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切換線性系統的事件觸發控制
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切換線性系統的事件觸發控制 版權信息
- ISBN：9787030681331
- 條形碼：9787030681331 ; 978-7-03-068133-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
切換線性系統的事件觸發控制 本書特色
適讀人群 ：切換系統事件觸發控制領域以及以此為工具的研究人員和工程人員，高等院校控制科學與工程等相關專業的研究生及高年級本科生本書適合切換系統事件觸發控制領域以及以此為工具的研究人員和工程人員閱讀，也可作為高等院？刂瓶茖W與工程及相關專業的研究生及高年級本科生的參考書。
切換線性系統的事件觸發控制 內容簡介
本書主要闡述基于網絡的切換線性系統事件觸發控制問題的基本內容與方法，介紹國內外相關領域的近期新研究成果。本書主要內容如下：平均駐留時間切換策略下切換線性系統保性能事件觸發控制；基于自觸發和事件觸發、性能依賴自適應事件觸發的切換線性系統魯棒控制；受丟包、網絡攻擊影響的切換線性系統魯棒事件觸發濾波；狀態依賴切換策略下切換線性系統受限事件觸發控制；基于新平均駐留時間切換條件的切換線性系統異步事件觸發控制；切換線性系統基于數據緩沖器的分散事件觸發控制。 本書適合切換系統事件觸發控制領域以及以此為工具的研究人員和工程人員閱讀，也可作為高等院校控制科學與工程等相關專業的研究生及高年級本科生的參考書。
切換線性系統的事件觸發控制 目錄
目錄
前言
符號說明
1 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 切換線性系統概述 2
1.2.1 切換線性系統的模型 3
1.2.2 切換線性系統的研究背景 4
1.2.3 切換線性系統的研究現狀 7
1.3 切換線性系統控制問題概述 8
1.3.1 切換線性系統的魯棒控制和濾波研究現狀 8
1.3.2 切換線性系統的受限控制研究現狀 10
1.3.3 切換線性系統的異步控制研究現狀 10
1.3.4 切換線性系統的分散控制研究現狀 11
1.4 事件觸發控制問題概述 12
1.4.1 事件觸發控制的基本原理 12
1.4.2 事件觸發控制的研究現狀 13
1.4.3 切換線性系統的事件觸發控制研究現狀 14
1.5 本書特色與內容安排 15
2 預備知識 18
2.1 相關定義 18
2.2 若干引理 19
3 切換線性系統保性能事件觸發控制 21
3.1 概述 21
3.2 不確定性下保性能事件觸發控制 22
3.2.1 問題描述 22
3.2.2 主要結果 23
3.2.3 仿真算例 29
3.3 保耗散性能事件觸發控制 30
3.3.1 問題描述 30
3.3.2 主要結果 32
3.3.3 仿真算例 36
3.4 小結 38
4 切換線性系統魯棒事件觸發控制 39
4.1 概述 39
4.2 魯棒自觸發控制 40
4.2.1 問題描述 40
4.2.2 主要結果 41
4.2.3 仿真算例 46
4.3 性能依賴魯棒事件觸發控制 48
4.3.1 問題描述 48
4.3.2 主要結果 51
4.3.3 仿真算例 60
4.4 小結 62
5 切換線性系統魯棒事件觸發濾波 63
5.1 概述 63
5.2 魯棒事件觸發 濾波 64
5.2.1 問題描述 64
5.2.2 主要結果 66
5.2.3 仿真算例 72
5.3 魯棒事件觸發故障檢測濾波 74
5.3.1 問題描述 74
5.3.2 主要結果 78
5.3.3 仿真算例 83
5.4 小結 86
6 切換線性系統受限事件觸發控制 87
6.1 概述 87
6.2 受限事件觸發控制 88
6.2.1 問題描述 88
6.2.2 主要結果 90
6.2.3 仿真算例 99
6.3 網絡攻擊下受限事件觸發控制 100
6.3.1 問題描述 100
6.3.2 主要結果 102
6.3.3 仿真算例 107
6.4 小結 109
7 切換線性系統異步事件觸發控制 110
