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概率布尔网络可重构性分析与观测器设计

概率布尔网络可重构性分析与观测器设计

作者：樊卓优河南理工大学

学位级别：硕士

布尔网络作为模拟基因调控网络的一个重要模型,自提出以来就受到了广泛关注。近年来,由于系统生物学不断发展,布尔网络也衍生出了更多类型。在控制领域内广泛关注的除了带有控制输入信号的布尔控制网络以外,还有切换布尔网络和概率布尔... 详细信息

布尔网络作为模拟基因调控网络的一个重要模型,自提出以来就受到了广泛关注。近年来,由于系统生物学不断发展,布尔网络也衍生出了更多类型。在控制领域内广泛关注的除了带有控制输入信号的布尔控制网络以外,还有切换布尔网络和概率布尔网络,其中,概率布尔网络因为其与实际生物学系统更加相似,从而在理论和应用方面有着更加重要的作用。本文以概率布尔网络为主要研究对象,同时考虑带有控制输入的概率布尔控制网络,利用矩阵的半张量积运算,对概率布尔网络的可观性和可重构性问题进行了分析,并设计状态观测器,解决状态估计问题。主要研究内容如下:首先,由于布尔网络的可观性对系统的状态估计起着重要的作用,因此,本文首先分析了概率布尔(控制)网络的可观性问题,利用状态可达集的概念,定义了新的不同状态之间的可区分性集合。接着,利用状态耦合法和有限自动机法,分别分析了系统可观性问题,并给出了判断系统可观的条件。然后,针对概率布尔控制网络,利用状态集构建了可观性判断矩阵,并提出系统可观性判断算法,同时得到系统的初始状态。其次,研究了概率布尔网络的可重构问题,对系统进行状态估计。本文针对概率布尔网络的可重构性做了三部分探讨:其一是讨论了系统的周期可重构性,给出了可重构性的四种定义,并针对不同的定义给出了判别方法;其二是利用有限自动机的方法,根据有限自动机得到系统的加权对图,利用其顶点判断系统是否可重构,给出了系统是否可重构的判别定理;最后,探讨了概率布尔控制网络有限时间上的可重构性,利用状态集的方式给出了系统可重构矩阵,并给出了系统可重构的判断算法,对当前状态进行估计。最后,根据上述判别系统可重构性的方法设计观测器。本文给出了两种状态观测器的设计方法,分别是在有限时间可重构基础上设计的状态观测器和利用有限自动机原理设计的观测器,并应用MATLAB平台,对上述判别方式均给出具体实例进行验证。本文在结尾部分对已完成的工作进行了总结,并对未来可研究方向有了进一步展望。图17幅,表1个,参考文献62篇。

关键词：半张量积概率布尔网络可观测性可重构性观测器设计

一维ODE-Schr(?)dinger耦合系统的采样输出观测器设计与稳定性分析

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一维ODE-Schr(?)dinger耦合系统的采样输出观测器设计与稳定性分析

作者：刘文静太原理工大学

学位级别：硕士

作为重要的研究系统,采样控制系统在采样过程中仅把采样点的信息传输给控制器.因此,该方法减少了相当多的信息传输量,有效地节省了网络通信资源.其次,该方法有易于实施,效率高,可靠性高,成本低等优点.因此,采样方法在信号控制,电路系统... 详细信息

作为重要的研究系统,采样控制系统在采样过程中仅把采样点的信息传输给控制器.因此,该方法减少了相当多的信息传输量,有效地节省了网络通信资源.其次,该方法有易于实施,效率高,可靠性高,成本低等优点.因此,采样方法在信号控制,电路系统,神经网络等诸多领域得到广泛应用.在本文中,首先研究了由线性常微分方程(ODE)和偏微分方程(PDE)级联所组成的采样数据混合系统,并且偏微分方程为Schr(?)dinger方程.接着提出了一种小增益方法来分析这个动力学混合系统的指数稳定性.这一稳定性结果被证明在设计由ODE-PDE表示的级联系统的样本输出指数收敛观测器时是有用的.其次,研究了一个更大类别的采样数据级联系统,同样该系统是由有限维常微分方程和Schr(?)dinger方程表示的无限维系统组成,但是该章节是基于零阶保持(ZOH)测量的信号.值得注意的是,Schr(?)dinger方程包括反应项和对流项并允许更一般的边界条件.然后,使用小增益方法分析了这类混合系统的指数稳定性.这种稳定性分析被证明在设计某些类ODE-Schr(?)dinger系统的样本数据指数收敛观测器和指数稳定输出反馈控制器时非常有用.最后,针对这两类方程我们都通过具体实例验证了指数观测器的有效性的.

