孫 鳳 琪
(吉林師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 四平 136000)
在控制系統(tǒng)中,由于使得系統(tǒng)不穩(wěn)定和系統(tǒng)性能變?nèi)醯囊蛩刂T多,因此要求在能夠保證魯棒穩(wěn)定的同時(shí),還要使系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足一定的要求,即保性能控制[1].對(duì)于不確定離散時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng),如何設(shè)計(jì)出一個(gè)高效合理的保性能控制器,使得在綜合指標(biāo)前提條件下系統(tǒng)的性能指標(biāo)始終不會(huì)超過(guò)某個(gè)上限,這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題,引起了非常多學(xué)者的關(guān)注[2-4].目前,關(guān)于連續(xù)系統(tǒng)的保性能控制研究成果較多,但是,針對(duì)不確定離散時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng)保性能控制的研究成果尚少.
文獻(xiàn)[5]第一次將保成本控制由連續(xù)系統(tǒng)推廣到離散系統(tǒng),對(duì)含有不確定性和時(shí)間滯后的離散系統(tǒng)進(jìn)行分析,最后得到了存在無(wú)記憶狀態(tài)反饋控制器的條件.文獻(xiàn)[6-8]同樣對(duì)離散系統(tǒng)開(kāi)展了研究,選取了包含參數(shù)不確定性的滯后系統(tǒng),得出了保性能控制器在離散系統(tǒng)中存在的最佳狀態(tài).文獻(xiàn)[9]對(duì)于具有非線性的離散2維系統(tǒng)進(jìn)行保成本控制分析,考慮了控制器可能出現(xiàn)的無(wú)記憶和記憶兩種狀態(tài),由Lyapunov穩(wěn)定性定理得出系統(tǒng)是魯棒穩(wěn)定的,并以線性矩陣不等式方法為途徑,得到了系統(tǒng)存在保性能控制器的條件.然而,文中并沒(méi)有考慮系統(tǒng)中可能存在時(shí)變時(shí)滯狀態(tài)的情形.
目前,保性能控制在不確定連續(xù)時(shí)滯系統(tǒng)中的探究已非常詳細(xì),研究成果頗豐.在離散系統(tǒng)中保性能控制理論成果也較多,但都不同程度地存在系統(tǒng)單一以及研究方法過(guò)于保守的問(wèn)題[15-16],且針對(duì)時(shí)滯攝動(dòng)離散系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)仍尚少.因此,如何選取新的方法使不確定離散時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng)的保性能控制問(wèn)題得到有效解決,需要廣大學(xué)者做進(jìn)一步研究.
本文以現(xiàn)有的理論成果為基礎(chǔ),將系統(tǒng)中的時(shí)滯設(shè)定為時(shí)變狀態(tài),在系統(tǒng)矩陣中添加奇異攝動(dòng)和不確定性,對(duì)不確定離散時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行保性能控制分析,給出了閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到漸近穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)的更小上界和系統(tǒng)存在狀態(tài)保性能控制器的具體條件.
通過(guò)線性矩陣分析方法和交叉項(xiàng)界定方法,利用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論,本文研究了不確定離散時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng)的保性能控制問(wèn)題,設(shè)計(jì)依賴(lài)奇異攝動(dòng)參數(shù)的新的性能指標(biāo),推出了保性能控制率以及較小的性能指標(biāo)上界.
考慮以下帶有控制輸入的離散不確定時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng):
(1)
0≤d(k)≤τ,
(2)
τ為已知常數(shù);F(k)∈i×j是不確定參數(shù)矩陣,
FT(k)F(k)≤I.
(3)
定義性能指標(biāo)如下:
(4)
其中S和R是待定的對(duì)稱(chēng)正定加權(quán)矩陣.
設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器
u*(k)=Kx(k),
(5)
其中K是未知的控制器增益矩陣,則閉環(huán)系統(tǒng)成為
E(ε)x(k+1)=[A+DF(k)E1]x(k)+[Ad+DF(k)Ed]x(k-d(k))+BKx(k)=
[A+BK+DF(k)E1]x(k)+[Ad+DF(k)Ed]x(k-d(k)),
(6)
本文所得結(jié)論均在滿足文獻(xiàn)[17]引理1的條件下成立.
