廣義T-S模糊系統(tǒng)的魯棒控制(6月28日)

1、密級(jí)： 廣義T-S模糊系統(tǒng)的魯棒控制Robust Control for Descriptor T-S Fuzzy Systems學(xué) 院：理學(xué)院專 業(yè) 班 級(jí)：信息與計(jì)算科學(xué)0602班學(xué) 號(hào)：060701030學(xué) 生 姓 名：王亞歌指 導(dǎo) 教 師：蘇曉明 （教授） 2010年6月I 摘 要在實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中，各種時(shí)域上的硬約束條件是廣泛存在的。對(duì)控制系統(tǒng)的高性能要求，往往意味著需要較大的控制動(dòng)作，這樣就產(chǎn)生了高性能要求和滿足時(shí)域硬約束之間的矛盾。如果只考慮系統(tǒng)性能，而不考慮時(shí)域硬約束，求出的控制量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了約束的范圍。在這種情況下，就不能保證閉環(huán)系統(tǒng)需要的性能，甚至可能會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定

2、的現(xiàn)象。所以說時(shí)域硬約束是控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素。廣義T-S模糊系統(tǒng)是在T-S模糊系統(tǒng)模型與廣義系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上衍生的而來的，近年來，廣義T-S模糊系統(tǒng)在控制理論、電路、經(jīng)濟(jì)、機(jī)械以及其它領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)廣義T-S模糊系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)，基于廣義Lyapunov穩(wěn)定性理論和橢圓不變域方法，利用線性矩陣不等式(LMI)技術(shù)，分別研究了系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題和H控制問題。首先，考慮初始狀態(tài)在非零情況下的不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，將系統(tǒng)輸出能量作為優(yōu)化性能指標(biāo)，得到了優(yōu)化性能指標(biāo)和系統(tǒng)橢圓不變域的共同上界。通過最小化系統(tǒng)的這個(gè)

3、上界實(shí)現(xiàn)了廣義T-S模糊系統(tǒng)的優(yōu)化控制，同時(shí)可以用橢圓不變域來得到系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。其次，當(dāng)存在外部干擾時(shí)，進(jìn)一步考慮不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)干擾抑制問題，用雙橢圓域方法尋找到了滿足時(shí)域硬約束的充分條件的約束H控制策略。尋找到初始狀態(tài)所在的一個(gè)橢圓域，在閉環(huán)系統(tǒng)滿足一定的不等式并假設(shè)外部干擾的能量小于某個(gè)界的條件下，確定另一個(gè)包含系統(tǒng)所有可能狀態(tài)的橢圓域。從而得到依賴于這個(gè)橢圓域的滿足時(shí)域硬約束的充分條件。關(guān)鍵詞：廣義T-S模糊系統(tǒng)；時(shí)域硬約束；最優(yōu)控制；H控制AbstractTime-domain hard constraints are probably the most widely

4、existent in practice control systems. It is well recognized that performance requirements for control systems imply large control actions. All of these result in the conflict between high performance and satisfaction of time-domain hard constraints. If one ignores these constraints and only performa

5、nce is treated, control action will exceed the bounds greatly. In such case, performance of closed-loop system wouldnt be guaranteed, even of stability. So time-domain hard constraints must be handled in some control system design.Descriptor T-S fuzzy system is a combination of both T-S fuzzy modula

6、r and descriptor system. Recently, there has extensive application in control theory, circuits, economics, mechanical systems and other areas. So it is of significant practical meaning to study the problem of descriptor T-S fuzzy system. Based on the descriptor Lyapunov theorem and the ellipsoidal i

7、nvariant sets methods, by using linear matrix inequalities (LMI), in this article, the optimal regulation problem and H control problem for uncertain descriptor T-S fuzzy systems have been considered.First, considering the optimal regulation problem for uncertain descriptor T-S fuzzy system with non

8、-zero initial state, we choose the energy of output as performance function, is the common super-bound for the performance and an ellipsoidal invariant set. So the optimal control can be realized by minimizing bound, and sufficient conditions dependent on the ellipsoidal invariant set for satisfying

9、 system stability are derived.Then, when external disturbance exists, further consideration disturbance restraint on uncertain descriptor T-S fuzzy system, we seek H control satisfying time-domain hard constraints with double-ellipsoidal-set. We seek an ellipsoidal set which includes initial state,

