非線性擾動的時滯廣義大系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定與H∞控制

趙 樂， 馬躍超， 劉德友

(燕山大學(xué) 理學(xué)院 河北 秦皇島 066004)

非線性擾動的時滯廣義大系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定與H∞控制

趙 樂， 馬躍超， 劉德友

(燕山大學(xué) 理學(xué)院 河北 秦皇島 066004)

針對一類非線性擾動的時滯廣義大系統(tǒng)，研究其魯棒H∞混合反饋控制器的設(shè)計問題.基于有界實引理，應(yīng)用線性矩陣不等式方法，構(gòu)造Lyapunov函數(shù)，進而得出條件使得不確定廣義大系統(tǒng)漸進穩(wěn)定并且可以解得H∞混合控制器.求解對應(yīng)的線性矩陣不等式(LMIs)可以得到所需的魯棒H∞控制器，使在控制器作用下的閉環(huán)系統(tǒng)漸進穩(wěn)定，且滿足了一定的性能指標，并且抑制了干擾的影響.

非線性擾動； 時滯依賴； 廣義大系統(tǒng)； 分散H∞混合控制

0 引言

近些年來，有關(guān)不確定大系統(tǒng)魯棒控制的研究取得了許多成果[1-4].而廣義系統(tǒng)又是比正常系統(tǒng)更加廣泛的一類系統(tǒng)，能更好的描述實際生產(chǎn)過程，且廣義大系統(tǒng)理論在許多實際問題如：工程技術(shù)，社會經(jīng)濟，生物生態(tài)等各領(lǐng)域都有應(yīng)用.因此研究廣義大系統(tǒng)有重要意義，而且在廣義大系統(tǒng)控制方面也取得了成果.如文獻[5]針對帶有控制輸入時滯和關(guān)聯(lián)時滯均為時變的不確定時滯大系統(tǒng)，利用線性矩陣不等式的方法，研究了其魯棒鎮(zhèn)定問題.文獻[6]對具有輸入時滯的非線性不確定時滯系統(tǒng),研究其魯棒非脆弱H∞控制器設(shè)計問題.文獻[7]利用穩(wěn)定理論和矩陣理論，研究了廣義大系統(tǒng)的分散魯棒狀態(tài)反饋保性能H∞控制率問題.關(guān)于具有參數(shù)不確定性，廣義時滯大系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計問題都在很多文獻中體現(xiàn).而對帶有非線性擾動的廣義時滯互聯(lián)大系統(tǒng)的混合控制及H∞控制的研究比較少，本文通過構(gòu)造廣義Lyapunov函數(shù)及線性矩陣不等式來研究非線性廣義時滯大系統(tǒng)的混合控制器的設(shè)計方法，并得出了使其穩(wěn)定及H∞控制器存在的條件，使閉環(huán)系統(tǒng)在保持一定的H∞性能條件下漸進穩(wěn)定.

1 問題描述與準備知識

考慮一類由N個子系統(tǒng)∑i構(gòu)成的廣義非線性時滯大系統(tǒng)∑，子系統(tǒng)∑i為

(1)

其中：xi(t)∈Rni；ui(t)∈Rmi；ωi(t)∈L2([0,∞],Rri)；zi(t)∈Rqi分別是系統(tǒng)的狀態(tài)向量、控制輸入、干擾輸入和控制輸出；Ei,Ai,Adi,Bi,Di,C1i,C2i,Cdi,Hij是已知的適當維數(shù)的實常矩陣；Ei是奇異矩陣且rank(Ei)=ri≤ni；ΔAi(t),ΔAdi(t)是適維不確定矩陣且滿足如下條件：

(2)

非線性函數(shù)fi(·)滿足條件：

?ai,bi,di>0:‖fi(·)‖≤ai‖xi(t)‖+bi‖xi(t-di(t))‖+di‖ωi(t)‖.

(3)

定義1 系統(tǒng)(E,A)是正則的，如果det(SE-A)不全等于零；系統(tǒng)(E,A)無脈沖，如果(E,A)正則且deg(det(SE-A))=rank(E).

假設(shè)1 系統(tǒng)(Ei,Ai,Bi)穩(wěn)定且無窮能控.

對于系統(tǒng)(1)，若采用反饋控制律

ui(t)=Liyi(t)+Kixi(t)+Kdixi(t-di(t)),t≥0,i=1,2,…,N，

(4)

則閉環(huán)系統(tǒng)為：

(5)

定義2 考慮帶有控制器(4)的系統(tǒng)(1)，且滿足下列條件：當ω(t)=0, 帶有控制器(4)的閉環(huán)系統(tǒng)(1)是漸進穩(wěn)定的；在初始條件下ω(t)和z(t)有界：

其中:γ>0. 在上面的條件中，系統(tǒng)(1)在控制器(4)作用下是漸進穩(wěn)定的，控制器(4)稱為系統(tǒng)(1)的H∞混合控制器.變量γ稱為H∞混合控制器的性能指標.

