非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的切換模糊控制方法的研究

1、    非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的切換模糊控制方法的研究    鄧躍陽(yáng)明劉小海何昕【摘 要】網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（ncss）是一種將傳感器、執(zhí)行器和控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的分布式控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)裝置的優(yōu)點(diǎn)是成本低，靈活性高和布線少，在安裝和維護(hù)上大大減少勞動(dòng)力成本，但它在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可避免地會(huì)引入網(wǎng)絡(luò)延遲和數(shù)據(jù)丟失，這可能會(huì)導(dǎo)致控制效果變?cè)?，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，這也是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。切換模糊控制就是為系統(tǒng)設(shè)計(jì)切換控制器，且切換控制器的子控制器是模糊控制器的控制方法。切換模糊控制方法是一類新型的重要混雜控制方法，是以切換系統(tǒng)理論和模糊系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的新型

2、控制方法，具有重要的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；切換模糊控制；時(shí)滯【abstract】networked control systems （ncss） are distributed control systems with sensors， actuators and controllers communicating via a network. this system setup has the advantage of low cost， flexibility and less wiring， the use of network reduces substan

3、tially the labor costs in installing and maintaining the control system， but it also inevitably invites some delays and data loss into the design procedure， which can lead to degradation in control and even instability. this poses a significant challenge in ncs. switched fuzzy control is a control s

4、cheme that a switched controller is designed for the system whose sub controllers are all fuzzy controllers. switched fuzzy control is an important new type of hybrid control scheme， based on switched system theory and fuzzy systems theory， has important theoretical value and broad prospect of appli

5、cation.【key words】networked control system； switched fuzzy control； time-delay0 引言網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（圖1）是通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，它具有信息資源共享、布線簡(jiǎn)單、系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)方便、可靠性和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)的引入，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可回避的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了負(fù)面影響，甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于在一些化學(xué)過(guò)程、生物工程、機(jī)械和導(dǎo)航領(lǐng)域中，這些實(shí)際工業(yè)控制過(guò)程中存在非線性。而穩(wěn)定是一切控制系統(tǒng)正常進(jìn)行的必要前提，因此，對(duì)非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析具有更大的實(shí)用價(jià)

6、值，而切換模糊方法就是目前網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的一種新型研究方法。1 切換系統(tǒng)antsaklis 在 ieee ac 的混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)?？?中指出，切換系統(tǒng)是混雜系統(tǒng)中極其重要的一種類型，切換系統(tǒng)是由一組連續(xù)時(shí)間子系統(tǒng)和決定子系統(tǒng)之間如何切換的切換規(guī)則所組成，它的運(yùn)行情況由切換規(guī)則（又稱切換信號(hào)或切換律）所決定.在運(yùn)行過(guò)程中，切換規(guī)則決定在每一時(shí)刻切換到哪個(gè)子系統(tǒng)，它通常是依賴于狀態(tài)或者時(shí)間的分段常值函數(shù)，切換系統(tǒng)具有較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，便于分析與實(shí)際應(yīng)用，是混雜系統(tǒng)中一類重要的簡(jiǎn)化模型。在數(shù)學(xué)中，對(duì)于一個(gè)由m 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的連續(xù)切換系統(tǒng)通常用下面的模型來(lái)描述1。2 模糊系統(tǒng)模糊控制是以模糊集合論作為數(shù)學(xué)

7、基礎(chǔ)的，它的誕生是以la.zadeh1965年提出模糊集理論為標(biāo)志的。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展己經(jīng)逐步完善，尤其在應(yīng)用領(lǐng)域成果比較顯著。模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于諸如在測(cè)量數(shù)據(jù)不確切、要處理的數(shù)據(jù)量過(guò)大以致無(wú)法判斷它們的兼容性和一些復(fù)雜可變的被控對(duì)象等場(chǎng)合是非常合適的。與傳統(tǒng)控制器依賴于系統(tǒng)行為參數(shù)的控制器設(shè)計(jì)方法不同的是模糊控制器的設(shè)計(jì)是依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)。而模糊控制器參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是從過(guò)程函數(shù)的模糊模型產(chǎn)生的規(guī)則來(lái)進(jìn)行的，所以改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制規(guī)則。模糊控制具有相當(dāng)?shù)闹饔^性，是其缺點(diǎn)之一，但是通過(guò)不斷的發(fā)展和多種控制方法的融合，其控制效能在逐漸變優(yōu)。模糊控制的基本定義是

