基于有限时间稳定的正系统分析与控制器设计

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随着控制科学和技术的不断发展,人们发现在很多的控制过程中存在一种非负性的现象,即当系统的初始状态和控制输入为正时,其相应的状态和控制输出也为正或者至少是非负的,人们将此类控制系统称为正系统。实际上,正系统在工程控制领域中应用广泛,如生物系统,机器人系统,人口系统和社会学系统等。工业工程,系统控制理论,社会科学,等领域中都有着极为广泛的应用。因此,针对正系统的研究逐渐成为控制系统领域的研究热点。  在另一方面,人们在研究系统的稳定性和稳态性能时,总是考虑系统的无穷区间的稳定性能,即Lyapunov渐近稳定性。然而,在实际的工业控制系统中,为了满足各种工程需求和相应的性能指标,不仅要考虑系统的稳态性能,同时需要考虑系统的暂态性能。针对系统的暂态性能要求,如超调量要求等,Dorato于1961年提出有限时间稳定性(又称短时间稳定)的概念。随后,Weiss等人又于1967提出了有限时间有界的概念,引起了学术界对有限时间稳定理论的深入探讨和研究,并出现了很多的科研成果。  由于正系统的研究刚刚起步,关于正系统的有限时间稳定性分析和设计问题,鲜有系统性的研究成果出现。本文通过运用Lyapunov方法以及线性矩阵不等式技术,对正系统的有限时间控制问题进行系统性的分析和设计,具体研究内容如下:  (1)针对一类时滞和不确定正系统,设计了适当的状态反馈控制器,使得相应的闭环控制系统是正的,有限时间有界的,并且满足给定的H∞性能指标。  (2)讨论了一类不确定正系统的有限时间非脆弱控制问题,给出非脆弱控制器增益解存在的充分条件,并将控制器增益解的存在问题转化为凸优化求解问题,最后通过一个电路模型验证文中设计方法的有效性。  (3)对于一类满足Lipschitz条件的非线性正系统,研究其有限时间L2-L∞控制以及滑模控制问题。通过设计适当的状态反馈控制器,使得相应的闭环系统为正系统并且满足给定的性能指标条件。
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