切换正线性系统的耗散性及输出调节问题研究

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切换正系统是一类子系统为正系统的切换系统,具有重要的理论研究意义和广泛的工程应用背景。正性是正系统独特的性质,也是很多实际系统的自然属性。近年来,切换正系统的研究已经成为控制领域中的一个热点问题。然而,由于系统的正性和切换行为相互影响,使得切换正系统的动态行为更加复杂,进而增加了研究的难度。目前,切换正系统的研究还处于初步阶段,研究工具和研究方法都很不成熟。另一方面,耗散性理论是控制系统分析和设计的有力工具,并已形成系统的理论体系。但对于切换正系统,由于选择线性供给率和线性存储函数来描述耗散性,因此体现出新的特征。目前这方面的成果十分有限,大量的分析和设计问题亟待解决。本文研究了切换正线性系统的耗散性及输出调节问题。主要工作包含以下五个方面。(1)研究了切换正线性系统的耗散性以及相关性质。首先,利用多线性余正存储函数和多线性供给率描述了切换正线性系统的耗散性,提出了一个新的耗散性的概念,此概念不需要子系统满足经典的耗散性。其次,提出了一种新的非负状态空间的划分方法,设计了状态依赖的切换律,这种切换律不要求切换点处相邻子系统的线性余正存储函数必须相连,还允许一定程度的上升。然后,利用耗散性,设计出特殊形式的反馈控制器在子系统具有可检测性的条件下得到闭环系统的渐近稳定性。最后,得到了正性和耗散性在正反馈互联下的不变性。以及耗散性问题可解的充分条件是以线性向量不等式的形式给出,从而可以采用线性规划工具求解。(2)利用多线性余正存储函数方法,分别研究了连续时间和离散时间切换正线性系统的反馈耗散化问题。首先,在每个子系统均不具有耗散性的情形下,设计状态依赖型切换律使得切换系统是耗散的。其次,当仅仅依赖切换律不能实现切换系统的耗散性时,通过子系统控制器和状态依赖型切换律的双重设计,使得闭环系统是正的且具有耗散性。最后,研究了基于耗散性的镇定问题,并且得到了系统渐进稳定的充分条件。(3)通过构造一种新的余正Lyapunov函数,研究了切换正线性系统的稳定性和保成本问题。分别设计了两种不同的切换策略,一种是依赖连续时间策略,另一种是依赖采样策略。它们不仅使得切换系统是指数稳定的、满足一个预先给定的性能水平,而且降低了切换频率从而避免了 Zeno行为。进一步,建立了所研究问题的可解性条件。(4)基于多线性余正Lyapunov方法,研究了经典的输出调节问题的可解性。针对系统状态和外部输入可测的情形,设计出全信息反馈控制器和状态依赖型的切换律,保证了系统的正性且给出输出调节问题可解的充分条件;对于仅误差可测的情形,设计出误差反馈控制器和误差依赖型的切换律,使得输出调节问题可解。(5)在各子系统不同坐标变换框架下,考虑了未建模外部干扰对系统的影响,研究了切换正线性系统的几乎输出调节问题的可解性。分为两个部分,第一部分利用平均驻留时间方法,研究了子系统的几乎输出调节问题可解的情况,分别设计全信息反馈控制器和误差反馈控制器,保证了系统的正性并得到了问题可解的充分条件;第二部分研究了子系统的几乎输出调节问题不可解的情况,给出了在子系统状态反馈控制器和一个新的带有时间约束的状态依赖型切换律共同作用下问题可解的充分条件。此外,利用各子系统的坐标变换,降低了共同坐标变换的保守性。最后是本文的总结和展望。
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