几类切换非线性系统的有限时间控制问题研究

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切换非线性系统由于其重要的理论研究价值与广泛的工程背景受到越来越多的关注。稳定性与收敛性在控制系统中是两个很重要的指标。有限时间稳定性是指系统状态在有限时间内收敛到平衡点,具有较好的收敛性能。因此,有限时间控制研究具有重要的理论意义与广泛的应用价值。到目前为止,与切换非线性系统有关的有限时间控制研究已取得了一些十分重要且非常有意义的研究成果,然而具有混合奇偶次幂、状态约束等情形的相关结果还未报道。本文针对几类重要的切换非线性系统,采用Lyapunov函数方法、有限时间控制理论与递推设计思想,深入研究了有限时间控制问题,建立了新的有限时间稳定性判定条件,提出了有效的控制策略。本文的主要研究工作包括:1)针对一类具有未知非线性函数的严格反馈结构的切换非线性系统,研究了自适应有限时间控制器设计。系统的未知非线性函数仅要求是连续的。采用递推设计思想,构造了系统的控制器与自适应律。同时,在每一步的设计过程中,采用了神经网络以逼近未知非线性函数。最后通过严格证明,对于任意的切换信号,闭环系统的状态有限时间收敛到平衡点的邻域内。2)针对一类具有未知参数和未知控制系数的p规范型切换非线性系统,讨论了自适应有限时间控制,其中系统的次幂为奇数的比值。采用加幂积分技术,设计了系统的状态反馈控制器与自适应律,并证明了在任意切换信号下,闭环系统的状态有限时间收敛到平衡点。3)研究了具有奇偶次幂的p规范型切换非线性系统的有限时间控制。与已有结果相比,放宽了对系统次幂的要求,某些次幂容许是偶数与奇数的比值,且非线性函数不需要满足三角结构。为克服已有的控制设计方法无法直接应用于该系统的障碍,首先导出了具有状态依赖切换信号的切换非线性系统的有限时间稳定性判据。进一步,采用凸组合方法和加幂积分技术,设计了各个子系统的状态反馈控制器与状态依赖的切换信号,并证明了闭环系统的状态在有限时间内收敛到平衡点。4)研究了具有混合奇偶次幂和状态约束的p规范型切换非线性系统的有限时间控制。状态约束是指系统的某些状态被约束在给定的有界集合内。为克服状态约束对有限时间控制器设计的影响,构造了 Barrier函数,并采用加幂积分技术,设计了各个子系统的状态反馈控制器与状态依赖的切换信号,进一步证明了闭环系统的状态始终保持在规定的有界集合内,并且有限时间收敛到平衡点。5)讨论了具有混合奇偶次幂的p规范型切换非线性系统的有限时间跟踪控制问题。p规范型非线性系统的局部线性化可能是不可控的,有时难以找到一个控制律以实现准确跟踪,为此,首先导出了具有状态依赖切换信号的切换非线性系统的有限时间有界性判据。在此基础上,采用凸组合方法和加幂积分技术,为各个子系统设计了相应的状态反馈控制器,并构造了一个状态依赖的切换信号,最后证明了跟踪误差在有限时间内收敛到零的邻域内。
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