您好,欢迎来到飒榕旅游知识分享网。
搜索
您的当前位置:首页线性定常时滞系统的鲁棒控制

线性定常时滞系统的鲁棒控制

来源:飒榕旅游知识分享网
60 线性定常时滞系统的鲁棒控制 线性定常时滞系统的鲁棒控制 Robust Control of Linear Time-invariant Time-delay Systems 王常宇 (大连交通大学电气信息学院,辽宁大连116028) 摘 要 在建立线:陛定常时滞系统模型的基础上,给出了时滞系统是独立鲁棒稳定的条件,并利用Lyapunov理论给予一些定 理的证明,同时设计出了使闭环系统时滞独立鲁棒稳定的状态反馈控制器(即时滞独立鲁棒镇定问题),最后给出的一个数 值例子中用Matlab编程求出了符合条件的正定矩阵和控制律,从算例结果验证了所得出的结论。 关键词:线性时滞系统,鲁棒控制,线性矩阵不等式 Abstract Based on the model of a linear time-invariant systems with time delay,this paper gives the conditions of independent robust stability about delay system,and giving some theorems proof by Lyapunov theory,at the same time,designing a state feedback controller,it can keep closed-loop time-delay system independent robust stability(delay independent robust stabi— iization problem).at last,giving a numerical example,and getting positive definite matrices and control law which meets the conditions by MATLAB programming.can verify conclusions frOm the numerical results Keywords:linear time—delay systems,robust control,linear matrix inequality 时滞系统” 是指系统中一处或者几处的信号传递有时间延 迟的系统,也称之为延迟系统。控制系统中普遍都存在时滞现 X(f)=fi0(f),Vt∈[ ,0] 式中x(t)∈R 是系统的状态向量,t是时间变量,y(t)∈R 是 系统的输出向量,A,A ∈R 是已知的系统矩阵,C表示适合维数 的常数矩阵,△A是相应维数的不约定矩阵,‘p(t)是一个连续的矢 量初值函数,T表示系统时滞,满足O<T<oo,也可以是时变函数。 定义1如果考虑将上述的式子中的△A设为O,那么由如 下方程描述的系统就是线性时滞定常系统(即它没有不确定性, △A=O): ( )=Ax(f)+肖, (t-下),下≥0 (1) 象,它的存在会造成系统控制无论在理论分析上还是工程实际 中都有特殊的困难,这就会使系统难以稳定,所以说近年来对时 滞系统的研究具有很大挑战性。 目前研究时滞系统的控制的方法有很多,如传统的PID控 制,它对控制原理简单,可靠性高等优点。对于不确定时滞系统, 采用变速积分、积分分离等PID控制算法可以改善系统的性能, 但是这种方法只能在建立精确的模型前提下才能实现PID整 定,具有一定的局限性。如Smllh预估控制 的基本思想是预先 其中X(t)∈R 为状态变量,A,A ∈R 为定常矩阵,T≥O 为时间滞后量。 引理1 设£和 为两个相同维数的实数列向量,则对于 任意的标量X>O,下式成立: 2£,rI≤ .8’s+X.-q‘11 (2) 估计出系统的动态特性,然后有预估器对时滞进行补偿,从而提 高系统的稳定性,这种控制方法克服了前者对系统模型精度的 要求,但是不足之处在于进行时滞补偿的时候需要准确的数学 模型。自适应控制目前应用于许多领域,文献[3]这种方法是把 复杂的加工过程简化为一阶或者二阶的滞后系统来描述,利用 参数整定和参数优化的方法设计出自适应律,仿真结果也验证 了被控对象参数发生变化时系统有较好的鲁棒性,但是不足之 处在于要首先辨识模型的参数,否则不能达到理想的控制效果。 