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半马尔科夫跳变系统基于高阶干扰观测器的复合控制及应用

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半马尔科夫跳变系统基于高阶干扰观测器的复合控制及应用

作者：张玲玲北京交通大学

学位级别：硕士

随着自动化和智能化水平的不断提高,机器人的高精度控制和高性能指标一直都是工业领域和学术领域的研究热点。然而,在系统的实际运行过程中,内部参数或结构容易受到影响而导致系统模式发生随机跳跃。在工程领域,这类系统的建模和控制非... 详细信息

随着自动化和智能化水平的不断提高,机器人的高精度控制和高性能指标一直都是工业领域和学术领域的研究热点。然而,在系统的实际运行过程中,内部参数或结构容易受到影响而导致系统模式发生随机跳跃。在工程领域,这类系统的建模和控制非常具有挑战性。半马尔科夫跳变系统(semi-Markov jump systems,S-MJSs)可以用来描述这类复杂的系统,因此在学术界和工业界得到了广泛的关注。考虑高精密电子组装工艺中,机械臂的有效荷载质量和转动惯量可能发生参数突变,控制器也需要相应改变,因此基于S-MJSs模型来研究这一场景具有优越性。此外,内外部干扰在机器人系统中都普遍存在,往往会严重影响控制性能,因此如何设计一种抗干扰控制策略使得系统稳定的同时并具有较高的性能变得尤为重要。基于此,本文重点研究了一类机器人系统在受到不确定谐波干扰、范数有界干扰、模态跳变、未知非线性和事件触发等诸多因素影响下的复合抗干扰控制问题。主要工作如下:(1)研究了存在未知正弦干扰的S-MJSs的抗干扰控制问题。这里的干扰为具有不确定参数的可建模匹配干扰,它广泛存在于机械臂驱动关节的电机内部。为了估计和抵消这类干扰,构造了一种新型的高阶干扰观测器,将不确定的正弦干扰估计问题转化为不确定参数的估计问题。针对S-MJSs中时变转移概率的难点,采用了给定转移概率驻留时间具有上下界的方法解决。最后,通过一自由度(1-DOF)机械臂实例仿真验证所提出的控制策略的有效性。(2)研究了存在多源干扰的S-MJSs的复合抗干扰控制问题。研究了两类干扰,一类是频率未知的谐波干扰,另一类是能量有界干扰。为了估计系统中的多源干扰,提出了一种新型高阶干扰观测器的前馈补偿和H控制器相结合的复合控制方案,分别抑制和衰减上述两类干扰。此外,给出了保证系统随机稳定并满足H性能指标的充分条件。最后构建了受两种干扰影响的二自由度(2-DOF)机械臂的新型模型,并基于此模型验证了所提方案的有效性。(3)研究了存在多源干扰和未知非线性的S-MJSs自适应事件触发复合抗干扰控制问题。为了减少控制器的更新次数,减少通道资源浪费,引入一种自适应事件触发机制能够更有效的避免Zeno行为。为了估计未知谐波干扰,设计一种基于新型高阶干扰观测器的控制来对干扰进行补偿。基于事件触发的算法,设计自适应事件触发复合控制器,实现在稳定闭环系统的同时减少计算负荷。最终通过一个机器人实例验证方案的可行性。图27幅,表1张,参考文献96篇。

关键词：半马尔科夫跳变系统复合抗干扰控制未知谐波干扰自适应事件触发机械臂

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带有欺骗攻击的半马尔科夫跳变系统滑模控制

带有欺骗攻击的半马尔科夫跳变系统滑模控制

作者：吕彩玉曲阜师范大学

学位级别：硕士

滑模控制自诞生以来就是一个重要而热门的研究话题。近年来,马尔科夫跳变系统因其良好的工程背景与复杂系统建模方面的优势,在太阳能接收器控制系统、飞行系统、电力系统、经济系统以及机械制造系统等领域有着广泛的应用前景。不同于马... 详细信息

