基于新二重积分不等式TS模糊系统稳定性分

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  摘要: 针对时滞TS模糊系统时滞相关稳定性问题,本文在文献[9]的基础上进行改进,结合模糊线积分Lyapunov泛函方法和更为先进的一重积分不等式与新型双重积分不等式,得到了保守性更低的非线性时滞系统时滞相关稳定性条件。构建合适LyapunovKrasovskii泛函,运用两种积分不等式技术对泛函导数进行处理,所得到的判定准则一方面能获得更大的时滞上界,降低了保守性;另外,相比完全Lyapunov泛函、时滞分割等方法减少了决策变量,为检验本文结果的有效性和优越性,通过2个数值例子进行验证。验证结果表明,比现有成果所得到的稳定性准则面能获得更大的时滞上界,减少了决策变量,而且降低了保守性和复杂度。该研究对时滞TS模糊系统稳定性分析方法具有重要意义。
  关键词: 时滞TS模糊系统; 模糊线积分Lyapunov泛函; 积分不等式; 稳定性分析
  中图分类号: TP13; N941.1文献标识码: A
  在现实生活中,大部分系统都是非线性的,但相比于对线性系统的分析与控制,对非线性系统的直接分析与控制要难得多。为解决此问题,人们提出了基于模型的模糊逻辑控制策略,其中最为常用的是日本学者在1985年提出的TakagiSugeno模糊模型[1](TS模糊模型)。基于此理论,非线性系统可以通过该模糊模型建立TS模糊系统。众所周知,时滞现象大量存在于工业系统、通信系统、机械系统、网络系统及生态系统中,是系统不稳定甚至振荡的根源,并且经常出现在工程系统中。因此,对时滞TS模糊系统的研究不仅具有理论上的重要性,也具有现实意义。目前,在研究时滞TS模糊系统稳定性问题上,已经有许多有效的成果出现。通常解决时滞TS模糊系统稳定性问题采用LyapunovKrasovskii泛函方法,而在处理泛函导数的交叉项问题上,常见的有完全Lyapunov泛函法[2]、积分不等式法[35,1112]、自由权矩阵法[6]、时滞分割法[7,18]等。本文基于线性矩阵不等式(linear matrix inequalities,LMI)方法,利用TS模糊模型方法,对非线性时滞系统的稳定性分析进行研究。采用更为先进的一重积分不等式与新型双重积分不等式,结合模糊线积分Lyapunov泛函方法[89]给出了非线性时滞系统时滞相关稳定性的判定准则。同时,运用Matlab软件中的线性矩阵不等式(LMIs)工具包,对时滞TS模糊系统的稳定性给出新的LMIs时滞相关稳定性判据进行计算,并通过数值例子进行验证,与文献[2,1420]相比,本系统能获得更大的时滞上界,降低了保守性,减少了决策变量,验证了该方法的有效性和优越性。而且本文与文献[14]相比,没有引入自由权矩阵,进一步减少了决策变量。该研究有助于解决非线性系统的分析与控制设计问题。
  1问题描述
  对于非线性系统,考虑具有r个模糊规则的时滞TS模糊模型进行逼近。
  模糊规则i:如果x1(t)是Fαi11,…,xn(t)是Fαinn,那么
  (t)=Aix(t)+Aτix(t-τ)x(t)=φ(t),-τ≤t≤0(1)
  其中,x(t)=[x1(t),x2(t),…,xn(t)]T∈Rn是状态向量;Ai,Aτi是已知的系统常量;τ>0为常量;初始条件φ(t)是连续可微的向量函数。状态是前提变量,针对第i个模糊规则,Fαijj是基于xj的模糊集。
  通过对式(1)进行模糊融合,得到全局模糊模型为
  (t)=A(x)x(t)+Aτ(x)x(t-τ)(2)
  其中
  A(x)=∑ri=1hi(x(t))Ai,Aτ(x)=∑ri=1hi(x(t))Aτi
  这里,hi(x(t))是模糊规则i的隶属函数,且
  hi(x(t))=∏nj=1μαijj(xj(t)),μαijj(xj(t))=wαijj(xj(t))∑rjαij=1wαijj(xj(t))
  其中,wαijj(xj(t))是模糊集Fαijj的隶属度函数。μαijj(xj(t))满足如下条件
  0≤μαijj(xj(t))≤1,∑rjαijμαijj(xj(t))=1
  进而
  0≤hi(x(t))≤1,∑ri=1hi(x(t))=1
  本文利用模糊线积分Lyapunov泛函法,解决系统(2)的稳定性问题。
  2准备知识
