切换非线性系统的鲁棒混杂控制研究

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近年来,切换线性系统的控制理论与应用渐趋完善,但切换非线性系统的控制问题仍然存在许多具有挑战性的问题。在实际应用中,切换非线性系统是一类普遍存在的系统,主要由多个切换非线性子系统与切换规则组成。切换非线性子系统呈现非线性特性,切换规则产生离散动态,其复杂的动态特性使得传统的连续控制与离散控制应用于切换非线性系统时不能实现理想的控制效果。本文基于混杂系统理论对两类重要的切换非线性系统的控制问题展开研究,主要的研究工作可分为以下几个方面:1、考虑切换仿射系统,以DC-DC降压变换器为对象,兼顾开关器件动作产生的所有子系统,构建其混杂模型。根据所提出的Lyapunov函数及其沿着切换子系统导数的性质,设计了基于状态反馈的鲁棒切换控制策略。利用混杂系统的稳定性理论,对闭环系统的稳定性进行分析,并合理设计控制参数,给出了特定平衡点渐近稳定的充分条件。在实际系统中,由于切换执行器的切换频率存在限制,所以结合混杂系统理论给出了参数扰动下鲁棒性结果,排除闭环系统在到达平衡点时出现的Zeno现象。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的有效性。2、考虑不确定切换仿射系统的受扰模型,在系统部分状态不可测的情况下,设计基于输出反馈的鲁棒切换控制策略。首先,给出了基于静态输出反馈鲁棒切换控制策略,利用共同Lyapunov函数,建立了能够实现特定平衡点渐近稳定的线性矩阵不等式充分条件。其次,为了减小由静态输出反馈所导出系统控制参数的保守性,提出了动态输出反馈,同样基于共同Lyapunov函数建立了特定平衡点渐近稳定的充分条件。结果表明所提出的鲁棒切换控制策略能够实现参数不确定与外部扰动下的抗扰性能,将系统的状态从任意初始点驱动至期望平衡点。最后,通过数值仿真和物理实验验证了所提控制策略的有效性。3、针对切换Lurie系统模型,在给定切换条件下设计了基于边界限制的事件触发状态反馈控制律。首先,提出了基于状态反馈的连续控制律,通过设计状态反馈参数实现给定切换条件下切换Lurie系统的渐近稳定性。其次,在连续状态反馈控制律的基础上,引入事件触发控制,减少系统控制量的更新次数。其基本思想是,引入两个辅助系统作为边界,用于限制系统状态的变化曲线。然后,将被控系统与辅助系统联立,建立带驻留时间的混杂系统模型。随后,利用混杂系统稳定性理论对闭环系统的稳定性及鲁棒性进行了分析。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的有效性。
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