滑模控制自诞生以来就是一个重要而热门的研究话题。近年来,马尔科夫跳变系统因其良好的工程背景与复杂系统建模方面的优势,在太阳能接收器控制系统、飞行系统、电力系统、经济系统以及机械制造系统等领域有着广泛的应用前景。不同于马尔科夫跳变系统,半马尔科夫跳变系统的驻留时间服从非指数分布,放宽了概率分布的限制条件,具有更加广泛的应用背景。同时,网络的开放性导致信息物理系统容易遭受到网络攻击的影响。信息物理系统一旦受到网络攻击,系统本身会受到严重的破坏,最终导致系统的不稳定。目前,有关网络攻击下半马尔科夫跳变信息物理系统的滑模控制研究成果鲜有发表。因此,对于网络攻击下信息物理系统的控制研究,具有重要的理论意义和应用价值。基于这一现状,本文研究了带有欺骗攻击的半马尔科夫跳变信息物理系统滑模控制问题。主要内容如下:1)研究了随机欺骗攻击下半马尔科夫跳变信息物理系统的滑模控制问题。假设攻击者以概率的形式向控制信号发送虚假数据。首先,在积分形式的框架下,设计了模态依赖的滑模面。其次,通过选取适当的Lyapunov函数,给出了相应系统随机稳定性的充分条件。进一步,在欺骗攻击和不确定性情况下构造适当的滑模控制律,使得半马尔科夫跳变系统的状态在有限时间内驱动到滑模面。最后,通过数值仿真验证了所得结论的有效性。2)研究了随机欺骗攻击下T-S模糊半马尔科夫跳变信息物理系统的滑模控制问题。首先,基于T-S模糊策略建立了滑模控制模型。其次,考虑半马尔科夫跳变系统中执行器故障和欺骗攻击发生的情况,设计了公共滑模面避免了因滑模面频繁跳跃而引起的系统不稳定。基于一般不确定转移概率,给出了相应系统随机稳定性的充分条件。进一步,设计滑模控制律驱动系统状态到指定的滑动区域。最后,通过一个单连杆机械臂模型验证了结论的有效性。3)研究了随机欺骗攻击下T-S模糊广义半马尔科夫跳变信息物理系统的滑模控制问题。首先,为了避免滑模面频繁跳跃引起的系统不稳定,构造了公共滑模面函数。然后,基于部分未知转移概率与随机欺骗攻击,建立了相应系统随机容许性的充分条件。进一步,设计了适当的滑模控制律将系统状态驱动到指定的滑动区域。最后,通过仿真实例验证了结论的有效性。

关键词：半马尔科夫跳变系统欺骗攻击滑模控制 T-S模糊 Lyapunov函数

奇异半马尔科夫跳变系统的有限时间控制和滤波

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奇异半马尔科夫跳变系统的有限时间控制和滤波

作者：刘雪华江南大学

学位级别：硕士

实际系统的结构和参数有时会发生变化,可能是因为遭遇到环境条件突变、设备故障突发或者工作点突变等。作为一种混杂系统,马尔科夫跳变系统(Markov Jump Systems,MJSs)可以用来描述这种随机的情况。与MJSs相比,半马尔科夫跳变系统(Semi-... 详细信息

