基于模糊模型的非线性系统的网络化控制和滤波研究

摘要

工业控制系统的发展趋势之一是集成数字传感、通讯、网络和智能计算等设备到控制系统运行的不同环节.与传统的点对点连接方式的控制系统相比,基于网络的控制系统具有低成本、控制结构灵活、易于安装和维护等优点.随着数字传感技术和网络技术的不断发展,网络化控制系统(Ncss)已成功应用于工业控制过程、智能交通系统等领域,并展现出广阔的应用前景.在Ncss的应用中,通常会遇到被控对象是非线性的、模拟信号和数字信号共存、网络带宽受限以及网络诱导时延和数据丢包等情形.针对这些问题的研究具有重要的理论意义.本论文将利用T—s模糊建模方法来研究非线性Ncss的控制和滤波设计问题.主要贡献包括两方面:一是设计了节约网络资源的事件触发传输策略来改善Ncss的运行机制;二是通过考虑Ncss中隶属函数对系统性能的影响,建立了非线性系统网络化模糊控制和网络化模糊滤波设计的隶属函数偏差方法。具体研究内容和成果如下:
　　(1)针对离散时间T—s模糊模型表示的非线性系统,分别研究网络化随机H∞控制和网络化跟踪控制问题.在随机H∞控制问题中,将丢包过程描述为满足伯努利分布的随机序列,进而将非线性Ncss建模为随机参数系.在跟踪控制问题中,利用离散时滞输入方法建模网络化跟踪误差系统为离散时滞系统.基于Lyapunov稳定性理论,同时考虑一改进的凰。性能,以线性矩阵不等式(LMIs)的形式分别给出模糊控制器和模糊跟踪控制器的设计方法,并建立非零初始条件与系统日H∞性能间的关系。
　　(2)针对连续时间T—s模糊模型表示的非线性系统,研究带有控制输入约束和时变采样方式的非线性系统的采样保性能控制问题。考虑控制输入约束的情形下,给出一个新的引理来得到这类采样模糊控制系统的隶属函数偏差界,并建立偏差界和时变采样区间上界之间的定量关系.然后,提出一种采样模糊控制器设计的隶属函数偏差方法,并以LMIs的形式给出采样模糊控制器存在的隶属函数偏差依赖的条件.同时理论和数值上证明所提的隶属函数偏差方法可以降低现有采样模糊控制设计结果的保守性。
　　(3)针对连续时间T—s模糊模型表示的非线性系统,研究一类非线性系统的网络化静态输出反馈日H∞控制问题.考虑双侧网络的网络诱导时延和数据丢包.首先,建立网络环境下依赖系统输出的隶属函数偏差的新引理,该引理给出隶属函数偏差界和Ncss的最大允许等价时滞界间的定量关系.其次,得到带有等式约束的静态输出反馈模糊控制器存在的隶属函数偏差依赖的条件.通过锥补线性化算法将其转化为一个易于求解的控制设计优化问题.另外,通过利用松弛引理来解耦Lyapunov矩阵和系统矩阵,以拟LMIs的形式给出静态输出反馈模糊控制器的两种新的设计方法:一种是使用所提引理得到的形状依赖(shape—dJependent)的设计方法,另一种是形状独立的(shape—independent).通过比较这两种方法的可行性建立它们之间的关系。
　　(4)针对连续时间T—s模糊模型表示的非线性系统,研究一类非线性Ncss的事件触发凰。控制问题.首先,提出一种新的事件触发传输策略,通过减少采样数据的传输量来降低网络带宽的使用率.在这种策略下,将非线性Ncss建模为一个带有异步隶属函数的阈值误差依赖的T—s模糊系统.然后,利用网络环境下依赖于系统状态的隶属函数偏差界,得到事件触发传输策略和模糊控制器的联合设计方法,理论证明所提设计方法可以降低现有结果的保守性。
　　(5)针对连续时间T—s模糊模型表示的非线性系统,研究一类非线性网络化系统的事件触发日滤波问题.系统输出以时变采样周期方式采样.首先,提出一种新的关于时变采样输出的事件触发策略来降低采样数据的传输量.注意到滤波器端的零阶保持器仅收到部分滞后的采样数据来调节滤波器.为了激活模糊滤波器以及实时地估计系统的数据,提出一种新的带有依赖滤波器状态的隶属函数和滤波器采样状态的同步化模糊滤波器.所设计的滤波器保证其时钟和待估计系统的时钟是一致的.在这种滤波器结构和事件传输策略下,把带有异步隶属函数的滤波误差系统模型化为阈值误差依赖的T—s模糊范数有界不确定系统.然后,利用模糊Lyapunov泛函,给出事件触发传输策略和模糊滤波器的联合设计方法,并得到事件触发传输策略的参数和模糊滤波器增益矩阵存在的隶属函数偏差依赖的条件。

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英文摘要

主要符号表和相关术语缩写

第一章 绪论

第二章 基于离散时间T-S模糊型的非线性系统网络化控制

第三章 基于连续时间T-S模糊型的非线性系统采样保性能控制

第四章 基于连续时间T-S模糊型的非线性系统网络化SOF的H∞控制

第五章 基于连续时间T-S模糊型的非线性NCSs事件触发H∞控制

第六章 基于连续时间T-S模糊型的非线性系统事件解发H∞滤波

第七章 结论与后续研究工作

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢

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