不确定切换系统的事件触发与动态量化控制

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随着工程应用与工业生产系统的大规模化、网络化、智能化以及需求与环境复杂化,切换系统的网络化控制问题日益成为控制领域的前沿热点与难点问题。一方面,切换系统可以用来对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,切换行为使得切换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,而将切换作为控制量引入时,又可为系统的控制问题求解提供更多选择与设计可能。另一方面,网络化控制的主要特点之一是包括计算与传输带宽在内的资源共享,利用有限资源保证整体性能的基本前提是合理的信号采样机制与量化策略设计。现有文献对于切换系统的事件触发采样与有限级动态量化控制等问题的研究尚不完善且存在较多限制,在外部扰动等不确定因素下,切换、事件触发与动态量化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:考虑状态完全可测的切换线性系统的事件触发与动态量化控制问题。分析切换发生在触发区间内而引起模型与控制器之间的非匹配现象,设计同时依赖于时间与触发误差的触发机制,将非匹配对系统性能的影响与量化参数的更新律设计统一起来,对量化策略、触发参数条件以及驻留时间切换律进行协同设计,指数镇定切换系统。在此基础上,进一步考虑未知外部扰动下切换系统的滑模控制问题。提出关于滑动变量与状态分量的新水平集构造方法,基于该方法设计动态量化算法,解决了在带宽受限下进行滑模控制设计时的量化器饱和问题;设计时变量化更新系数与切换律,降低因设计常值更新系数引入的保守性,同时放宽了切换信号的最小驻留时间限制。针对状态不可测且存在持续外部扰动的切换线性系统,提出了一类鲁棒切换现时估计器。利用当前的估计输出误差,设计估计器切换补偿输入,为未知扰动下切换系统的状态估计问题提供了一种有效解决方案;给出不同切换约束下估计误差系统指数稳定的充分条件,不需要对未知扰动进行范数有界性限制。当外部扰动为慢变扰动时,研究基于现时估计器的切换系统量化输出反馈控制问题。提出事件驱动的动态量化更新策略,解决了切换与扰动下难以避免输出量化器饱和的问题,放松了输出量化相关文献对网络的结构约束,不需要对量化器饱和进行在线检测,最终在设计的切换律条件下镇定系统。在切换线性系统网络化控制研究成果基础上,进一步考虑切换非线性系统在参数不确定下的事件触发控制问题。基于切换时刻不同子控制器之间的偏差,构造了一种新的切换事件触发机制,并利用触发参数对自适应控制器进行协同设计,保证存在严格正的最小触发间隔,并且系统跟踪误差收敛到可调的原点邻域。该设计方案可以解决在非线性情形下网络中的模型与控制器非匹配问题,不需要对最大触发间隔的假设或限制。最终利用基于网络的单链机械臂运动的跟踪控制对所得结果进行仿真验证。为了进一步满足许多实际系统对于有限时间收敛等暂态性能的需求,考虑带有状态跳变的切换非线性系统有限时间镇定问题。利用驻留时间技术与数学归纳法,建立了不同子系统类型下切换非线性系统的有限时间稳定准则,给出了状态轨迹收敛于原点的到达时间计算公式。所得结果放宽了对子系统结构的假设和对切换信号的周期性约束。最终利用连续搅拌反应釜的有限时间镇定与多智能体系统的有限时间一致性问题进行仿真验证。
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