关键词： ODE-Schr(?)dinger级联系统 backstepping方法观测器设计输出反馈控制可测指数收敛观测器

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一类含有未知输入的切换系统的观测器设计

一类含有未知输入的切换系统的观测器设计

作者：庞颢喆辽宁大学

学位级别：硕士

切换系统是一类具有复杂动态特性的混杂系统,因其广泛的实际应用背景和重要的研究价值,己经成为混杂系统理论研究的一个国际前沿方向.观测器设计是实际切换系统中要着重考虑的问题之一.当切换系统中存在未知输入时,系统的观测器设计通... 详细信息

切换系统是一类具有复杂动态特性的混杂系统,因其广泛的实际应用背景和重要的研究价值,己经成为混杂系统理论研究的一个国际前沿方向.观测器设计是实际切换系统中要着重考虑的问题之一.当切换系统中存在未知输入时,系统的观测器设计通常要比一般的切换系统复杂的多.因此,研究含有未知输入的切换系统的观测器设计问题具有重要的科学意义和广泛的实际应用价值.虽然,针对切换系统观测器的研究已经有了很多优秀的结果,但是针对子系统都不具有强可检测性的含有未知输入的切换系统的观测器设计的研究尚不全面.本文在切换系统观测器设计中,构造降阶观测器,降低了观测器维数,使观测器结构更简单,并在Lyapunov函数中引入双时变函数,构造含切换能量下降率信息的Lyapunov函数,使提出的Lyapunov函数不必具有双降性,仅需在切换点处能量下降即可.论文的主要工作概括如下:第一章为绪论,首先介绍了什么是切换系统,其次对含有未知输入的切换系统的研究意义、方法及进展等进行概述,最后简要的介绍了本文的主要内容及框架构成.第二章研究了具有未知输入的线性切换系统并且它的子系统不具有强可检测性时在驻留时间切换下的降阶观测器的设计问题.首先利用时变——解耦坐标变换将未知输入与变换后的状态坐标子集解耦.其次,构造线性坐标变换,将系统状态分解为直接可用状态分量和非直接可用状态分量两部分,通过限制驻留时间的上界和下界,降低切换系统在切换时刻的能量,从而限制子系统Lyapunov函数的增长,进而得到降阶观测器的存在条件,并构造了降阶观测器.然后,本文还对动态误差切换系统进行了稳定性分析.最后通过算例验证了该方法的有效性.第三章是在第二章的基础上,研究带有未知输入的单边Lipschitz非线性系统的观测器设计问题.在本章中,首先利用时变——解耦状态坐标变换将未知输入与变换后的状态坐标子集解耦.其次,提出了一种基于驻留时间切换信号和线性矩阵不等式的新方法来设计该系统的降阶观测器,得到了保证降阶观测器存在的充分条件.然后对产生的闭环误差系统进行稳定性分析.最后,通过仿真例子验证了所提出方法的有效性.第四章总结论文的主要工作,并展望下一步的研究工作.

