器参数化形式。


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