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切换系统是一类特殊而又重要的混杂系统,近些年来受到了广泛重视,是目前混杂系统理论研究的一个国际前沿方向。其发展涉及系统与控制科学、计算机科学、现代数学、物理学和管理科学等多学科。许多实际系统,如汽车引擎控制系统、智能交通控制系统、电力系统、机器人、化工过程控制系统等,均可由切换系统来描述。切换系统的 H<,∞>控制是混杂系统控制领域中基础的、富有挑战性的课题之一,但其研究工作尚需进一步完善。因此,对其进行研究具有重要的实际意义和理论价值。
以Lyapunov稳定性理论为基础,以线性矩阵不等式(LMI)方法为主要研究工具,分别研究了切换线性系统、不确定切换线性系统、不确定切换奇异系统以及时滞切换系统的H<,∞>控制和鲁棒H<,∞>控制问题,并且获得了一些有意义的结果。主要贡献如下:
(1)给出了使切换线性系统具有H<,∞>干扰抑制的状态反馈和动态输出反馈可切换镇定的反馈控制器及其对应的切换规则设计方法。该设计方法在“子系统的能量衰减域覆盖状态空间”的假设之下,使用扩充矩阵维数的技巧,通过解相应的线性矩阵不等式得到控制器和切换规则,从而将控制器增益矩阵和切换规则的求解问题与线性矩阵不等式的可解性联系起来,使得控制器和切换规则的设计过程不依赖于从控制输入到受控输出的增益矩阵是否为列满秩的限制,避免了对每个子系统的正则性假设。
(2)给出了一类具有参数不确定性的切换系统的状态反馈和动态输出反馈鲁棒H<,∞>控制方法。该方法利用线性矩阵不等式,分别设计了不确定切换系统具有鲁棒H<,∞>干扰抑制水平γ的状态反馈和动态输出反馈可切换镇定的反馈控制器和相应的切换规则,并给出了求解控制器增益矩阵的算法。
(3)给出了一类具有参数不确定性的切换奇异系统的状态反馈和动态输出反馈鲁棒H<,∞>控制方法。首先给出了由矩阵不等式表示的使系统是具有鲁棒H<,∞>干扰抑制水平γ的状态反馈和动态输出反馈可切换镇定的充分条件,分别设计了反馈控制器及其对应的切换规则;然后,将这些条件分别转化为线性矩阵不等式;最后,给出了求解控制器增益矩阵的算法。
(4)分别给出了切换时滞线性系统和切换时滞奇异系统的状态反馈H<,∞>控制方法。利用Lyapunov函数和凸组合技术,基于线性矩阵不等式方法,分别得到了使这两类系统具有H<,∞>干扰抑制水平γ状态反馈可切换镇定的充分条件,并设计了反馈控制器及其对应的切换规则;然后利用矩阵不等式方法,分别给出了一类参数不确定性的切换时滞线性系统和切换时滞奇异系统的状态反馈鲁棒H<,∞>控制方法。
(5)由于集装箱岸边桥吊系统具有非线性、时变的特点,采用常规控制方法难以取得满意的效果。本文给出了基于切换控制理论并且以事件驱动为切换规则的切换模型参考防摇控制新方法。仿真实验结果表明该控制方法是有效的。
(6)对所研究的理论和应用问题分别进行了仿真研究。仿真结果表明,所给出的控制器和切换规则的设计方案可以获得良好的控制效果。