基于可控马尔科夫链的跳跃系统控制问题研究

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具有马尔科夫参数的随机切换系统也称为马尔科夫跳跃系统,其特征是系统动态演化由时间和事件共同驱动,离散事件即为系统的模态,并且该系统各个模态之间的切换规律服从马尔科夫过程。作为随机切换系统的重要分支之一,马尔科夫跳跃系统被广泛用于建模受到环境扰动、子系统连接改变等影响结构突变的复杂系统,具有很强的实际应用背景,近些年受到广大学者青睐。所以,对于马尔科夫跳跃系统的研究不仅具有理论意义,而且具有实际的工程价值。马尔科夫跳跃系统不同模态间的切换规律由马尔科夫链描述,其切换的概率由转移速率矩阵(MTRM)表出。研究表明MTRM与跳跃系统的稳定性以及系统性能息息相关,并且绝大多数的研究基于MTRM为给定常量。然而,在现实系统中,对MTRM的人为控制切实可行,并且对于系统的稳定性及性能提升具有深远影响。本文针对于具有可控马尔科夫链的跳跃系统,研究了MTRM的控制相关问题。首先分别研究了连续时间自治马尔科夫跳跃系统中MTRM控制问题和离散时间情况下转移概率矩阵(MTPM)的控制问题;其次,进一步研究了马尔科夫跳跃系统中MTRM和状态的联合控制。并且,考察了其他因素如非齐次,输入受限等对马尔科夫跳跃系统稳定性的影响。具体研究工作如下:(1)研究了连续时间自治马尔科夫跳跃系统中MTRM的控制问题。根据跳跃系统模态指示方程建立了MTRM控制模型,提出了基于模态的性能指标,讨论了控制变量的可行域,设计了MTRM的最优控制器,给出了最优性能指标。然后,推导了离散时间自治跳跃系统中MTPM的控制模型,针对离散性能指标完成了MTPM的最优控制器设计。(2)研究了非齐次输入受限马尔科夫跳跃系统中对MTRM和状态的联合控制问题。利用分段齐次的方法,建立了非齐次马尔科夫跳跃系统模型,将对MTRM控制引入高阶马尔科夫链的转移速率矩阵HMTRM中,设计了该模型下的基于状态的输入受限控制器,给出了求解MTRM最优控制的具体算法,优化了包含对MTRM控制代价和传统性能指标的混合性能指标。本文提出了跳跃系统中对MTRM控制的新方法,讨论了以上两方面问题:单一MTRM的控制问题与MTRM和状态的联合控制问题,从理论上给出了相应控制器设计,同时通过仿真验证该控制方法的有效性。研究表明此控制方法在保证系统稳定性的前提下,大大提高了系统的性能。
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