非线性系统的混杂反馈镇定及其应用

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本文从最基本的镇定问题入手,力求能在一个较统一的体系下讨论了非线性系统的混杂反馈控制问题. 混杂反馈控制是伴随着混杂系统理论与应用研究在九十年代初提出的一种先进控制策略.与传统的连续反馈控制相比较,混杂反馈控制引入了基于逻辑的离散事件动态,使得闭环系统具有更好的瞬态响应和稳定性.典型的混杂控制器包含了连续控制过程和离散事件(或离散时间)切换,通过位于上层的离散事件监视器配置一组连续状态反馈控制,并按照某种设计的逻辑规则相互切换,以实现闭环系统的性能要求.切换时刻可以事先固定,也可以在控制过程中实时确定. 根据离散事件作用的不同方式,本文分别讨论了基于离散时间切换和基于系统状态切换两种类型不同的非线性系统混杂反馈镇定问题.主要工作概括如下:推广了混杂系统稳定性分析的Multi-Lyapunov函数方法,给出了混杂系统渐近稳定的充分条件,并利用这一基本工具设计了基于离散时间切换的混杂反馈控制,给出了仿射型非线性系统渐近镇定的充分条件.研究结果具有一般性,混杂切换系统研究中经典的平均驻留时间方法,可以看作是这一条件的推论. 对于只包含两个子系统的低维的平面切换系统,通过子系统状态矩阵的结构特征,利用相平面几何方法和子系统向量场之间的相互关系,首次给出了一类线性切换系统渐近镇定的充分必要条件,设计了“最镇定”的切换控制律.利用这一研究结果,讨论了控制领域中的两个公开问题,它们是Z.V.Artestin提出的一类可镇定可检测线性系统的输出反馈镇定问题,和R.A.Brockett提出的Brockett积分子的镇定问题,由于上述系统不能通过连续时不变反馈镇定,本文分别给出了基于离散时间切换的混杂反馈镇定控制设计方法. 提出了基于系统状态切换的Takagi-Sugeno(T-S)模糊系统模型.这种方法的中心思想是,根据控制对象实际状况,将系统状态空间划分为不同的部分,每一部分建立相对独立的局部T-S模糊模型,根据系统当前状态分别设定模糊规则及模糊规则的个数,局部状态空间之间的切换通过离散事件系统来描述.与一般的非线性系统T-S模糊建模方法相比较,前者有效解决了系统建模复杂性和准确性之间的矛盾,降低了研究问题的保守性. 研究了非线性系统基于切换型T-S模糊模型的镇定问题.采用并行分布式补偿方法,设计了切换型模糊镇定控制器,并给出了相应的线性矩阵不等式,控制器的存在条件等价于两类线性矩阵不等式的可解性,在移动机器人运动控制中的应用验证了方案的有效性. 研究了非线性时滞系统基于切换型T-S模糊时滞模型的保性能控制问题.采用线性矩阵不等式的方法,得到了系统存在保性能控制律的充分条件.进而,通过建立和求解一个凸优化问题,给出了最小化保性能控制律的设计方法.最后针对机械臂运动模型建立了切换型T-S模糊时滞系统,验证了设计方法的可行性. 最后对全文所做的工作进行了总结,并指出了下一步研究的方向.
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