关键词：切换系统未知输入驻留时间切换观测器设计

基于观测器设计的机械臂执行器故障诊断方法研究

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基于观测器设计的机械臂执行器故障诊断方法研究

作者：邱秉钊沈阳工业大学

学位级别：硕士

随着现代化科学技术的不断进步,高度自动化与全面智能化的时代已经逐渐到来,使得机械臂备受关注。因机械臂具有工作空间大、自由度多、灵敏性足、成本低等优点,广泛的应用在各个领域。但长期高强度运行,元器件磨损老化以及外界环境复杂... 详细信息

随着现代化科学技术的不断进步,高度自动化与全面智能化的时代已经逐渐到来,使得机械臂备受关注。因机械臂具有工作空间大、自由度多、灵敏性足、成本低等优点,广泛的应用在各个领域。但长期高强度运行,元器件磨损老化以及外界环境复杂多变等一些因素,机械臂发生执行器故障是难以避免的。轻则会影响到机械臂的整体控制性能,重则会导致系统的崩溃。因此,研究机械臂故障诊断方法,保障系统的安全性与可靠性具有重要现实意义。本论文以机械臂为研究对象,针对执行器故障设计合理的故障诊断观测器,快速且准确地完成了故障检测、隔离与估计研究。论文的主要工作包括:(1)针对具有扰动的机械臂执行器故障检测与隔离过程中早期微弱故障的漏检率高、灵敏度低以及多故障隔离困难等问题,提出了一种滑模-Luenberger观测器以及专用观测器隔离方法。在考虑系统外部扰动的情况下,构造了残差产生与残差评价机制;设计了一组自适应阈值来保证故障检测与隔离的灵敏度;优化了观测器增益参数,且执行器早期微弱和常值突变故障同时被检测与隔离。最后,通过对单连杆柔性关节机械臂的仿真,验证了本方法的有效性。(2)针对具有扰动的机械臂执行器故障估计误差较大的问题,提出了一种鲁棒故障估计观测器设计方法。给出了具有H_∞跟踪性能的观测器存在的充分条件,并将其表示为线性矩阵不等式优化问题,抑制了外界扰动对故障估计结果的影响。最后,通过对单连杆柔性关节机械臂的仿真,验证了本方法的有效性。(3)针对特定时间范围内机械臂执行器故障估计问题,提出了一种基于有限时间观测器的鲁棒故障估计方法。使用线性非奇异变换将原系统解耦为两个降阶子系统,构造了两个有限时间观测器;设计了合理的诊断策略实现扰动与故障的同时估计;分析了观测器的有限时间稳定性;证明了估计误差对外界扰动的鲁棒性,保证其可在有限时间范围收敛至包含原点的邻域内。最后,通过对双连杆刚性机械臂的仿真,验证了本方法的有效性。

关键词：机械臂执行器故障故障诊断观测器设计

基于LMI的不确定系统鲁棒故障检测观测器设计

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系统工程与电子技术 2014年第6期36卷 1162-1168页

作者：钱华明彭宇崔玫富振铎哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

针对系统模型同时具有未知输入扰动和模型不确定性,提出了一种鲁棒故障检测观测器的设计方法。在不考虑系统模型误差的情况下,为降低设计的保守性,利用描述残差对故障灵敏度的H-指数和表示残差对未知输入鲁棒性的H∞范数以及一种新的迭... 详细信息

针对系统模型同时具有未知输入扰动和模型不确定性,提出了一种鲁棒故障检测观测器的设计方法。在不考虑系统模型误差的情况下,为降低设计的保守性,利用描述残差对故障灵敏度的H-指数和表示残差对未知输入鲁棒性的H∞范数以及一种新的迭代线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)算法解决H∞/H-的优化问题,设计了参考残差模型和自适应门限,并将观测器设计转化为LMI表述的标准H∞模型匹配问题,减小故障检测过程中误报、漏报率。仿真结果表明,设计的故障检测观测器对故障的灵敏度高,对不确定因素的鲁棒性强。

关键词：故障检测观测器设计线性矩阵不等式鲁棒性

基于LMI的H_-/H_∞故障检测观测器设计

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宇航学报 2012年第12期33卷 1747-1756页

作者：钱华明富振铎宁秀丽贺瑞哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001

针对系统模型的不确定性、未知输入扰动,为提高对干扰鲁棒性、待检故障敏感性及降低设计的保守性,提出了一种H-/H∞故障检测观测器设计方法,通过无损S-procedure将非凸约束问题转化为线性矩阵不等式(LMI)约束,采用Schur补引理将H-/H∞... 详细信息