如模糊控制普遍应用在时滞系统中,这种控制是针对误差而进 行的,将输入量模糊化,再根据模糊控制方法计算控制量,最后 再将它反模糊化,此方法有较强的鲁棒性,但是计算效率不高, 并且控制大时滞时需要结合以上的控制方法。而鲁棒控制的主 要思想就是设计出一个控制器使得参数不确定性和外界扰动存 在时,闭环系统仍能保持稳定并能满足特定的动态性能品质。针 给予证明:对于任意的标量X>O,由于( V^ e一、/ )‘ (一 8一、/ 11)≥o,所以 8 8一 11+ X/^ ^ >0,即式(2)I成立。 引理2 A是渐进稳定的,且l lC(sl—A)’B l <1的充分必 l要条件是存在标量X>O和对称正定阵X满足下列Riccati不等 式方程 XA十A X+1T-XBB X+XCTC<0 n (3) 这里C和B为适当维数的定常矩阵。 对文献[4]中在数值分析时直接利用MATLAB软件给出结果的 情况,本文在线性时滞定常系统模型基础上,首先利用鲁棒控制 稳定性理论、Lyapunov稳定性理论等方法给出了系统经无记忆 状态反馈的鲁棒镇定的条件,其次用一个数值例子验证该方法 时,运用Matlab中特有的求解Riccati方程的语言程序求出反 馈控制律及正定矩阵,最后从结果可以看出鲁棒控制方法对解 引理3存在标量 >0和对称正定矩阵X满足Riccati不等 式方程(3)的充分必要条件为存在标量s>O,使代数Riccati方程: XA+A ^ XBB X+XCTC+£/:0 (4) 存在唯~的对称正定矩阵解X。为了方便起见,我们将系统 (1)中的定常矩阵A.分解成两个适当维数的矩阵之积,即存在两个 决时滞系统中存在的稳定性问题是有效的。 1 鲁棒稳定性分析 下面我们考虑线性时滞不确定系统: X(t)=(A十△A)x(t)私,x(t-'r) (f)=Cx(f) 适当维数的矩阵E和F使得A =EF,做到这一点是很容易的,取 E=I,F=A1或者E=A,F=I。一般地,如果E列满秩,F行满秩,且它们 的秩均等于A1的秩,那么下面得到的结论保守性较小。 定理1如果存在标量X>O和对称正定矩阵X使下列Ric— cati不等式方程: 《工业控制计算机/2011年第24卷第6期 61 XA十A X+ ̄XEETX十入 F(0 ^ (5) xA+ x+ ^ 一 B宣)x F+BI-0 0、 成立,那么系统是时滞独立鲁棒稳定的。 证明定理1l6_:设 和X分别为满足式(5)的标量和对称正 则存在对称正定矩阵解X。在后两种情况下,无记忆状态控 制器中Ko=一 B X。 定矩阵,我们构造如下李亚普诺夫泛函: x) ) + I X (s)FFx(S)ds (6) f二^ 并令Q=一(XA+A X+TT-XE ̄x+xK F)>0 (7) ^ 式(7)沿着系统(1)的解,对时间的求导数: (f)( +A 撇(f)+XxT(t)FTFx(t) (f_T)FZFx(t-'r) +2x‘(t)XA,x(t--r) (8) 对式(8)的最后一项,利用式A1=EF和引理1得到: 2x (f) IX(f)(f_T):2x (t)XE7F1x( -T)≤ 1 Xm(t)XETE ̄Xx(t)+ X.x‘(t--'r) x(t-T) (9) 将式(9)代人(8),利用式(7)进行整理可得: ≤_XT(t)Qx(t) 所以根据稳定性定理,系统(1)是时滞独立鲁棒稳定的。 如果标称系统状态矩阵A是渐进稳定的,那么存在对称正 定矩阵P,使下述、李亚普诺夫方程成立: ATP+PA:一21 (10) 定理2系统(1)是时滞独立鲁棒稳定的,如果: PA ll <7 (11) 这里矩阵P满足式(1O)。 2问题描述 下面我们来讨论对于给定的含有滞后状态的被控对象,如 何利用一些鲁棒稳定性定理来设计使闭环系统时滞独立鲁棒稳 定的状态反馈控制器,即时滞独立鲁棒镇定问题。 设含有滞后状态的被控对象由如下方程描述: x(f)=/4x(f) ,x(f—下)+Bu(f),T≥0 (12) 其中U∈RP为控制输入,B为适当维数的定常矩阵,将A 分解为A =EF。 对于上述被控对象,考虑设计状态反馈控制器: u(t)=Kox(t)+f(X(f-T) (13) 使得闭环系统为时滞独立鲁棒稳定的问题,式(13)中K。和 K 为适当维数的定常矩阵。当Kr=0时,式(13)变为: u(r)=Kox(f) (14) 此时,由于控制律中与时间滞后量无关,因而式(14)为无记 忆状态反馈控制器;对应地称式(13)为有记忆状态反馈控制器。 