10、with closed-loop system satisfying some inequation and under the bound assumption of the external disturbance energy, we seek another ellipsoidal set containing all possible condition, and sufficient conditions dependent on the ellipsoidal invariant set for satisfying time-domain hard constraints ar

11、e derived.Keywords: Descriptor T-S fuzzy system; Time-domain hard constraints; Optimal regulation; H control目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1課題背景11.2 廣義T-S模糊系統(tǒng)模型的提出21.3 廣義T-S模糊系統(tǒng)的研究意義41.4 廣義T-S模糊系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀51.5 全文主要研究工作6第2章 預(yù)備知識(shí)72.1 廣義T-S模糊系統(tǒng)描述72.2 平行分配補(bǔ)償控制器82.3 廣義T-S模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性分析92.4 線性矩陣不等式102.5 S-Procedure132.

12、6 小結(jié)15第3章 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的最優(yōu)控制163.1 引言163.2 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)描述163.3 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的最優(yōu)控制193.4 小結(jié)28第4章 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的H控制294.1 引言294.2 問題描述294.3 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的H控制294.4 小結(jié)35第5章 結(jié)論36參考文獻(xiàn)38致 謝40III 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1課題背景美國加里福尼亞大學(xué)LAZadeh教授在1965年提出的Fuzzy set開始了模糊控制的歷史，從此模糊數(shù)學(xué)學(xué)科發(fā)展起來了。自從1974年英國工程師EHMandani首先按模糊集合

13、理論組成了模糊控制器用于蒸氣機(jī)的控制，使模糊控制得以廣泛的發(fā)展并且在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中取得了成功。在此后的20年中取得了迅速的發(fā)展，不論是在理論方面還是在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，模糊控制理論都逐漸顯示出其自身的活力。1985年由Takagi和Sugeno提出了T-S模糊模型1，T-S模糊系統(tǒng)2通過一些模糊規(guī)則給出非線性系統(tǒng)的局部線性表示，Cao SG等人在文獻(xiàn)3中進(jìn)一步證明了T-S模糊系統(tǒng)可以以任意精度逼近的致密集U上的連續(xù)實(shí)函數(shù)，T-S模糊系統(tǒng)從而成為了研究非線性系統(tǒng)的一個(gè)重要工具。作為T-S模糊系統(tǒng)的推廣，文獻(xiàn)4和5給出了廣義T-S模糊系統(tǒng)的定義。文中TTaniguchi等人對(duì)廣義T-S模糊系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)

14、定性分析和控制器的設(shè)計(jì)，采用了增廣系統(tǒng)的方法解決了廣義T-S模糊系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣E的問題，給出了廣義T-S模糊系統(tǒng)的基本的分析方法，并應(yīng)用線性矩陣不等式研究了其穩(wěn)定性。之后，關(guān)于廣義T-S模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制策略及應(yīng)用研究取得了一定的成果6-10。文獻(xiàn)6-10對(duì)基于T-S模糊模型的廣義T-S模糊系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，給出了各種鎮(zhèn)定控制器的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)10研究了基于廣義T-S模糊系統(tǒng)的魯棒H控制問題，大都基于LMI方法，在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定并滿足一定性能指標(biāo)的前提下，給出了各種控制器的設(shè)計(jì)方法。但值得注意的是，現(xiàn)有廣義T-S模糊系統(tǒng)的研究基本上是基于T-S模糊系統(tǒng)模型的推廣研究，主要涉及系統(tǒng)

15、穩(wěn)定性、H控制以及保性能控制三個(gè)方面問題；盡管廣義T-S模糊系統(tǒng)與正常系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很大的差別，但針對(duì)其控制策略的研究大多是沿用正常系統(tǒng)中所使用的方法，因此廣義T-S模糊系統(tǒng)的控制理論在模型的構(gòu)建、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、控制器的設(shè)計(jì)等方面都有待改進(jìn)。1.2 廣義T-S模糊系統(tǒng)模型的提出廣義系統(tǒng)11(也稱為廣義動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、奇異系統(tǒng)、微分-代數(shù)系統(tǒng))是一類擯棄了現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)物理屬性而抽象出來的一類數(shù)學(xué)模型，它是由微分-代數(shù)方程或差分-代數(shù)方程所描述的，更接近于實(shí)際，因此更加廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、軍事、經(jīng)濟(jì)、動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)及受限機(jī)器人領(lǐng)域當(dāng)中。著名的Leontief12宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)模型、具有快變生產(chǎn)過程和滿變生產(chǎn)過程的Von