8、：模糊控制器的輸出是通過(guò)觀察過(guò)程的狀態(tài)和一些如果控制過(guò)程的規(guī)則的推理得到的。模糊控制器的這一定義主要是基于以下三個(gè)概念：測(cè)量信息的模糊化、推理機(jī)制和輸出模糊集的精確化。測(cè)量信息的模糊化是將實(shí)測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為在該語(yǔ)言變量相應(yīng)變量相應(yīng)論域內(nèi)不同語(yǔ)言值的模糊子集。推理機(jī)制使用數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，它的作用是根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息來(lái)決定模糊控制的輸出子集。模糊集的精確化計(jì)算是將推理機(jī)制得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰和確定輸出控制量的過(guò)程，模糊控制在實(shí)際應(yīng)用中取得了很大的成功。模糊控制器的構(gòu)造技術(shù)也在不斷的發(fā)展和完善，在大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及工藝技術(shù)的發(fā)展中不斷成熟。3 切換模糊控制方法對(duì)于切換模糊

9、系統(tǒng)，自1998年由rainer palm和dimiter driankov提出的切換模糊混雜系統(tǒng)模型以來(lái)，越來(lái)越受到關(guān)注8，9-17。doo jin choi，poogyeon park等針對(duì)一類簡(jiǎn)單的離散時(shí)間切換模糊系統(tǒng)，提出了一種基于狀態(tài)反饋的穩(wěn)定性分析和保性能控制器設(shè)計(jì)方案11。楊紅等給出了一類包括連續(xù)時(shí)間和離散時(shí)間的模糊系統(tǒng)的模型建模、穩(wěn)定性分析與控制器設(shè)計(jì)方案10。文獻(xiàn)11針對(duì)一類確定的切換模糊系統(tǒng)，提出了一種魯棒控制問(wèn)題綜合方法。使用切換技術(shù)及l(fā)yapunov函數(shù)方法構(gòu)造出連續(xù)狀態(tài)反饋控制器，使得對(duì)于所有允許的不確定，閉環(huán)系統(tǒng)能漸近穩(wěn)定。文獻(xiàn)12分析了一類離散切換模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性

10、，使用切換術(shù)及單、多l(xiāng)yapunov函數(shù)方法，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器，對(duì)于每個(gè)切換系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)pdc控制器。文獻(xiàn)13-14針對(duì)一類具有時(shí)滯的離散時(shí)間t-s切換模糊系統(tǒng)，分別結(jié)合h2，h圾性能指標(biāo)，分析了閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)滯依賴穩(wěn)定性問(wèn)題。劉毅，趙軍針對(duì)帶有時(shí)滯的切換模糊系統(tǒng)，根據(jù)pdc方法，設(shè)計(jì)了模糊狀態(tài)反饋控器，給出了系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件及切換律15。文獻(xiàn)16利用多l(xiāng)yapunov方法和公共lyapunov函數(shù)方法，研究了一類不確定離散切換模糊系統(tǒng)的魯反饋控制問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)輸出重構(gòu)狀態(tài)方程，并設(shè)計(jì)控制器及切換律，給出了使得系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的lmi條件。文獻(xiàn)17研究了一類非線性ncs的鎮(zhèn)定問(wèn)題性ncs建模為

