几类离散时间LPV系统鲁棒滤波方法研究

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在实际的工业生产中,由于大多数的系统都存在着非线性和时变特性,因此系统的动态特性往往很难用具体的数学模型来描述,这就导致在对实际的被控对象进行建模的时候会产生一定的偏差,从而增加了系统分析的难度。线性参数变化(Linear Parameter-Varying,LPV)系统作为一类特殊的线性系统,可以用来描述动态系统中存在的非线性和时变特性。因此,随着工业数字化转型和通信网络的发展,在网络环境下进行LPV系统的研究具有非常重要的实际意义。将LPV系统与网络相结合,就要考虑网络控制系统的特性,比如网络传输时延、丢包等问题,然而这些问题的发生很有可能引发系统出现故障,影响正常的生产作业。同时,考虑到离散系统较连续系统能够更加准确地获取系统的动态特性,降低了系统建模的复杂程度。因此,本文针对几类离散时间LPV系统,研究了滤波器设计、故障检测滤波器设计、滤波器和控制器同步设计问题。主要研究内容如下:首先,针对带有分布时滞和随机丢包的离散时间LPV系统,研究鲁棒H∞和l2-l∞滤波器设计问题。通过引入已知概率的Bernoulli随机序列来描述系统中存在的随机丢包现象。利用Lyapunov稳定性理论得到使滤波误差系统(均方)渐近稳定的充分条件。通过引入新的附加矩阵来消除Lyapunov函数矩阵和系统矩阵之间的耦合,从而得到更易于求解的等价的性能准则。利用近似基函数方法和网格技术将滤波器的设计问题由无限维的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities,LMIs)转化为有限维的LMIs进行求解,通过凸优化算法求解出滤波器参数矩阵,最后通过数值仿真验证所提方法的有效性。其次,研究离散时间切换LPV系统的鲁棒H∞和l2-l∞滤波器设计问题,同时考虑网络环境下的传输时延和随机丢包等情况。基于平均驻留时间(Average Dwell Time,ADT)方法和Lyapunov稳定性理论得到时滞相关且参数依赖的H∞和l2-l∞性能准则,使得滤波误差系统是均方指数稳定的且满足相应的性能指标。进而,利用LMI技术给出滤波器的参数化求解方案。再次,在实际工业活动中,由于网络通信资源是有限的,同时受网络带宽的限制,数据在传输过程中难免会受到一些负面影响,进而导致系统发生故障。因此,针对带有分布时滞的离散时间LPV系统,研究事件触发机制下的故障检测问题,设计一个故障检测滤波器来检测系统中的故障信号。通过引入事件触发策略来提高数据传输的效率,减少网络带宽的占用,节约网络资源。最后,在上述研究的基础上,采用相同的事件触发策略,研究事件触发机制下离散时间切换LPV系统滤波器和控制器的同步设计问题。通过引入两个相互独立的事件触发器来提高传感器到执行器、执行器到被控系统之间测量数据和控制数据的传输效率。最后,在航空发动机的切换LPV模型上进行数值仿真,验证该设计方案的有效性。
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