非线性抛物型PDE系统的控制问题研究

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现实中很多工业过程表现出空间依赖特性,因此这些系统的性质既依赖于空间位置变量又依赖于时间变量。为了解决这些实际问题和由于集中参数系统控制理论发展的影响,在二十世纪六十年代,分布参数控制系统作为现代控制理论的一个分支开始引起学者们的注意。数学模型上,分布参数系统在实际中通常是由含有适当边界条件的偏微分方程(PDE)来描述的系统。作为PDE的一个分支,抛物型PDE可以用来表示广泛存在于生产制造工业过程中的扩散-对流-反应现象的动力学模型。随着现代控制理论的发展,非线性抛物型PDE控制系统吸引了越来越多的研究者的注意。另一方面,很多实际应用中会出现高度动态和复杂的环境,这种工作环境对人类来说是非常危险的。因此在这种复杂环境中部署传感器和执行器,通过共享通信网络交换控制器、执行器和传感器等多个节点之间信息来完成任务具有重要的实际意义。目前,基于网络通信的非线性抛物型PDE系统已经成为现代控制理论领域重要课题之一。本文在总结前人工作的基础上进一步深入地研究了非线性抛物型PDE系统的控制问题,主要研究工作如下:1)利用T-S模糊模型研究了具有Neumann边界条件的非线性抛物型PDE系统。为了分析抛物型PDE系统的渐近稳定性,设计了一种基于边界状态和由积分中值定理推导出的均值系数矩阵的模糊状态控制器,从而克服了现有的一些控制结果中过于依赖对边界条件有较高要求的不等式。此外,与所设计的新的模糊状态控制器相比,还提供了基于另一种设计条件更为保守的模糊状态控制器。2)研究了参数不确定非线性抛物线PDE系统的有限时间H∞控制问题。首先,基于量化器的定义,分别给出了量化影响下的静态状态反馈控制器和动态状态反馈控制器。然后提出了有限时间H∞控制设计策略。并通过对所研究的系统构造适当的Lyapunov泛函,在保证达到给定的H∞控制性能下以非线性矩阵不等式的形式给出了反馈控制增益和量化器调整参数存在的充分条件。然后,通过使用一些不等式和分解技术,解决了矩阵之间的耦合问题。此外,通过求解优化问题来使系统达到最优的H∞控制性能。3)研究了具有时变时滞的非线性抛物型PDE系统的镇定问题。利用T-S模糊模型,非线性抛物型PDE系统被描述为模糊抛物型PDE。然后,考虑测量输出和控制输入信息经由一种动态量化器量化,提出了模糊静态和动态输出反馈控制器。同时也分别讨论了两种控制形式下的时滞反馈控制。通过构造适当的Lyapunov泛函,给出了保守性更小的输出反馈控制增益和量化器动态调节参数控制设计条件,解决了时变时滞的非线性抛物型PDE系统的镇定问题。4)基于T-S模糊模型研究了具有时变时滞的非线性抛物型PDE系统的输出调节问题。采用一种动态量化器对状态信息和输出调节误差进行量化来解决网络通信信道负载能力有限的问题。考虑了两种在实际中经常发生的执行器故障:故障未知和故障服从Bernoulli随机分布。然后,基于T-S模糊模型设计了基于边界控制的输出调节控制器,并提出了确保系统状态和输出调节误差是有限时间有界的模糊控制器设计策略。通过构造适当的Lyapunov泛函利用合适的解耦方法,给出了解决非线性时滞抛物型PDE系统输出调节问题的保守性更小的设计条件。
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