基于事件触发采样的连续时间切换系统的滤波器设计

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切换系统由切换控制信号和切换子系统组成,其自从被提出后,在近几十年引起了自动控制领域的广泛的研究。切换系统作为一类多学科的融合研究问题,在自动控制领域,其动力学行为与各个切换子系统和相应的切换信号密切相关。由于一些不可避免的因素,例如时延,噪声,非线性等,切换系统的稳定性研究较为复杂。为了使切换系统的输出信号更为平滑,尽可能减少噪声和扰动的影响,滤波器是一个对信号过滤的很好的方法。考虑到实际工程中存在资源受限的情况,当切换系统的切换频繁发生时,滤波器难以保证很高的采样频率。因此,两次采样间隔中会出现多次切换,滤波器可能在多次切换中都无法匹配到切换系统的系统状态,这不可避免地导致非常复杂的异步情况。而目前,对事件触发采样机制下的两次采样间多次切换这一问题的切换系统稳定性分析和H∞滤波器设计的成果非常有限。因此无论是从理论研究和实际工程考虑,对这类问题的研究显得十分重要。本文研究了一种基于事件触发采样机制下的切换系统、H∞滤波器等组成的事件触发滤波误差系统,对其进行了复杂异步情况的分析、系统稳定性分析和H∞滤波器设计。本文的工作可以细化为以下几个方面:(1)为了降低干扰输入和测量噪声对切换系统的影响,并且在实际工程中。此类噪声和扰动是难以提前预知的。本文选用了H∞滤波器用于对切换系统的输出信号过滤,并提出了滤波误差系统。在该系统中,通过误差函数刻画了滤波器和切换系统的匹配程度以及对干扰和噪声的过滤能力。基于此系统,分别展开了对了复杂异步情况、事件触发采样机制、H∞滤波器设计、系统稳定性分析等。(2)考虑在资源受限的条件下或系统频繁切换时,滤波器的采样次数远小于系统的切换次数时,相邻的两个采样点间会发生多次切换这一复杂情况,滤波器可能在多个模型依赖的驻留时间都无法匹配到切换系统的系统状态,异步时间将会大于模型依赖驻留时间。多次切换造成的异步时间段可能相互交叠在一起,形成交叠的异步时间段。针对这类复杂的异步情况,本文将所有的同步和异步情况都分别构建事件触发滤波误差系统的数学模型,从而简化复杂异步情况下的分析。(3)相比于传统的时间触发采样机制,本文采用事件触发采样机制。在这种机制下,当系统误差满足一定的条件时,才会触发采样。传统的时间触发采样机制会导致很多不必要的采样,很大程度上浪费了系统的资源。而事件触发采样这种灵活的采样机制能够很好的契合本文的假设,将采样次数大幅减少,只保留必要的采样即可。(4)基于连续时间线性切换系统和滤波器系统,得出了滤波误差系统。针对两次采样间允许多次切换这一假设,为了降低保守性,增加系统的灵活性,结合多Lyapunov能量函数方法和模型依赖驻留时间准则进行分析。首先给出该假设下的数学模型,研究了切换系统的稳定性条件和系统L2增益分析,给出了模型依赖的驻留时间准则,进而研究了H∞滤波器的设计。其中,H∞滤波器的系数和事件触发采样机制的系数由一系列的线性矩阵不等式求解得到,为了使用Matlab中的LMI工具箱,需对线性矩阵不等式中的多项式的待求解变量进行分离,通过引入一个松弛矩阵Q的数学办法实现待求解变量的分离,从而通过线性矩阵不等式的求解方法得出了H∞滤波器系数和事件触发采样机制的系数。(5)结合一个数值仿真的例子证明本文结论的有效性,同时,与现有的文章中的结论做对比,证明本文的创新点和方法的有效性。
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