16、 Neumann模型，含受控源的復(fù)雜電子網(wǎng)絡(luò)等常常導(dǎo)致這類系統(tǒng)。對(duì)于廣義系統(tǒng)我們可以表示為11： (1-1)其中分別表示狀態(tài)變量、輸入變量和時(shí)間變量，和是的維向量函數(shù)。當(dāng)時(shí)。通過適當(dāng)數(shù)學(xué)運(yùn)算，系統(tǒng)可以變?yōu)檎Ｏ到y(tǒng)。線性時(shí)不變廣義系統(tǒng)理論是廣義系統(tǒng)理論中一個(gè)基本的研究分支，線性時(shí)不變廣義系統(tǒng)狀態(tài)方程通常如下13： (1-2) 其中，一般為奇異矩陣，分別為適當(dāng)維數(shù)的狀態(tài)、輸入和輸出向量，為時(shí)間變量。其它為適當(dāng)維數(shù)的定常矩陣，為系統(tǒng)的狀態(tài)系數(shù)矩陣，為輸入系數(shù)矩陣，為輸出系數(shù)矩陣。特別地，當(dāng)時(shí)，式（1-2）表示一個(gè)正常的時(shí)不變系統(tǒng)。自從20世紀(jì)70年代初 Rosenbrock H. H在研究復(fù)雜電路網(wǎng)

17、絡(luò)系統(tǒng)中首次提出廣義系統(tǒng)模型14以來，廣義系統(tǒng)的研究己從基礎(chǔ)向縱深發(fā)展，涉及了從線性到非線性,從連續(xù)到離散，從確定性到不確定性,從無時(shí)滯到時(shí)滯，從線性二次型最優(yōu)控制到H2控制和H控制等各個(gè)專題。人們對(duì)廣義系統(tǒng)的研究傾注了極大熱情，獲得了豐富的成果15- 16。但由于廣義系統(tǒng)自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)特征使得在應(yīng)用這些方法和策略時(shí)，從設(shè)計(jì)到實(shí)施,都顯得有些繁瑣與復(fù)雜。經(jīng)典控制成功與否取決于精確的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的控制算法，大都采用狀態(tài)空間法。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，常常出現(xiàn)由于被控過程過于復(fù)雜難以建立數(shù)學(xué)模型、或過程參數(shù)變化太快、太大，任何單一的數(shù)學(xué)模型都不能滿足要求的情形，在這樣的情況下，經(jīng)典的控制方法失效。

18、模糊控制正是在這些情況下應(yīng)運(yùn)而生的。1965年，美國控制理論學(xué)家扎德創(chuàng)建了模糊控制集合理論，提出了模糊控制技術(shù)17。1974年，英國的馬丹寧首次將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，取得了成功，開創(chuàng)了工業(yè)模糊控制的先河。模糊控制技術(shù)是以模糊集合論、模糊語言變量與模糊邏輯為基礎(chǔ)的一種非線性控制方法。在常規(guī)控制方法中，人們用傳遞函數(shù)或者邏輯方程和數(shù)學(xué)方程精確地描述控制器的輸入輸出特性，而在模糊控制器中則使用語言型模糊控制策略來描述模糊控制器的控制特性。模糊控制策略是對(duì)過程操作人員的推理和判斷知識(shí)加以提煉后形成的，它是由模糊算子“or”將單一的“If-Then”規(guī)則聯(lián)接在一起的模糊控制規(guī)則。其基本

19、形式為18：If(條件1 and/or 條件2) Then(結(jié)論1 and/ or 結(jié)論2)or ：If(條件1 and / or 條件2)Then(結(jié)論1 and / or 結(jié)論2)or ：If(條件1 and / or 條件2) Then(結(jié)論1 and / or 結(jié)論2)模糊控制器由模糊化、模糊推理及去模糊化三部分組成，其中的控制規(guī)則即是上文提到的模糊控制策略。模糊控制可以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。當(dāng)系統(tǒng)為多輸入多輸出、時(shí)變及滯后系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜或難以建立，使得不能用常規(guī)控制方法來控制系統(tǒng)。而模糊控制因建立在對(duì)過程的語言經(jīng)驗(yàn)之上，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，可用來解決上述問題。不僅