  定义1[10](lie导数)设h(x):Rn→R是一个光滑的标量函数,g(x):Rn→Rn是一个光滑的向量场,h(x)关于g(x)的lie导数定义为
  Lgh(x)=Δh(x)g(x),其中Δh(x)=hx
  如果,V(x)是Lyapunov泛函关于系统(2),则V(x)关于系统(2)=g(x)的lie导数为LgV(x)=ΔV(x)g(x)=ΔV(x)。
  引理1[11]对于矩阵R∈Rn×n>0,标量a和b满足b>a,以及连续可微函数x(t),使如下积分不等式成立,即
  (b-a)∫ba(s)R(s)ds≥[ΩT1ΩT2ΩT3]R3R5RΩ1Ω2Ω3(3)
  其中
  Ω1=x(b)-x(a), Ω2=x(b)+x(a)-2b-a∫bax(s)dsΩ3=x(b)-x(a)+6b-a∫bax(s)ds-12(b-a)2∫ba∫bux(s)dsdu
  引理2[12]對于矩阵R∈Rn×n>0,标量b>a,对于连续可微函数x(t),使如下不等式成立,即
  ∫ba∫buT(s)R(s)dsdu≥T1T2T32R4R6R123(4)
  其中
  1=x(b)-1b-a∫bax(s)ds, 2=x(b)+2b-a∫bax(s)ds-6(b-a)2∫ba∫bux(s)dsdu3=x(b)-3b-a∫bax(s)ds+24(b-a)2∫ba∫bux(s)dsdu-60(b-a)3∫ba∫bu∫bsx(r)drdsdu   本文为避免隶属函数求导,采用模糊线积分Lyapunov泛函方法[9],研究系统(2)的稳定性问题。构造一个增广LyapunovKrasovskii泛函,即
  V(xt)=V1(xt)+V2(xt)(5)
  其中,V1(xt)是一个模糊线性积分Lyapunov函数,即
  V1(xt)=2∫Γ(0,x)f(ψ)dψ(6)
  式中,Γ(0,x)是系统初始状态到当前状态x的路径;ψ∈Rn是虚拟积分向量,dψ∈Rn是微小位移向量;其中,f(x)∈Rn是x的向量函数,拥有相同的模糊规则和隶属函数和模糊模型。
  对于模糊规则i:如果x1(t)是Fαi11,…,xn(t)是Fαinn,则
  f(xt)=ix(t)(7)
  式中,i∈Rn是正定矩阵,且满足
  i=+Di=0p12…p1np120…p2np1np2n…0,Di=dαi1110…00dαi211…000…dαin11(8)
  由式(8)可以看出,i的对角元素根据基于前提变量的模糊集的模糊规则不同而变化,非对角元素对称相等。
  对以上模糊向量进行融合,得以下全局模糊向量为
  f(x(t))=∑ri=1hi(x)ix(t)(x)x(t)(9)
  另外,V2(xt)选取泛函形式为式(9),即
  V2(xt)=βT(t)Pβ(t)+∫tt-τxT(s)Qx(s)ds+τ∫tt-τ∫tuT(s)S(s)dsdu+∫tt-τ∫tu∫tsT(r)R(r)drdsdu(10)
  其中,
  β(t)=xT(t)∫tt-τxT(s)ds∫tt-τ∫tuxT(s)dsdu∫tt-τ∫tu∫tsxT(r)drdsduT;
  P∈R4n×4n,且P>0,Q>0,S>0,R>0,為适当维数的矩阵。
  3主要结果
  本文由增广的LyapunovKrasovskii泛函(5)可知,V(xt)是正定的。因此,选取V(xt)作为候选的Lyapunov泛函,运用引理1和引理2,可得以下结果:
  定理1对于给定的标量τ>0,系统(2)渐进稳定的充分条件是存在P∈R4n×4n,且P>0,n×n的矩阵Q>0,S>0,R>0及j>0(如(8)式定义)(i=1,2,…,r),使如下LMIs成立,即
  Ξii<0(11)
  Ξij+Ξji<0(12)
  其中
  Ξij=sym(eT0je1)+sym(ΠT1PΠ2)+eT1Qe1-eT2Qe2+τ2eT0Se0-ΠT3SΠ3-3ΠT4SΠ4-5ΠT5SΠ5+τ22eT0Re0-2ΠT6RΠ6-4ΠT7RΠ7-6ΠT8RΠ8(13)
  其中
  e0=Aie1+Aτie2,Π1=[eT1,eT3,eT4,eT5]T,Π2=[eT0,eT1-eT2,τeT1-eT3,τ22eT1-eT4]TΠ3=e1-e2,Π4=e1+e2-2τe3,Π5=e1-e2+6τe3-12τ2e4Π6=e1-1τe3,Π7=e1+2τe3-6τ2e4,Π8=e1-3τe3+24τ2e4-60τ3e5