7.1 概述 110
7.2 多異步事件觸發控制 110
7.2.1 問題描述 110
7.2.2 主要結果 112
7.2.3 仿真算例 120
7.3 誘導異步事件觸發控制 122
7.3.1 問題描述 122
7.3.2 主要結果 125
7.3.3 仿真算例 134
7.4 小結 136
8 切換線性系統分散事件觸發控制 137
8.1 概述 137
8.2 分散事件觸發控制 138
8.2.1 問題描述 138
8.2.2 主要結果 142
8.2.3 仿真算例 147
8.3 異步分散事件觸發控制 149
8.3.1 問題描述 149
8.3.2 主要結果 154
8.3.3 仿真算例 159
8.4 小結 161
參考文獻 162
前言
符號說明
1 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 切換線性系統概述 2
1.2.1 切換線性系統的模型 3
1.2.2 切換線性系統的研究背景 4
1.2.3 切換線性系統的研究現狀 7
1.3 切換線性系統控制問題概述 8
1.3.1 切換線性系統的魯棒控制和濾波研究現狀 8
1.3.2 切換線性系統的受限控制研究現狀 10
1.3.3 切換線性系統的異步控制研究現狀 10
1.3.4 切換線性系統的分散控制研究現狀 11
1.4 事件觸發控制問題概述 12
1.4.1 事件觸發控制的基本原理 12
1.4.2 事件觸發控制的研究現狀 13
1.4.3 切換線性系統的事件觸發控制研究現狀 14
1.5 本書特色與內容安排 15
2 預備知識 18
2.1 相關定義 18
2.2 若干引理 19
3 切換線性系統保性能事件觸發控制 21
3.1 概述 21
3.2 不確定性下保性能事件觸發控制 22
3.2.1 問題描述 22
3.2.2 主要結果 23
3.2.3 仿真算例 29
3.3 保耗散性能事件觸發控制 30
3.3.1 問題描述 30
3.3.2 主要結果 32
3.3.3 仿真算例 36
3.4 小結 38
4 切換線性系統魯棒事件觸發控制 39
4.1 概述 39
4.2 魯棒自觸發控制 40
4.2.1 問題描述 40
4.2.2 主要結果 41
4.2.3 仿真算例 46
4.3 性能依賴魯棒事件觸發控制 48
4.3.1 問題描述 48
4.3.2 主要結果 51
4.3.3 仿真算例 60
4.4 小結 62
5 切換線性系統魯棒事件觸發濾波 63
5.1 概述 63
5.2 魯棒事件觸發 濾波 64
5.2.1 問題描述 64
5.2.2 主要結果 66
5.2.3 仿真算例 72
5.3 魯棒事件觸發故障檢測濾波 74
5.3.1 問題描述 74
5.3.2 主要結果 78
5.3.3 仿真算例 83
5.4 小結 86
6 切換線性系統受限事件觸發控制 87
6.1 概述 87
6.2 受限事件觸發控制 88
6.2.1 問題描述 88
6.2.2 主要結果 90
6.2.3 仿真算例 99
6.3 網絡攻擊下受限事件觸發控制 100
6.3.1 問題描述 100
6.3.2 主要結果 102
6.3.3 仿真算例 107
6.4 小結 109
7 切換線性系統異步事件觸發控制 110
7.1 概述 110
7.2 多異步事件觸發控制 110
7.2.1 問題描述 110
7.2.2 主要結果 112
7.2.3 仿真算例 120
7.3 誘導異步事件觸發控制 122
7.3.1 問題描述 122
7.3.2 主要結果 125
7.3.3 仿真算例 134
7.4 小結 136
8 切換線性系統分散事件觸發控制 137
8.1 概述 137
8.2 分散事件觸發控制 138
8.2.1 問題描述 138
8.2.2 主要結果 142
8.2.3 仿真算例 147
8.3 異步分散事件觸發控制 149
8.3.1 問題描述 149
8.3.2 主要結果 154
8.3.3 仿真算例 159
8.4 小結 161
參考文獻 162
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切換線性系統的事件觸發控制 節選