20、如此，模糊控制也適合于一般控制問題，其控制效果在快速性和魯棒性等方面都優(yōu)于常規(guī)控制器。但傳統(tǒng)的模糊控制器的控制規(guī)則是由專家經(jīng)驗(yàn)來決定的，因此其穩(wěn)定性和魯棒性等控制性能難以在理論上給予充分的證明?；趥鹘y(tǒng)的模糊控制的T-S模糊系統(tǒng)正是在這種背景下產(chǎn)生的。1985年，Takagi和Sugeno建立了模糊系統(tǒng)模型，其表達(dá)式如下：( is , is ) 其中：為輸出變量，為前件變量，為具有線性隸屬函數(shù)的模糊集。其特點(diǎn)為：系統(tǒng)的條件部分為模糊值，該部分的條件變量為確定的變量，可以是系統(tǒng)的狀態(tài)、輸出或任意的其它變量結(jié)論部分為確定值，表示了若干個(gè)動(dòng)態(tài)線性系統(tǒng)，可以用狀態(tài)空間方程描述。T-S模糊系統(tǒng)模型可以同

21、時(shí)處理數(shù)據(jù)信息和語言信息。語言信息的處理通過一組“If-Then”模糊規(guī)則來完成，而作為對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)的外部條件的數(shù)據(jù)信息，在模糊規(guī)則的后件部分中得到處理。模型中，模糊規(guī)則的后件部分給出了控制對(duì)象確切的數(shù)學(xué)描述，為模糊控制的理論分析提供了方便。近年來,T-S模糊系統(tǒng)的研究與應(yīng)用受到了廣泛的重視19- 21，穩(wěn)定性分析方法和各種控制器的設(shè)計(jì)方法逐漸成熟起來?？紤]到廣義系統(tǒng)豐富的實(shí)際背景，基于T-S模糊系統(tǒng)模型，TTaniguchi和KTanaka等人于1999年提出了廣義T-S模糊系統(tǒng)的概念。它的第條規(guī)則為：If is ，and is 廣義T-S模糊系統(tǒng)模型是由一組“if-then”規(guī)則

22、給出局部線性表示的非線性系統(tǒng)，每條模糊規(guī)則的后件部分為廣義系統(tǒng)形式的數(shù)學(xué)描述。經(jīng)過單點(diǎn)模糊化、乘積推理、中心加權(quán)反模糊化方法可將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)全局模型，這種處理有利于人們運(yùn)用經(jīng)典控制理論方法來研究該系統(tǒng)。1.3 廣義T-S模糊系統(tǒng)的研究意義對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)性能和魯棒性具有相同的重要性，人們希望閉環(huán)控制系統(tǒng)既具有較好的動(dòng)態(tài)性能，又具有較強(qiáng)的魯棒性。魯棒控制理論結(jié)合系統(tǒng)模型參數(shù)不確定性和外部擾動(dòng)不確定性的考慮，研究系統(tǒng)的魯棒性能分析和綜合問題，彌補(bǔ)了現(xiàn)代控制理論需要對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的缺陷，使得系統(tǒng)的分析和綜合方法更加有效、實(shí)用。針對(duì)廣義T-S模糊系統(tǒng)的魯棒控制策略研究也取得了一些成果。文獻(xiàn)1

23、0研究了不確定模糊廣義系統(tǒng)魯棒控制的若干問題，大都采用LMI方法，在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定并滿足一定性能指標(biāo)的前提下，給出了各種控制器的設(shè)計(jì)方法。如賀愛玲研究了廣義不確定系統(tǒng)的模糊滑模糊控制問題，控制結(jié)構(gòu)中采用模糊系統(tǒng)來補(bǔ)償動(dòng)態(tài)不確定性，利用李亞普諾夫理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)的所有狀態(tài)是全局有界的。對(duì)廣義T-S模糊系統(tǒng)進(jìn)行研究還只有不到十年的時(shí)間，其研究結(jié)果遠(yuǎn)不及模糊正常系統(tǒng)的成果那么完善。在已有的廣義T-S模糊系統(tǒng)的研究結(jié)論中，大多是采用一個(gè)公共的可逆矩陣來解決關(guān)于穩(wěn)定性的分析和各種控制器的設(shè)計(jì)等問題，這使得所導(dǎo)出的結(jié)果具有一定的保守性，對(duì)人們關(guān)注最多的不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的魯棒性能，研究成果不是很

