前提不匹配的T-S模糊时滞系统的稳定性分析与镇定

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自从日本学者Takagi和Sugeno给出T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型的定义之后,为模糊控制理论的研究提供了更广泛的研究空间。而万能逼近原理的提出又为T-S模糊模型能够以任意精度逼近非线性系统提供了充分的理论依据。因此,通过T-S模糊模型的控制方法来分析和综合非线性系统的一些特性是行之有效的,并且也会取得比较好的控制效果。在实际工程系统中,随着工业生产技术的迅猛发展与计算机技术的广泛应用,使得控制系统中出现了越来越多的高度非线性和时间滞后的现象。而时滞的存在使得系统在控制理论分析和工程实践方面都有着特殊的困难,并且是造成实际系统中的控制性能指标严重恶化,使系统难以保持稳定状态的重要因素。因此,对于时滞系统稳定性的研究无论在控制理论方面还是在实际应用方面都有着广泛的研究价值。然而,直接对非线性时滞系统进行建模与控制是有很大困难的。鉴于T-S模糊模型能够很好的描述非线性系统,所以对于含有时滞的T-S模糊系统稳定性问题的研究受到国内外理论界以及工程界学者的广泛关注。本文受国家自然科学基金(60874084)的资助,提出了前提不匹配的T-S模糊时滞模型,此时该模型中的被控对象与模糊控制器拥有不同的隶属度函数。针对这类时滞系统,给出了改进的具有较小保守性的稳定性条件,鲁棒稳定性判据,以及不同于传统并行分布补偿(PDC)控制器的设计方法。该设计方法弥补了PDC设计方法的不足,并且提高了控制器设计的灵活性。分别研究了前提不匹配条件下连续和离散型的T-S模糊时滞系统时滞无关的稳定性以及相应的控制器设计问题。由于前提不匹配条件的提出,使得模糊控制器的隶属度函数可以选取不同于模糊模型的隶属度函数,因此与已有文献的分析方法不同的是,我们在分析过程中考虑了二者隶属度函数的信息,并且给出了二者隶属度函数之间的关系。所以得到了具有较小保守性的时滞无关的稳定性条件。同时基于该稳定性条件,给出了前提不匹配的控制器设计方法。该设计方法打破了传统并行分布补偿控制器设计方法对于模糊控制器设计的限制,使得模糊控制器的隶属度函数的选取有了更大的自由度,从而提高了控制器设计的灵活性。更重要的是当模糊模型的隶属度函数的结构非常复杂或者含有不确定参数时,该设计方法能够降低控制器执行的难度,并且避免了控制器无法执行的情况发生,进而保留了模糊控制器隶属度函数的内在鲁棒性。最后通过数值算例与仿真实例进一步验证了本文方法的有效性与优越性。讨论了前提不匹配条件下T-S模糊时滞系统的时滞相关稳定性以及镇定问题。首先通过构造新的Lyapunov泛函,利用积分不等式并结合自由权矩阵分析了常时滞T-S模糊系统的稳定性,得到保守性较小的稳定性条件。进一步给出了前提不匹配的时滞相关镇定的控制器设计方法。其次,将上述研究对象推广到区间变时滞的T-S模糊系统,引进了包含时滞上下界信息的新的Lyapunov泛函,并且利用改进的自由权矩阵方法代替了积分不等式的使用,整个分析过程中不仅没有进行不等式的放缩处理,并且包含了全部有意义的信息量。与已有文献的结果相比,能够获得更大的时滞上界,因此所得到的鲁棒稳定性判定准则具有更小的保守性。最后,通过数值算例以及仿真实例进一步验证了本文方法在降低保守性方面的有效性以及镇定方法的优越性。针对含有常时滞的前提不匹配的T-S模糊系统的时滞相关的鲁棒稳定性以及鲁棒镇定问题,提出了含有三重积分的增广Lyapunov泛函。利用积分不等式,并且结合带有少量自由权矩阵的参数化模型变换的分析方法给出了鲁棒稳定性的充分条件。与已有文献相比,本文中所选取的Lyapunov泛函更具有普遍意义,从而为各系统信息提供了比较宽松的约束条件,因此扩大了保证系统稳定的区域。而积分不等式的引入,使得引入的额外矩阵变量少于已有文献的结果,从而减少了计算的复杂度。因此所得到的鲁棒稳定性结果在减少保守性的同时,具有形式简洁,涉及决策变量少的特点,因此本文所提出的分析方法更加高效。同时,在稳定性条件的基础上给出了前提不匹配的时滞相关的鲁棒镇定方法,大大提高了控制器设计的灵活性,同时降低了控制器执行的难度。进一步,将上述分析方法应用到具有变时滞的T-S模糊系统的鲁棒稳定性问题的研究中,同样得到了具有较小保守性的鲁棒稳定性条件。因此三重积分的引入对于降低稳定性的保守性起到了至关重要的作用。最后通过仿真算例进一步说明本文方法的有效性与高效性。分析了前提不匹配条件下同时含有状态时滞和输入时滞的T-S模糊控制系统的时滞相关鲁棒稳定性问题。此时系统中的输入时滞与状态时滞均为时变时滞,且二者互不相等。与已有文献的分析方法不同的是,在分析过程中提出了包含输入时滞以及状态时滞信息的含有三重积分的增广的Lyapunov泛函,并且考虑了隶属度函数的信息,因此得到了具有较小保守性的稳定性条件。同时给出了此类不确定系统在稳定条件下的状态反馈增益的求解方法。最后,通过数值算例说明本文所得到的结果具有更小的保守性,而仿真实例验证了本文所得到的控制器设计方法的有效性。
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