实际系统的结构和参数有时会发生变化,可能是因为遭遇到环境条件突变、设备故障突发或者工作点突变等。作为一种混杂系统,马尔科夫跳变系统(Markov Jump Systems,MJSs)可以用来描述这种随机的情况。与MJSs相比,半马尔科夫跳变系统(Semi-Markov Jump Systems,SMJSs)不仅服从单一的指数分布,也服从高斯分布、威布尔分布等其它更一般的分布,在实际场景中有着更广泛的应用。另外,奇异系统是由代数方程表示的快变子系统和微分方程或差分方程表示的慢变子系统构成的系统,也在实际的应用中发挥着重要作用,比普通的状态空间系统更具有一般性,可以描述系统的更多特征,广泛用于电力系统和经济系统等。奇异半马尔科夫跳变系统(Singular Semi-Markov Jump Systems,SSMJSs)能够更加准确地描述实际系统,随着奇异系统和SMJSs相关研究的发展,SSMJSs的分析和综合问题逐渐得到重视。另一方面,稳定性分析是系统研究的一个重要问题,通常情况下,关于Lyapunov稳定性的研究较多,这种情况下通常构造Lyapunov函数或者Lyapunov-Krasovskii泛函,以其导数判断是否渐近稳定,关注系统在无限的时间范围内的系统状态,这反映了系统的稳态性能。然而实际应用中,比如机器人系统和导弹系统等,需要关注系统的暂态性能,即系统在有限的时间范围内的系统状态。本文针对SSMJSs,应用随机系统理论和Lyapunov函数理论,研究了系统的有限时间控制和滤波问题,给出了闭环系统有限时间稳定和有界的充分条件,并且设计了控制器和滤波器。主要研究内容分为以下三部分:首先,研究SSMJSs的有限时间状态反馈控制问题。采用Lyapunov函数的方法,通过构造新的半正定类Lyapunov函数,给出闭环系统正则、无脉冲和有限时间稳定的充分条件,进一步设计状态反馈控制器,求得控制器的增益矩阵。随后,考虑幅值有限的扰动输入,用同样的方法,设计控制器,使得闭环系统是正则、无脉冲和有限时间有界的。通过矩阵变换,处理半马尔科夫跳变耦合项,而对于条件中的难以求解的等式条件,通过分解矩阵并构造新的矩阵,将等式转换为线性矩阵不等式的形式。通过数值仿真证明条件的有效性。然后,研究基于事件触发的SSMJSs的有限时间控制问题。通过定义新的函数,把离散事件触发方案下的网络诱导时延转换为系统中的时滞。研究的问题就转化为特殊的具有时变时滞的SSMJSs的有限时间控制问题,但是要注意,此时时变时滞的导数与一般时变时滞系统的导数不同。通过构造新的Lyapunov-Krasovskii泛函,借助Jensen不等式和Wirtinger型不等式,给出闭环系统正则、无脉冲和有限时间有界的充分条件。同样,可通过矩阵的构造和分解,处理条件中的等式条件和耦合项。通过实例仿真证明方法的有效性。最后,研究SSMJSs的异步有限时间H滤波问题。对于系统的模态与滤波器的模态之间的异步现象,通过引入隐马尔科夫的模型处理。应用Lyapunov函数的方法,通过构造类Lyapunov函数,给出充分条件使得滤波误差系统正则、无脉冲和有限时间有界,同时具有H性能指标。进一步选取具有特殊结构的矩阵,引入松弛矩阵来处理系统矩阵与Lyapunov函数矩阵之间的耦合,并消除对Lyapunov函数矩阵的部分约束,设计滤波器,求得滤波器的参数矩阵。通过数值算例验证判据的有效性。

关键词：奇异系统半马尔科夫跳变系统有限时间镇定事件触发控制有限时间滤波

多源输入半马尔科夫跳变系统的容错控制器设计

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多源输入半马尔科夫跳变系统的容错控制器设计

作者：张暖笛北京交通大学

学位级别：硕士

近年来,科技的迅速发展使得对控制系统性能的要求更加严苛。在实际工业过程中,因受到随机参数变化等的影响,系统的结构和参数会发生改变。马尔科夫跳变系统由于其自身系统特性对这类复杂系统具有强大的建模能力,因而受到控制界和工程界... 详细信息

