切换非线性系统的耗散性及不变性原理的研究

摘要

切换系统是一类重要和特殊的混杂系统。近几十年来，切换系统的研究引起了学者们的广泛关注，主要因为大量的实际系统需要建模成切换系统，并且还有许多系统不能用单一的控制器达到控制目标而需要在一些备选的控制器之间切换才能完成控制任务。然而，由于切换系统中连续动态和离散动态的相互作用，使得系统的行为十分复杂，同时也使得系统的分析与设计变得非常困难，有很多问题亟待解决。耗散性与不变性原理早已广泛地应用于非切换系统的分析与设计中，并已形成系统的理论体系。但对于切换系统而言，耗散性与不变性原理的研究才刚刚起步，尚未建立系统的理论体系。 本文主要研究切换系统的耗散性、不变性原理及其在异步切换镇定问题、H∞控制问题与离散时间动态网络的输出同步问题等方面的应用。本文主要工作包括以下几个方面: （一）利用平均驻留时间方法研究了在异步切换下切换系统的镇定问题。当切换系统由无源子系统与非无源子系统组成时，在给定的平均驻留时间、无源率和容许的滞留时间条件下，给出了镇定该系统的控制器设计方法。 （二）分别使用平均驻留时间方法与设计状态依赖型切换律方法，研究了两类切换非线性系统的H∞控制问题。对于第一类切换系统，即当切换系统是由无源子系统与非无源子系统组成时，利用平均驻留时间方法，给出了解决含有不确定性项的切换非线性系统的H∞控制问题的控制器设计方法。对于第二类切换系统，通过设计状态依赖型切换律和每个子系统的控制器，基于无源性给出了切换非线性系统H∞控制问题的可解条件。此外，当每个子系统在激活区域内没有无源性时，通过反馈无源化方法给出了解决切换非线性系统的H∞控制问题的切换律与控制器的设计方法。 （三）研究了具有恒等节点的离散时间动态网络的输出同步化问题。首先，当每个节点具有增长几何耗散性时，选择特定的输入与输出，网络就可以转化成具有几何耗散性的非线性系统;其次，利用几何耗散性，给出了在任意切换拓扑下离散时间动态网络输出同步的判定准则;最后，当每个网络都不能达到输出同步时，给出了输出同步化的切换律设计方法。 （四）分别研究了离散与连续切换非线性系统解的渐近性质。针对于离散时间切换非线性系统，分别给出了基于公共Lyapunov函数、多Lyapunov函数与弱Lyapunov函数的不变性原理，其中基于弱Lyapunov函数的不变性原理允许在某些集合上一阶差分为正。这些结果表明切换系统的解吸引到某个特定区域中的最大弱不变集。针对连续切换非线性系统，给出基于类Lyapunov函数的不变性原理。 （五）研究了具有非恒等节点的离散时间动态网络的广义输出同步问题。主要分为三种情形。第一种情形，基于几何耗散性，给出两个在固定拓扑下输出同步的判定准则;第二种情形，基于几何耗散性与本文中所建立的不变性原理，给出了在任意切换拓扑下广义输出同步的判定方法;第三种情形，当每个网络单独工作不能达到广义输出同步时，基于几何耗散性与本文中所建立的另一个不变性原理，给出了达到广义输出同步化的切换律设计方法。 （六）利用多Lyapunov函数方法研究了切换非线性系统的广义向量L2性质与设计问题。首先，用广义向量L2性质描述每个子系统单独工作时子系统的非一致L2增益性质，即每个子系统的增益是状态的函数;其次，对于两个切换非线性系统的互联问题，基于广义向量L2性质，给出了广义小增益定理;最后，当每个子系统不具有广义L2性质时，给出了为获得切换非线性系统的广义向量L2增益的切换律设计方法。 最后是全文的总结和展望。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1切换系统概念

1．2．1理论价值

1．2．2工程应用

1．3切换系统的研究现状

1．4．1耗散性研究目的、意义与研究现状

1．4．2不变性原理研究目的、意义与研究现状

1．5预备知识

1．5．1符号说明

1．5．2非线性系统耗散性

1．5．3非线性系统不变性原理

1．6本文的主要工作

第2章基于无源性的异步切换非线性系统的镇定

2．1引言

2．2异步切换下镇定控制器设计

2．2．1问题描述

2．2．2平均驻留时间下的控制器设计方法

2．2．3数值例子

2．3结论

第3章具有无源性的切换非线性系统的H∞控制

3．1引言

3．2切换非线性系统的H∞控制：平均驻留时间方法

3．2．1基于无源性的切换非线性系统的H∞控制

3．2．2基于无源性的切换线性系统的H∞控制

3．2．3数值例子

3．3切换非线性系统的H∞控制：状态依赖型的切换律设计

3．3．1问题描述

3．3．2基于无源性的巩控制设计方法

3．3．3基于反馈无源化的巩控制设计方法

3．3．4数值例子

3．4结论

第4章增长几何耗散性及离散时间动态网络的输出同步化

4．1引言

4．2离散时间非线性系统的增长几何耗散性

4．3离散时间动态网络的输出同步化条件和设计方法

4．3．1问题描述

4．3．2离散时间动态网络的输出同步化：任意切换拓扑情形

4．3．3离散时间动态网络的输出同步化：切换拓扑信号可设计情形

4．3．4数值例子

4．4结论

第5章切换非线性系统的不变性原理

5．1引言

5．2不变性原理

5．2．1离散时间切换系统的不变性原理

5．2．2连续切换非线性系统的不变性原理

5．2．3数值例子

5．3结论

第6章基于几何耗散性的离散时间动态网络的广义输出同步化

6．1引言

6．2在任意切换拓扑下离散时间动态网络的广义输出同步化

6．2．1问题的描述

6．2．2在固定拓扑下离散时间动态网络的广义输出同步化判据

6．2．3在任意切换拓扑下离散时间动态网络的输出同步化判据

6．2．4数值例子

6．3离散时间动态网络广义输出同步化的切换律设计

6．3．1切换拓扑动态网络广义输出同步化的切换律设计方法

6．3．2数值例子

6．4结论

第7章切换非线性系统的广义向量L2增益

7．1引言

7．2切换非线性系统的广义向量L2增益性质分析

7．2．1问题描述

7．2．2吸引性

7．2．3广义小增益定理

7．3切换律设计

7．4数值例子

7．5结论

第8章总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所做的主要工作