将式(14)代入系统(12)可得: x(f)=(A+BKo) (f)+ ,x( 一T),T≥0 (15) 定理3 对于给定的被控系统(12),存在无记忆状态控制 器使得闭环系统是时滞独立鲁棒稳定的,如果下列三个条件之 一是成立的: 1)存在适当维数的定常矩阵K0,使得A+BKo是渐近稳定的,且: l IF(sl—A-BKo) E【1 <7 (16) 2)存在标量X>0, >0和对称正定矩阵X满足下列Riccati 不等式方程: XA+A X+X(1 EE"一 日日 ) F<D (17) n U 3)存在标量X>0, >0和s>0,使下列代数Riccati方程: 证明:将 代人式(17)中,整理可得: A+BKo)+(A+BKo) ÷ _E X+XFF<O (19) 由定理1,当条件(2)成立时,闭环系统(15)是时滞独立鲁棒 稳定的。根据引理2和3,当条件(1)和(3)成立时,闭环系统(15) 也是时滞独立鲁棒稳定的。 3数值实例 下面我们给出一个无记忆反馈控制器的实例,根据考虑式 (17)的不等式方程,我们令RRT:lEET一!BB ,XF F:Q, : ,、 U 1, =1,E=I,根据矩阵的Schur补的性质,式(17)等价于: 【 加胴I D R X 一 另A=[: :;],月=-…0.5-…0.6],Q=…-2 0.8一] Matlab程序: A=卜1,一2;-1,一1]; B=[-0.5,一0.6;0 5,-0 4]: Q=卜2,0.8;0.8,一3】= %Initial a LMI system setlmis([]) ;%Define Variables %X is a symmetric matrix has a block size of 2 and this block is symmetric X=lmivar(1,[2 1]): Imiterm([1 1 1×】,1,A, s Imiterm([1 1 1 O],Q): ImIterm(【1 2 1 X】,B .1) :Imiterm([1*2 2 O],一1): Imis=getlmis [tmin,leas】=feasp(Imis) 最后调用X=dec2mat(Imis,feas,Q)即能得到我们所求的正 定矩阵: 一 J,ilif tmin:_0.9140< 有可行解; 显然X为对称的,经过计算得知X还为正定的,满足条件, 此时我们有: Ko=-击日 ] 则无记忆状态控制律为: ( ) 【一0.2273 0.0868 J ( ) 此例可以看出存在X>0, >0和对称正定矩阵X满足下列 Riccati不等式方程,所以系统是鲁棒稳定的。 4结束语 本文以线性时滞定常系统为研究对象,针对系统的鲁棒控 制和鲁棒镇定问题进行了研究,最后根据求解Riccati不等式方 程的Matlab语言编了一段求解矩阵的小程序,从算例结果验证 了所得结论。但是我认为在以下两个方面还有待进一步研究: 1)本文根据被控对象所设计的是无记忆状态控制器,具有 (下转第63页) 《工业控制计算机/2011年第24卷第6期 2.2灰色故障诊断的原理 灰色故障诊断的方法是灰色关联度分析。事物之间,因素之 间并不是孤立的,它们之间是存在联系的,灰色系统理论用关联 叠 故障诊断系统设置 量 一 度来作为这种联系的度量。其基本思想是从随机性的时间序列 f ~茹器 ~墨 ~器 一~{ …署 一 … 中找到关联性和关联性的度量,以便为因素分析,预测的精度分 i # I … i趣 … 。… ~ 嚣 …∞…~舞 …~~ { 麓 目螂 i 嚣 { 析提供依据,所以关联度分析可以用来对机械设备的故障诊断。 f 孵 译 ;r …H J 博 砒 薯 … 芋黼% u' 嘴 0 { 一… 因素X.和X.之间的关联系数为 t1),表示X.与X 比较关 一’ 9略 ∞ n q * , n b ∞ 口  {酗事目熙 口 0 n : Jr 黼蜘 D m ≥ ln∞  I f联性的采样点,定义 t1)为: 博一 产I潮 t辑一 n ;D * n m 1 }7) 赫 l e 2’… (8) 槲哺量l 挪糍-・霸 …一 _ 其中: 晌 赫 —一 _ / 自l —・--——--一 * — *一 △ (t1)= (t1)一 (t1) △m =max m A tt/) 图2故障诊断系统设置界面 本系统对文献[2]中 △ =mr 『门△ (t/) 轴承磨损量建立了 k∈(0,7) Gm(1,1)模型,对该 而X 和X。