非同步脉冲切换系统的稳定性分析与控制综合

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脉冲切换系统是混杂系统的一种,在机器人控制、飞行器控制、通讯网络等领域有着广泛的应用。脉冲切换系统可以被用来对含有系统状态跳变的多个连续动态及这些动态之间的离散切换事件进行建模与描述,脉冲和切换行为也使得系统的整体性能不再是各连续动态子系统性能的简单结合,脉冲控制和切换律的设计可以为许多系统控制问题提供可能性。随着工程应用与工业生产系统的大规模化、网络化、脉冲切换系统的网络化控制问题,如变采样间隔下的网络化控制问题等成为控制领域的前沿热点与难点问题。现有文献的研究大都集中在脉冲和切换时刻同步的情形,而对脉冲和切换不在同一时刻的非同步脉冲切换系统的研究成果并不多,在存在外部扰动等不确定因素和非线性脉冲影响下,切换、脉冲、采样的协同设计等诸多问题亟需解决。本文针对上述问题进行研究,主要概括如下:在存在持续外部扰动情况下,针对带有时变不确定性和非线性脉冲增益的一类不确定脉冲切换系统,讨论鲁棒H∞控制问题。脉冲时刻可以不与切换时刻一致,假设其满足平均脉冲间隔条件。因此脉冲间隔无共同上下界,意味着脉冲可以在某些时间段高频出现,而在一些时间段几乎不出现。通过平均驻留时间和多Lyapunov函数方法,得到了即使高频脉冲出现的情况下,系统仍是鲁棒H∞稳定的充分条件。并且在此基础上设计了切换反馈控制器,保证系统鲁棒渐近H∞控制性能。分析时滞非同步脉冲切换系统的输入至状态稳定性(Input-to-State Stability)。脉冲时刻可以不与切换时刻一致,而且时延的影响可以同时出现在连续动态和脉冲当中。通过多Lyapunov–Krasovskii泛函方法,得到了系统保持ISS的充分条件。当所有子系统都是ISS时,只要脉冲和切换次数在平均意义下不是很大,则系统整体上仍可保持ISS。另一方面,即使所有子系统都不是ISS的,可以构造一类平均意义下不是太稀疏的脉冲序列镇定系统,获得ISS意义下系统可镇定的充分条件。在上述非同步脉冲切换系统传统连续反馈控制研究成果基础上,进一步考虑基于网络的带有异步切换的非同步脉冲切换系统的变采样控制问题。脉冲时刻可以不与切换时刻一致,但是脉冲间隔有一个共同上界和下界。分析由于切换发生在采样区间内而引起模型与控制器之间的非匹配现象,设计同时包含多脉冲依赖Lyapunov函数和环泛函的辅助泛函,满足其值在脉冲时刻是非增的。通过平均驻留时间方法,得到了系统指数稳定性的充分条件。在此基础上,设计可以镇定系统的切换采样控制器。最后,利用对F-18飞行器的控制仿真例子完成对所得结果的验证。
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