近年来,科技的迅速发展使得对控制系统性能的要求更加严苛。在实际工业过程中,因受到随机参数变化等的影响,系统的结构和参数会发生改变。马尔科夫跳变系统由于其自身系统特性对这类复杂系统具有强大的建模能力,因而受到控制界和工程界学者的广泛关注,并且其研究成果越来越多地被应用到实际系统中。然而,因其转移概率矩阵是时不变的,许多实际系统常常无法满足这一要求而限制了其相关理论的应用。半马尔科夫跳变系统由于放松了对转移概率矩阵时不变的限制,因此其实际应用范围更广泛。另一方面,由于系统自身结构的复杂性和环境的多变性,未建模动态、信息通道的噪声、执行器故障和外界扰动等广泛存在于实际系统中,对这类含有多源输入复杂系统的研究可以提高控制系统的性能。因此研究多源输入半马尔科夫跳变系统的容错控制问题有着重要的理论意义和实际价值。本文研究了含有多源干扰和时变故障的半马尔科夫跳变系统的复合分层容错控制问题;当可建模干扰为不匹配干扰时,研究了含有不匹配干扰和时变故障的半马尔科夫跳变系统的积分滑模控制问题;进一步研究了基于事件驱动半马尔科夫跳变系统的复合积分滑模控制问题。主要创新点如下:(1)研究了含有多源干扰和时变故障的半马尔科夫跳变系统的复合分层容错控制问题。其中多源干扰包括可建模干扰和能量有界干扰,在被控对象中考虑三种类型的故障(常值故障、正弦故障、斜坡故障)。通过设计降阶观测器,结合H∞控制方法提出了具有特殊形式的复合分层容错控制方法。其中,复合分层容错控制器包含一个状态反馈控制和两个前馈控制。通过一个仿真算例验证了在三种故障类型情况下所提出的复合分层容错控制方法的有效性。(2)研究了可建模干扰作为不匹配干扰时,半马尔科夫跳变系统的积分滑模控制问题。首先通过设计干扰观测器和故障诊断观测器,得出干扰和故障的误差系统,分析误差系统的稳定性并求出观测器的增益矩阵。然后结合积分滑模控制方法提出基于干扰观测器的积分滑模控制方法来保证系统的随机稳定性并能有效地抵消干扰和补偿故障。进一步,为了减少控制器的计算次数,引入事件触发控制策略。通过设计合适的事件触发机制,提出基于事件驱动的复合积分滑模控制方法使得在保证系统稳定性的前提下减少通信资源的浪费。最后通过仿真算例验证了在三种故障类型情况下所提出的上述两种控制器的有效性。

关键词：半马尔科夫跳变系统容错控制抗干扰控制积分滑模控制

广义半马尔科夫跳变系统的T-S模糊滑模控制

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广义半马尔科夫跳变系统的T-S模糊滑模控制

作者：杨旭曲阜师范大学

学位级别：硕士

广义系统,又称奇异系统,可以用来描述系统的更多性能特征,广泛应用于电力系统等实际系统。马尔科夫跳变系统的驻留时间服从指数分布,其转移概率为常数,在一定程度上是保守的。而半马尔科夫跳变系统的转移概率函数不仅服从指数分布,而且... 详细信息

广义系统,又称奇异系统,可以用来描述系统的更多性能特征,广泛应用于电力系统等实际系统。马尔科夫跳变系统的驻留时间服从指数分布,其转移概率为常数,在一定程度上是保守的。而半马尔科夫跳变系统的转移概率函数不仅服从指数分布,而且服从韦伯分布、高斯分布等。由于半马尔科夫跳变系统具有松散的概率分布条件,它比马尔科夫跳变系统得到了更广泛的应用。另一方面,滑模控制也具有对参数摄动不敏感、响应速度快、鲁棒性强、暂态性能好等优点。而T-S模糊系统可以用较少的规则来逼近某些非线性函数,非常适合建立非线性系统的近似数学模型。因此,有必要研究T-S模糊滑模控制问题。为此,本论文在半马尔科夫跳变系统的框架下,重点研究了非线性广义半马尔科夫跳变系统的随机稳定性分析、滑模控制、H非脆弱观测器、T-S模糊控制和变时时滞等问题。论文主要包括下面四章。首先,第一章介绍了本课题的研究背景及意义,以及介绍了半马尔科夫跳变系统,广义系统,T-S模糊系统和滑模控制的国内外研究现状。此外,给出了本文的工作及创新之处。第二章研究了具有时变时滞的T-S模糊非线性广义半马尔科夫跳变系统的滑模控制问题,提出了一种新的模糊积分型滑模控制。首先,构造了一个模糊积分滑模面函数,并给出了滑模动态系统的鲁棒随机稳定性的充分条件。然后,构建一个模糊积分型滑模控制律,其可以在有限时间内将动态系统的轨迹驱动到预先设计的模糊滑模面上。最后,通过实例验证了该方法的有效性和优越性。第三章研究了基于H非脆弱观测器的具有时变时滞的T-S模糊非线性广义半马尔科夫跳变系统的滑模控制问题。提出了一种模糊的积分滑模面函数,建立了可行的LMI矩阵不等式条件,用以保证具有一般转换率的滑模动态和误差系统能够在H扰动衰减水平g下随机稳定。进一步,设计了滑模控制律,保证滑模面的有限时间可达性。最后,通过实例验证了数值计算结果的有效性。第四章对本文所研究的问题进行了总结,并对未来的发展方向进行了展望。

