基于脉冲观测器鲁棒镇定和自适应脉冲观测器设计

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脉冲观测器概念最早是由德国学者Raff和Allgwer于2007年提出的,旨在利用系统输出在离散时刻的采样实现系统的状态估计,从而在网络控制背景下可以提高带宽的使用率.近几年,关于脉冲观测器及其应用取得了一些成果,但仍有很多问题尚待解决.针对脉冲观测器的研究现状,本文主要研究以下两个问题:基于脉冲观测器的输出反馈控制问题,以及自适应脉冲观测器的设计问题.关于第一个问题,尚未有相关的研究报道.关于第二个问题,伊朗学者Ayati和Khaloozadeh提出了一种设计方法,但被证明是错误的.针对第一个问题,本文分别就一类非线性系统和存在参数不确定性的线性系统,提出了基于脉冲观测器的输出反馈控制器设计方案和设计准则.针对第二个问题,本文提出了一种新型自适应脉冲观测器,并证明了在一定条件下,该自适应脉冲观测器既能估计系统状态又能估计未知参数.取得的主要结果如下:  (1)研究了一类连续时间非线性系统基于脉冲观测器的输出反馈镇定问题.构造了依赖于脉冲时间序列的时变Lyapunov函数,运用该Lyapunov函数和常数变易公式,分析闭环系统的指数稳定性.进一步,结合凸组合技术,以线性矩阵不等式形式(LMI)给出了基于脉冲观测器的输出反馈镇定控制律的设计准则.该设计准则依赖于脉冲区间的上下界信息.通过对柔性机械手臂模型进行反馈控制仿真,验证了所设计反馈控制方法的有效性.  (2)研究了连续时间不确定线性系统基于脉冲观测器的输出反馈控制问题.首先,引入状态误差变量,导出了反馈控制下具有混杂结构特征的闭环系统.其次,运用时变加权 Lyapunov函数方法和凸组合技术分析了闭环系统的指数稳定性,获得了LMIs形式的反馈控制器存在条件.控制增益矩阵和观测器增益矩阵可通过求解该组LMIs获得.最后,两个数值例子验证了基于脉冲观测的反馈控制方法不比基于连续时间观测器的反馈控制方法差.  (3)研究了一类非线性系统自适应脉冲观测器(AIO)的设计问题.在本文设计的AIO结构中,观测器状态按照脉冲方式进行状态更新,相应的状态方程由脉冲微分方程描述;而参数自适应调整律则通过依赖于脉冲时间序列的时变微分方程描述.运用时变 Lyapunov函数方法和推广的Barbalat引理,分析了误差系统的收敛性,获得了AIO存在的充分条件.对于系统的一类特殊情形,上述充分条件可表述为LMIs形式,通过求解一组LMIs,可以求出观测器增益矩阵.进一步,当附加持续激励(PE)条件后,还能保证参数估计的收敛性.将上述设计方法应用于Chua电路和Lorenz系统,数值仿真验证了上述脉冲观测器设计方法的有效性.
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