1 緒 論 1.1 概 述 切換系統是一類重要的混雜系統，通常由有限個連續（或離散）子系統與一個組織切換的規律組成。近二十年，在自動控制領域切換系統受到了越來越多的關注，已成為一個重要的研究方向。主要原因在于：首先，切換系統已廣泛存在于實際工業過程中，甚至很多控制系統本身就是多系統或多模態的，比如，電力系統、車輛控制、機器人、先進制造和飛行控制系統等。另外，從控制策略角度，任何一個控制器（回路）不可能兼顧系統全面的性能需求而起到“萬能”作用，尤其對現代工業中愈加復雜的對象特征（如運行環境變化、大的未建模動態和參數衍變）、多控制任務和高控制精度要求等更是如此。因此，利用切換系統的理論和方法來解決傳統控制局限不失為一個可行的選擇，即通過在不同模式間切換，獲得比單一模式更好的控制性能，*終實現系統整體性能的提升。 對于包含切換特性的實際系統，如交直流微電網系統明顯呈現出雙模態交替運行的典型切換特征，利用切換系統理論建立微電網系統各單元的模型，可以更好地分析與研究該系統的動態特性和控制綜合。又如，航空發動機在多模式、多參數的復雜工況下工作，其高性能推力調節與安全邊界限制保護兩者間本質上是“相互矛盾”的，要么犧牲性能，要么犧牲安全，若不折中，切換控制方法是必然選擇。此外，飛行器多作戰任務系統、繼電器開關系統和汽車變速系統等也都通過切換思想來實現控制目標。 近年來，傳感器、通信和信息技術的快速發展為控制系統與計算機網絡相互融合創造了條件。網絡控制系統也為控制科學向網絡化、分布化和智能化發展提供了空前的機遇，并被廣泛應用于眾多領域。網絡控制系統大都采用定周期的時間觸發采樣機制，但是：①該機制不考慮對象狀態的變化，實為“開環采樣”；②當選定采樣周期時，需保證在*差情況下（如存在外部干擾、網絡時滯和丟包等）滿足系統性能要求，而針對*差情況所給定的采樣周期過于保守，高采樣頻率導致的“冗余”會浪費有限的帶寬資源；③當系統處于穩態且無擾動時，周期采樣也勢必造成資源浪費。為克服周期“開環采樣”的局限，更合理地配置系統的網絡帶寬、計算和能耗等資源，一些學者提出了事件觸發的“閉環采樣”機制，即根據系統當前性能需求來決定是否執行采樣、傳輸和更新。 經過近二十年的發展，事件觸發控制在單模態系統領域已較為完備和成熟，成為線性控制系統、網絡控制系統和多智能體系統等研究中的熱點方向之一。同時，多種事件觸發機制和控制方法也大量應用于實際系統中。 雖然事件觸發控制有著顯著優點，但目前有關切換系統事件觸發控制的研究和應用還很少，許多問題亟須解決。特別是，連續動態、離散切換規則和事件觸發機制三者間相互作用導致事件觸發切換系統的復雜性和特殊性，是傳統切換系統中所沒有的問題，缺乏有效的理論和方法來解決。此外，控制過程中系統存在外部擾動，模型的參數存在不確定性，這都對控制系統的穩定性和魯棒性有重要影響，分析和設計時應予以考慮。系統反饋信號在儀器測量和通信傳輸時會受到干擾，進行濾波設計來還原和獲得真實的反饋信號尤為重要。由于執行器自身物理特性的限制，系統輸入受限會對控制性能產生重要影響。事件觸發和傳輸延遲的存在，使子系統和子控制器無法同時獲知切換信息，產生的異步現象對控制系統分析和綜合提出很大挑戰。傳統集中式的傳感器排列存在一定局限性，降低了系統設計靈活性。另外，當網絡延遲、網絡丟包、網絡攻擊、切換信號被觸發等問題與切換系統事件觸發控制一同考慮時，相關研究將變得更加棘手。 因此，本書針對以上問題，結合多Lyapunov函數方法研究了連續、離散、性能依賴、基于等待時間、自適應等類型的事件觸發機制和自觸發機制，較深入地研究了切換線性系統的事件觸發控制問題。 1.2 切換線性系統概述 切換線性系統由若干連續（或離散）線性子系統和協調其切換的邏輯規則組成，通常是一個依賴于狀態或（和）時間的分段常值函數。在控制領域研究中，一般是尋找統一的數學表達式來描述受控系統，并在此基礎上進行控制系統的分析與綜合。由于理論基礎好、表達簡潔和方便，基于單一系統描述的研究方式在控制領域有著長期、廣泛的影響力，例如，對于線性系統，常將被控對象和控制器描述為單一的傳遞函數，再運用對應的時間響應、根軌跡、伯德圖和奈奎斯特等方法進行時域和頻域分析。然而，在實際工程中，復雜的工業過程及多目標的控制系統性能需求，使得僅用單一系統來準確描述并獲得滿意的控制效果變得愈加困難。