(7)
(8)
則系統(tǒng)(1)的狀態(tài)反饋保性能控制器存在,相應(yīng)的保性能控制律為
性能指標(biāo)上界為
且閉環(huán)系統(tǒng)性能指標(biāo)(4)滿足J≤J*.
證明定義如下的Lyapunov泛函:
V(x(k))=V1(k)+V2(k)+V3(k).
其中:
V1(k)=xT(k)ET(ε)Z-T(ε)Z-1(ε)E(ε)x(k),
這里Q和M為對(duì)稱(chēng)正定矩陣,即QT=Q>0,MT=M>0.
由文獻(xiàn)[17]引理2,得:
從而V(x(k))為正定的L-K泛函.將V(x(k))沿著閉環(huán)系統(tǒng)(6)的任意軌跡進(jìn)行差分,得到ΔV(k)≤ξT(k)G(ε)ξ(k),其中:
(9)
這里:
Σ(ε)=Z-T(ε)Z-1(ε)+Z-T(ε)QZ-1(ε)+(1-τ)M;
AC=A+BK+DF(k)E1;
AD=Ad+BK1+DF(k)Ed.
類(lèi)似于文獻(xiàn)[17]中定理2的證明,對(duì)G(ε)<0消去不確定性并進(jìn)行線性化處理.若記
則G(ε)<0等價(jià)于
以上過(guò)程均可逆,故
ΔV(k)≤ξT(k)G(ε)ξ(k)<0,
因此,閉環(huán)系統(tǒng)(6)漸近穩(wěn)定.
由(9)式得:
ΔV(k)<-xT(k)[Z-T(ε)SZ-1(ε)+KTRK]x(k)<0;
-ΔV(k)>xT(k)[Z-T(ε)SZ-1(ε)+KTRK]x(k).
將上式兩邊從0到∞對(duì)k求和,并利用系統(tǒng)的穩(wěn)定性可知V(x(∞))=0,故
(10)
(11)
則系統(tǒng)(1)的狀態(tài)反饋保性能控制器存在,相應(yīng)的保性能控制律為
性能指標(biāo)上界為
且閉環(huán)系統(tǒng)性能指標(biāo)(4)滿足J≤J*.
定理2的證明過(guò)程與定理1類(lèi)似,此處略去.
考慮滿足如下非標(biāo)準(zhǔn)情形的不確定離散時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng)(1)和性能指標(biāo)(4),其中:
Z1=0.164 8,Z2=0.124 9,Z3=0.378 4,Z4=0.459 8,Z5=0.212 3,γ=2.412 6,
則
即為系統(tǒng)(1)的狀態(tài)反饋保性能控制律,性能指標(biāo)上界為
表1 保性能控制性能指標(biāo)對(duì)比
定理1具有較大的奇異攝動(dòng)參數(shù)上界值0.55,并且保性能控制區(qū)間在(0,0.55],擴(kuò)大了閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定范圍,性能指標(biāo)上界值J*=9.853 7比文獻(xiàn)的10.700 6也相對(duì)更小.
綜上數(shù)值樣例表明,本文所得定理的保性能控制條件具有可行性,控制方式有效,進(jìn)一步拓寬和完善了保性能控制理論體系.其線性矩陣不等式保性能控制條件形式簡(jiǎn)單易行,并且適用于標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)情形.相比較而言,本文的控制效果具有一定的優(yōu)越性,研究結(jié)果具有一定的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.
在近幾年中,保性能控制問(wèn)題受到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注,在眾多學(xué)者的共同努力下,已經(jīng)形成了比較系統(tǒng)的理論體系.本文創(chuàng)新之處在于:
(1) 選取了新的綜合控制系統(tǒng)保性能控制研究;
(2)重新定義了性能指標(biāo),以及一個(gè)新的李亞普諾夫泛函;
本文對(duì)于不確定離散時(shí)滯奇異攝動(dòng)控制系統(tǒng)保性能控制的研究,可以為相關(guān)控制問(wèn)題研究提供理論參考.對(duì)于記憶狀態(tài)反饋保性能控制設(shè)計(jì),是下一步需要解決的問(wèn)題.