关键词：非线性广义系统半马尔科夫跳变系统时变时滞滑模控制 T-S模糊系统 H∞观测器

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半马尔科夫跳变T-S模糊系统的控制问题

半马尔科夫跳变T-S模糊系统的控制问题

作者：高萌曲阜师范大学

学位级别：硕士

马尔科夫跳变系统因其驻留时间服从指数分布,使得该系统的转移概率为时不变函数矩阵,给系统的应用带来了一定的局限性。而半马尔科夫跳变系统的驻留时间服从非指数分布,具有更广泛的应用价值。另一方面,T-S模糊逻辑理论为复杂非线性系... 详细信息

马尔科夫跳变系统因其驻留时间服从指数分布,使得该系统的转移概率为时不变函数矩阵,给系统的应用带来了一定的局限性。而半马尔科夫跳变系统的驻留时间服从非指数分布,具有更广泛的应用价值。另一方面,T-S模糊逻辑理论为复杂非线性系统的分析与综合提供了一种有效方法,它可以以任意精度逼近连续非线性系统。基于这一现状,本文利用T-S模糊逻辑理论,研究了半马尔科夫跳变系统的量化有限时间控制和滑模控制问题。主要研究内容如下:1)研究了非线性半马尔科夫跳变T-S模糊系统的有限时间量化控制问题。本文首次研究了基于对数量化器的有限时间控制的输入量化问题。针对如何在存在量化误差的情况下设计基于T-S模糊模型的有限时间控制律这一问题,本文利用Lyapunov函数,通过在给定的有限时间区间上建立与驻留时间相关的充分条件,分析了有限时间有界性的性能;然后将结果进一步转化为标准的线性矩阵不等式形式,并给出了量化控制器的具体形式;最后通过电路仿真实例,验证了有限时间控制方案的有效性。2)研究了具有时变时滞的半马尔科夫跳变T-S模糊系统的滑模控制问题。首先为了降低保守性,在不假定输入矩阵具有全列秩的情况下,设计了一个积分型滑模曲面;然后基于Lyapunov泛函理论,给出了使闭环系统随机稳定的充分条件,并扩展到输入矩阵独立于对象规则的情况;此外还建立了模糊滑模控制器,以保证可以在有限时间内将状态轨迹驱动到预先设计的滑动曲面上;最后通过单连杆机器臂模型验证了所述方法的优越性。3)研究了含有半马尔科夫过程的It（?）随机模糊系统的滑模控制问题。首先利用增补变量技术和模型转换方法,将相位型半马尔科夫跳变系统等价转换为其伴随马尔科夫跳变系统;然后设计积分型滑动曲面,提出了使闭环系统鲁棒随机稳定的充分条件;此外还构造了模糊滑模控制器,以确保伴随马尔科夫跳变T-S模糊系统满足可达性条件;最后通过数值仿真,说明了所得结论的可行性。

关键词：半马尔科夫跳变系统 T-S模糊模型 Lyapunov函数有限时间有界性量化控制滑模控制