2 主要結(jié)果

引理2[8]對適當維數(shù)的實矩陣A,B,X,Y,Z和奇異矩陣S，則有：

(6)

引理3[9]若X,Y為具有適當維數(shù)的矩陣，對任意的矩陣Γ=ΓT>0，和任意常數(shù)γ>0，則有：

XTY+YTX≤XTΓY+YTΓ-1X,XTY+YTX≤γXTY+γ-1YTX.

(7)

引理4[10]對任意常數(shù)矩陣Z=ZT>0，有下面積分不等式：

(8)

(9)

則在控制器(4)的作用下，閉環(huán)系統(tǒng)(5)漸進穩(wěn)定且具有H∞性能指標γ.

證明 考慮閉環(huán)系統(tǒng)(5)和Lyapunov-Krasovskii函數(shù)：

(10)

對式(10)沿閉環(huán)系統(tǒng)(5)求導(dǎo)并由引理3和條件(3)得：

又由條件(2)和引理2可得：

(11)

(12)

由Schur式(12)等價于式(9)，所以

(13)

因此，?s≥0，有

證畢.

3 總結(jié)

本文利用Lyapunov和線性矩陣不等式方法，針對具有不確定性和非線性擾動的時滯廣義大系統(tǒng)，考慮到不確定性和非線性擾動對此系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，研究了使該系統(tǒng)穩(wěn)定及H∞混合反饋控制器的設(shè)計方法，在保證閉環(huán)系統(tǒng)滿足一定的性能指標條件下，使閉環(huán)系統(tǒng)漸進穩(wěn)定，抑制干擾的影響.

[1] 史國棟，沃松林，鄒云. 參數(shù)不確定廣義大系統(tǒng)的保性能分散控制[J]. 控制理論與應(yīng)用，2005，22(6)：913-918.

[2] Tlili A S，Braiek N B.H∞Optimization-based decentralized control of linear interconnected systems with nonlinear interconnections[J]．Journal of the Franklin Institute，2014，351(6)：3286-3304.

[3] Ma Yuechao，Jin Shujie，Gu Nannan. Delay-dependent decentralised control for a class of uncertain similar interconnected systems with state delay and input delay[J]．International Journal of Systems Science，2015,46(16):2887-2896.

[4] 方建印，王莉萍，叢梅艷. 一類不確定非線性離散時滯系統(tǒng)的魯棒鎮(zhèn)定問題[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版，2006，38(3)：446-449.

[5] 張佐剛，吳慧明. 一類不確定時滯大系統(tǒng)的分散魯棒鎮(zhèn)定[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，29(4)：694-696.

[6] 侯曉麗，邵誠. 具輸入時滯的非線性不確定時滯系統(tǒng)的魯棒非脆弱H∞控制[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2012，25(4)：10-16.

[7] 趙金輝.不確定廣義大系統(tǒng)的分散保性能控制[J]. 曲阜師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，38(2)：58-63.

[8] Boyd S，Ei-Ghaoui L，F(xiàn)erron E，et al. Linear Matrix Inequalities in Systems and Control Theory[M]. Philadelphia:SIAM，1994.

[9] Chen B S，Chen Y Y. Nonlinear fuzzyH∞guidance law with saturation of actuators against maneuvering targets[J]．IEEE Trans，Control Syst，2002，10(6)：769-779.

[10]Sun Jian，Liu Guoping，Chen Jie，et al. Improved delay-range-dependent stability criteria for linear systems with time-varying delays[J]．Automatica，2010，46(2)：466-470.

(責任編輯：王浩毅)

Robust Stabilization andH∞Hybrid Control for Nonlinear Time-delay Singular Large-scale Systems

ZHAO Le， MA Yuechao， LIU Deyou

(CollegeofScience,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

The research of stabilization andH∞control for the nonlinear large-scale time-delay systems with nonlinear perturbation was studied. Based on the bounded real lemma, LMI method and a novel Lyapunov-Krasovskii functional, a new delay-dependent sufficient condition for the existence of stabilization and hybrid controller had been given. The controller could be obtained by solving the corresponding linear matrix inequality. This controller designed could make the closed-loop systems asymptotically stable,as well as satisfyingH∞properties to achieve disturbance attenuation.

decentralizedH∞hybrid control； singular large-scale system； time-delay； nonlinear perturbation

2015-07-25

國家自然科學(xué)基金資助項目，編號61273004；河北省自然科學(xué)基金資助項目，編號F2014203085.

趙樂(1990—)，女，山東德州人，碩士研究生，主要從事復(fù)雜大系統(tǒng)研究，E-mail：zhaole200907036@163.com.

趙樂，馬躍超，劉德友.非線性擾動的時滯廣義大系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定與H∞控制[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2015，47(4)：43-46.

O231.2

A

1671-6841(2015)04-0043-04

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.04.008