针对系统模型的不确定性、未知输入扰动,为提高对干扰鲁棒性、待检故障敏感性及降低设计的保守性,提出了一种H-/H∞故障检测观测器设计方法,通过无损S-procedure将非凸约束问题转化为线性矩阵不等式(LMI)约束,采用Schur补引理将H-/H∞故障检测观测器设计转化为凸优化问题的LMI表述;设计了自适应门限以减小故障检测过程中的误报、漏报率。故障检测观测器的设计是借助凸优化问题的数值计算,使设计过程便于实现。提出的算法使未知扰动的鲁棒性及待检故障的敏感性之间具有最优平衡。仿真验证表明,所提算法使残差具有快速的收敛性、较短的故障检测时间。

关键词：故障检测线性矩阵不等式观测器设计鲁棒性

带有传感器故障的不确定分数阶系统观测器设计

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东北大学学报（自然科学版） 2019年第5期40卷 619-624页

作者：张雪峰刘博豪东北大学理学院辽宁沈阳110819

在考虑带有传感器故障和存在量测噪声的条件下,设计了不确定分数阶系统的状态观测器.通过利用增广矩阵和根据矩阵秩不变的性质,把不确定分数阶系统增广为广义分数阶不确定系统.根据线性矩阵不等式的分数阶系统稳定性判据,考虑分数阶次在... 详细信息

在考虑带有传感器故障和存在量测噪声的条件下,设计了不确定分数阶系统的状态观测器.通过利用增广矩阵和根据矩阵秩不变的性质,把不确定分数阶系统增广为广义分数阶不确定系统.根据线性矩阵不等式的分数阶系统稳定性判据,考虑分数阶次在1 器故障和量测噪声的准确估计.为了能在实际应用中得到更好的结果,将观测器改进为不带输出导数的形式.通过仿真算例验证了结果的有效性.

关键词：不确定分数阶系统渐近稳定性线性矩阵不等式观测器设计传感器故障量测噪声

Lipschitz广义非线性系统观测器设计

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控制理论与应用 2007年第2期24卷 205-209页

作者：刘艳红李春文王玉振吴热冰楚冰郑州大学电气工程学院河南郑州450001 清华大学自动化系北京100084 山东大学控制科学与工程学院山东济南250061 普林斯顿大学 Frick 实验室美国普林斯顿nj08544

研究一类广义非线性系统的观测器设计问题．首先讨论了半正定Lyapunov函数下指数1广义非线性系统稳定及渐近稳定性,然后对一类由线性和Lipschitz非线性项组成的广义非线性系统,给出了渐近稳定观测器存在的条件,并把观测器反馈增益矩阵... 详细信息

研究一类广义非线性系统的观测器设计问题．首先讨论了半正定Lyapunov函数下指数1广义非线性系统稳定及渐近稳定性,然后对一类由线性和Lipschitz非线性项组成的广义非线性系统,给出了渐近稳定观测器存在的条件,并把观测器反馈增益矩阵的设计归结为广义线性系统容许控制以及奇异值计算问题,证明了若容许广义线性系统矩阵的最小奇异值大于系统的Lipschitz常数,容许控制器增益矩阵就是待求的观测器反馈增益矩阵。

关键词：广义非线性系统观测器设计渐近稳定奇异值

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一类非线性系统观测器设计的新方法

系统工程与电子技术 2009年第1期31卷 153-157页

作者：董亚丽天津工业大学理学院天津300160

研究一类非线性系统的观测器设计问题。应用微分中值定理转化误差动态系统为等价系统。使用凸理论并结合构造Lyapunov函数,给出非线性误差动态渐近趋于零的三个充分条件,并提出观测器增益矩阵的构造方法。提出的方法既能用于连续非线性... 详细信息

研究一类非线性系统的观测器设计问题。应用微分中值定理转化误差动态系统为等价系统。使用凸理论并结合构造Lyapunov函数,给出非线性误差动态渐近趋于零的三个充分条件,并提出观测器增益矩阵的构造方法。提出的方法既能用于连续非线性系统,也可用于离散非线性系统。最后,通过一个数值例子验证了所得结果的有效性。

关键词：非线性系统中值定理状态估计观测器设计观测器增益