11、包含一個(gè)穩(wěn)定的模糊子系統(tǒng)和一個(gè)可能不穩(wěn)定的模糊子系統(tǒng)，通過(guò)pdc方法設(shè)計(jì)控制器，并最終得到了系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的充分條件。 目前并行分布補(bǔ)償方法（pdc）5-7和分段型李亞普諾夫函數(shù)方法被較多的用于分析以t-s模糊模型建模的非線性系統(tǒng)。pdc方法對(duì)每一個(gè)局部線性模型一個(gè)線性反饋控制器，得到的全局控制器是每一個(gè)獨(dú)立控制器的模糊綜合。4 小結(jié)對(duì)于目前的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論體系發(fā)展比較成熟了，主要研究方法有切換系統(tǒng)、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、容錯(cuò)控制等方法。由于模糊系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)且發(fā)展時(shí)間尚短，其理論體系還很不完善，與切換理論相結(jié)合后產(chǎn)生的成果仍然很少，有許多問(wèn)題需要解決。因此，隨著切換系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，研

12、究切換模糊系統(tǒng)的混雜控制問(wèn)題已成為必然。切換模糊系統(tǒng)控制理論的研究在很大程度上依賴于模糊控制理論、切換系統(tǒng)穩(wěn)定性理論的發(fā)展，切換系統(tǒng)和模糊系統(tǒng)在工程中的廣泛應(yīng)用預(yù)示著切換模糊系統(tǒng)將會(huì)有很好的發(fā)展前景。【參考文獻(xiàn)】1cheng d z，guo l，lin yd，et a1.stabilization of switched linear systemsj.ieee transactions on automatic control， 2005， 50（5）： 661-666.2liberzon d，morse as.basic problems instability and design of

13、 switched systemsj. ieee control systems magazine， 1999， 19（5）： 59-70.3zadeh l a.fuzzy setsj.information and control，1965，vol.8（3）：338-353.4zadeh la.outline of a new approach to the analysis of complex systems and decision processesj. ieee transactions on smc， 1973， vol.3（1）： 28-44.5takagi t， sugeno

14、 m.fuzzy identification of systems and its applications to modeling and controlj.the ieee trans on systems， man and cybernetics， 1985， vol.15（1）：116-163.6tanaka t， sugeno m. stability analysis and design of fuzzy control systemsj.fuzzy sets and systems， 1992， v01.45（2）： 135-156.7wang l x.adaptive fu

15、zzy systems and control：design and stability analysism. new jersey： prentice-hall 994： 200-350.8doo jc，poo g p. guaranteed cost controller design for discrete-time switch fuzzy systemsj. ieee transactions on systems， man and cybernetics， 234（1）：110-120.9a.s.morse. supervisory control of families of

16、linear set-point controllers，part l： exact matching，ieee transactions on automatic control，1996，41：1413-1431.10yang h，georgi m. dimirovski， jun zhao.switched fuzzy systems： representation modeling， stability analysis， and control designc. proceedings of 3rd international ieee conference intelligent

17、systems， 2006： 306-310.11楊紅，趙軍.一類不確定切換模糊系統(tǒng)的魯棒控制j.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006， v01.27（7）：713-715.12楊紅，趙軍，張樂(lè).一類離散切換模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性j.控制理論與應(yīng)用， 2007，v01.24（5）：861-865.13xia zl.delaydependent generalized h2 control for discrete-time t-s fuzzy systems based on a switching fuzzy model and piecewise lyapunov functionc. fift

18、h international conference on fuzzy systems and knowledge discovery，2008：243-247.14xia zl， li jm.delay-dependent h control for t-s fuzzy systems based on a switching fuzzy model and piecewise lyapunov functionj. acta automatic sinca， 2009， vol. 35（9）： 1235-1239.15劉毅，趙軍.一類切換模糊時(shí)滯系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制j. 控制與決策，2008， v23（4）：445449.16金艷，劉毅.一類不確定離散切換模糊系統(tǒng)的魯棒輸出反饋控制j.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，v01