而切換系統理論可以很好地解決這些難題，它將系統動態分為有限個過程并分別對其進行建模和分析，大大提高了建模精度和控制性能，已成為控制領域一個重要的研究分支[1-6]。 1.2.1 切換線性系統的模型 切換線性系統是由多個線性子系統按某一切換規則組成的復雜系統，其穩定性由多方面因素綜合決定。即便所有子系統均是穩定的，當采用不適合的切換規則時，整個切換系統的軌線也有可能發散；而即便個別子系統是不穩定的，通過采用合適的切換規則，也可能將整個切換系統鎮定。因此，切換系統的穩定性不僅與各子系統自身的穩定性有關，同時也受切換規則的影響。切換系統的結構相對簡單，具有能準確描述復雜系統的突出優點，但子系統動態和離散的切換規則間相互作用使系統表現出很強的非線性特征，一直受到控制理論界的廣泛關注[7-8]。 一般地，由多個連續子系統構成的切換系統可數學描述為 （1.1） 式中， 為系統狀態； 為系統控制輸入； 為系統測量輸出； 和 為外部擾動信號；所采用的切換信號取值范圍為 ，當 時，表示第i個子系統被激活； 和 是光滑函數。 對于切換線性系統，其一般數學模型為 （1.2） 式中， 為適當維數的常值矩陣。 簡單的切換系統結構示意圖如圖1.1所示。 圖1.1 切換系統結構示意圖 其中，切換律可根據時間或系統的狀態變量、輸出變量、外部擾動信號以及其本身的歷史值等進行設計，一般表達形式為 式中， ； 。每一時刻有且僅有一個子系統被激活。此外，切換律 在有限時間內切換次數是有限的。由于切換信號的存在，切換系統與一般系統相比具有特殊性，如例1.1。 例1.1 考慮如下切換線性系統： （1.3） 求解切換系統的兩個子系統矩陣 和 的極點均為-0.5±1.0954i，在復平面的左半邊平面，由經典控制理論可知，子系統1和2均為穩定的。然而，不同的切換策略卻會給穩定性帶來不同的影響。例如，當 時，切換到子系統2；當 時，切換到子系統1。按此切換策略，從任意初始狀態出發，切換系統（1.3）均可被鎮定。但如果選擇切換策略為，當 時，切換到子系統1，當 時，切換到子系統2，則會產生截然不同的效果，此時從任意初始狀態出發，切換系統（1.3）均不穩定。 1.2.2 切換線性系統的研究背景 切換線性系統可有效地描述很多工業過程，廣泛存在于實際系統中，下面給出三個切換系統的實際例子。 例1.2 航空發動機控制系統[9]。 對于航空發動機控制系統，考慮發動機在大飛行包線下的高性能需求，使用傳統方法進行控制設計常留有較大安全裕度，限制了發動機的性能發揮，具有一定保守性。針對此，一個有效的解決途徑是使用切換控制，來進一步挖掘發動機潛能，降低控制設計的保守性。運用切換控制，發動機可貼近臨界狀態工作，當出現超限危險時，能迅速切換到保護控制回路確保安全。劉曉鋒的博士論文[9]中給出了以下航空發動機切換控制結構并對其數學模型進行了詳細描述。 根據圖1.2，可將航空發動機的非線性模型描述為 （1.4） 式中， 為系統狀態； 為系統控制輸入； 為系統測量輸出； 和 為外部擾動信號。就某型渦扇發動機而言，選取 ， ， 和 為高壓及低壓轉子轉速， 為主燃油流量。 圖1.2 航空發動機切換控制結構 針對不同回路，發動機系統輸出可為高壓轉子轉速 、高壓渦輪前燃氣溫度 等。根據航空發動機實際運行安全性要求，需對發動機輸出進行限制，即 式中，SMC為壓氣機喘振裕度。 建立發動機在某工作點（ ， ， ）的多回路切換控制模型如下。 （1）轉速回路： （1.5） （2）喘振保護回路： （1.6） （3）溫度保護回路： （1.7） 例1.3 切換RLC電路（圖1.3）[10]。 圖1.3 切換RLC電路 如圖1.3所示，該切換系統由多個并聯的RLC電路組成，通過一個等價于切換規則的單刀多選開關進行回路切換。該結構應用于集成電路中的低頻信號處理，可描述為 式中， ， 為電容中的電荷； ， 為電感中的磁通； 為輸入電源電壓； 為電容器容量； 為電阻阻值； 為電感線圈電感值？傻脤臓顟B空間表達式為 （1.8） 式中， ，并有 文獻[10]中給出了三組切換RLC參數（N=3），電路參數取值為
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