的关联度为 : 故障诊断及预测系 = 了;[ f/)+ }/)] (9) 统的精度进行了验 证。下面的是轴承磨 关联度 的大小反映了Xi和X.的关联程度,利用 的大 损量的Gm(1,1)模 小,就可以对系统的故障模式进行识别。利用关联度分析进行诊 型的实测值与计算 断的最大的特点是方法简单、计算量小、诊断结果可靠,而且便 值,预测值与实测值 于形成知识库中的规则。 的比较,预测结果 3基于灰色系统理论的知识表示 见图3。 图3预测结果与实测值实际值与计算值的比较 一个机械系统发生了故障,如果该系统的设计结构参数已 实际值与计算值的比较 知,故障结构未知,则该机械系统是灰色系统。从灰色诊断的原 理可以知道,故障诊断知识的灰色表示,即是一系列因素的时间 叫 (月只) 8一l【) 8 2O 9 10 9 20 10一l0 列数值文件和关联度阈值矩阵。时间序列数据库分为两类:静态 位移/珥_ls(测) 4 6 4 9 5 3 5 9 6 8 7 6 8 6 数据列表库和动态数据列表库。静态数据列表库存放无故障和 计算值 4 6 4 73 5.33 6 0I 6 77 7.63 8 6l 沣:lmi1s=O 02564mm 故障标准症兆数据序列及关联度阈值矩阵,即潜水泵正常运行 时的时域波形数据、频谱图数据等。动态数据列表库存放潜水泵 预测值与实际值的比较 前一运行状态的各种图形数据:时域波形、频谱、振动峰值一峰值 】_lj{测值 9 72 趋势等。当前状态的对象与动态库中图形的关联度反映了其状 蛮测值 9 8 I( 19:j 态劣化快慢性及诱因,与静态库中的图形的关联度反映了潜水 通过实例发现,该故障诊断预测的精度可达到95%以上。 泵的故障种类。 4系统功能的实现 参考文献 系统采用面向对象的Visual B语言,实行模块化编程,便 [1]陈大禧,朱铁光.大型回转机械诊断现场实用技术[M].北京:机械工 于系统功能的扩展和维护,而且人性化的界面设计,给使用者带 业出版社,2002 来了极大的方便性。如图2所示为故障诊断系统参数设置和样 [2]虞和济,陈长征,张省,等.基于神经网络的智能诊断[M].北京:冶金 本添加界面。 出版社,2000 5应用实例 [3]邓聚龙灰预测与灰决策[M].武汉:华中科技大学出版社,2002 本故障诊断与预测系统具有对设备状态预测的功能。利用 [4]袁嘉祖灰色系统理论及应[M].北京:科学出版社,1992 【收稿日期:2011.4 25] (上接第61页) sator controller[J],Int.J.Contr,1980,32(6):937—94 一定的局限性。对于有记忆状态控制器的设计和有关结论有待 [3]V M.Glumov,S.D.Zemlyakov.V.Yu.Rutkovskii,and V.M 于研究。 Sukhanov,Application of the Principle of Design of Adaptive 2)鲁棒控制是一个应用很广泛的领域,但是控制领域最重 Systems with a Reference Model to Problems 0f Monitoring 要的是应用到实际问题当中,所以如何将鲁棒控制理论应用到 of a Current State of Transmission Shafts, Automation and 实际的工业过程中,这将是未来研究的方向。 RemoteControl,2003,64,(5):791—805 [4]张胜祥.线性时滞系统的稳定性和镇定问题[J].系统科学与数学, 参考文献 2005(8):466-470 [5]史忠科,等.鲁棒控制理论[M].北京:国防工业出版社,2003 [1]Niculescu S Delay effects on stability[M]L0ndon:Sp ringer— Verlag,2001 [6]廖晓昕稳定性的理论、方法和应用[J].武汉:华中科技大学出版社, [2]PaImor Z J. 1999 『收稿日期:201 1.4.17] Stability properties of Smilh dead time compen— 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- sarr.cn 版权所有

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务