  其中,ei=[0n×(i-1)nIn0n×(6-i)n]∈Rn×5n,i=1,2,…,5。
  证明选取式(5)中的Lyapunov泛函V(xt),由上述可知,V(xt)是正定的。下面证明LMIs(11)、(12)保证(xt)<0。通过上述lie导数的定义1和式(9)可知
  1(xt)=ΔV1(xt)(t)=2fT(x(t))(t)=2xT(t)(x)(t)(14)
  另外,对V2(xt)关于时间t求导,为了方便,将V2(xt)写成
  V2(xt)=1+2+3+4
  1=βT(t)Pβ(t),2=∫tt-τxT(s)Qx(s)ds3=τ∫tt-τ∫tuT(s)S(s)dsdu,4=∫tt-τ∫tu∫tsT(r)R(r)drdsdu
  令
  ξ(t)=xT(t)xT(t-τ)∫tt-τxT(s)ds∫tt-τ∫tuxT(s)dsdu∫tt-τ∫tu∫tsxT(r)drdsduT
  其中
  1=2T(t)Pβ(t)=ξT(t)sym(ΠT1PΠ2)ξ(t)(15)
  2=xT(t)Qx(t)-xT(t-τ)Qx(t-τ)=ξT(t)(eT1Qe1-eT2Qe2)ξ(t)(16)
  3=τ2T(t)S(t)-τ∫tt-τT(s)S(s)ds(17)
  4=τ22T(t)R(t)-∫tt-τ∫tuT(s)R(s)dsdu(18)
  对式(16)中的-τ∫tt-τT(s)S(s)ds项,根据引理1,可得
  -τ∫tt-τT(s)S(s)ds≤ξT(t)-ΠT3SΠ3-3ΠT4SΠ4-5ΠΤ5SΠ5ξ(t)(19)
  对(17)式中的-∫tt-τ∫tuT(s)R(s)dsdu项,根据引理2,可得
  -∫tt-τ∫tuT(s)R(s)dsdu≤ξT(t)-2ΠT6RΠ6-4ΠT7RΠ7-6ΠT8RΠ8ξ(t)(20)
  对式(14)~式(20)进行整理后,得
  (xt)≤ξT(t){sym(eT0(x)e1)+sym(ΠT1PΠ2)+eT1Qe1-eT2Qe2+τ2eT0Se0-ΠT3SΠ3-3ΠT4SΠ4-5ΠT5SΠ5+τ22eT0Re0-2ΠT6RΠ6-4ΠT7RΠ7-6ΠT8RΠ8}ξ(t)=ξT(t)Ξξ(t)
  其中
  Ξ=∑ri=1∑rj=1hi(x)hj(x)Ξij=∑ri=1h2i(x)Ξii+∑ri  注1通过运用更有效的一重积分不等式(引理1)和新型二重积分不等式(引理2)在文献[9]的基础上进行改进,得到了保守性更低的时滞相关渐进稳定的充分条件。通过数值例子计算对比,该条件能够获得更好结果,且与文献[9]比,本文去除了自由权矩阵的引入,降低了保守性。
  4数值例子
  本节通过两个数值实例,与文献[2,7,9,1318]中的方法进行比较,说明本文结果的有效性和优越性。
  例1对于多篇文献广泛研究的时滞TS模糊系统,其中
  A1=-2101-02-09,A2=-190-02-11,Aτ1=-1101-08-09,Aτ2=-090-11-12
  考虑以上具有两个模糊规则的数值算例,系统(2)渐进稳定时,时滞上限最大容许的τ值如表1所示。由表1可以看出,定理1的结果优于文献[2,7,9,13,1516,18]的结果,此外相比较文献[7]采用的时滞分割方法和完全Lyapunov泛函方法[2],充分说明了本文方法的有效性和优越性。
  例2对于多篇文献广泛研究的时滞TS模糊系统,其中
  A1=-200-09,A2=-1050-1,
  Aτ1=-10-1-1,Aτ2=-10-01-1
  考虑以上具有2个模糊规则的数值算例,最大容许的时滞上限τ值如表2所示,由表2可以看出,定理1的結果优于文献[2,9,14,1718]且文献[18]采用了输入输出方法和时滞分割法,说明定理1的稳定性条件能够获得保守性更低的结果。
  5结束语
  本文主要利用TS模糊模型方法,对非线性时滞系统的稳定性分析进行相应的研究。较与文献[9]相比,采用更先进的一重积分不等式和新型二重积分不等式,并结合模糊线积分Lyapunov泛函方法,给出了保守性更低的非线性时滞系统时滞相关稳定性的判定准则。通过两个经典的数值算例进行验证,与文献[2]、[7]和[18]的完全Lyapunov泛函方法、时滞分割方法和输入输出方法相比,降低了保守性和复杂度。该方法可以应用到以后的反馈镇定、控制器设计中,是本文以后的研究方向。
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