24、多。由于不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用性，因此本課題的研究具有極其深遠(yuǎn)的意義。1.4 廣義T-S模糊系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀到目前為止，廣義T-S模糊系統(tǒng)理論的研究思路大多是借鑒正常模糊系統(tǒng)的理論，并將其推廣和移植到廣義T-S模糊系統(tǒng)中，其研究方法主要是狀態(tài)空間方法。狀態(tài)空間方法(或稱時(shí)域方法)，是對(duì)采用狀態(tài)空間描述的廣義T-S模糊系統(tǒng)主要運(yùn)用矩陣運(yùn)算和矩陣變換的計(jì)算方法。狀態(tài)空間法刻畫問題的方式簡潔直觀，所得結(jié)果清晰明了，且可設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件支持而適宜在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算求解，因而該方法應(yīng)用最廣，己經(jīng)深入到了廣義T-S模糊系統(tǒng)的分析與綜合的方方面面。另外，目前流行的LMI方法，由于具有能揭示系統(tǒng)的內(nèi)部

25、結(jié)構(gòu)且易于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)成為了時(shí)域狀態(tài)空間的基本研究方法，也是本文所采用的主要方法。自從TTaniguchi和KTanaka等人提出廣義T-S模糊系統(tǒng)的定義并給出廣義T-S模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性的基本分析方法以來，廣義T-S模糊系統(tǒng)的研究引起了人們的注意。關(guān)于廣義T-S模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，劉國義22研究了一類廣義T-S模糊系統(tǒng)的二次穩(wěn)定性與非線性模糊控制器設(shè)計(jì)的問題，給出了模糊極值子系統(tǒng)的定義，將模糊廣義系統(tǒng)的二次穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化為其模糊極值子系統(tǒng)的二次穩(wěn)定性問題的分析與研究，并利用模糊極值子系統(tǒng)給出了廣義T-S模糊系統(tǒng)二次穩(wěn)定的一個(gè)充分必要條件。時(shí)曉巖23 -24等人討論了廣義T-S模糊系統(tǒng)

26、二次穩(wěn)定性問題，得出了一個(gè)使系統(tǒng)二次穩(wěn)定的公共矩陣存在的必要條件，通過該必要條件可以預(yù)選判斷公共矩陣是否存在，從而減少在判斷模糊廣義系統(tǒng)二次穩(wěn)定性時(shí)的計(jì)算量。朱寶彥，張慶靈33等人利用Lyapunov方法，給出了離散廣義T-S模糊系統(tǒng)一致正則、因果和穩(wěn)定的定義，并研究了離散廣義T-S模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。1.5 全文主要研究工作本課題針對(duì)帶有時(shí)域硬約束的不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)，基于廣義Lyapunov穩(wěn)定性理論和橢圓不變域方法，利用線性矩陣不等式（LMI）技術(shù)研究帶有時(shí)域硬約束的不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性問題和控制器設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容如下：第1章，簡要介紹了廣義T-S模糊系統(tǒng)的背景、研究現(xiàn)狀

27、及意義，最后概述了本論文的研究內(nèi)容與主要工作。第2章，介紹了本文研究過程中所需要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和預(yù)備知識(shí)。首先介紹了廣義T-S模糊系統(tǒng)模型設(shè)及數(shù)學(xué)表達(dá)形式。然后簡要介紹了研究廣義系統(tǒng)所必需的一些基礎(chǔ)知識(shí)，包括線性矩陣不等式（LMI）、Schur補(bǔ)公式和S-Procedure引理。第3章，提出一種不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法。將系統(tǒng)的輸出能量作為優(yōu)化的性能指標(biāo)，得到該指標(biāo)的一個(gè)依賴于初始狀態(tài)的上界，同時(shí)它也是一個(gè)橢圓不變域的上界，那么不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的優(yōu)化控制就可以通過最小化系統(tǒng)的這個(gè)上界來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而可以用橢圓不變域方法得到滿足時(shí)域硬約束的充分條件。第4章，當(dāng)存在外部干擾時(shí)，進(jìn)一步

28、考慮不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)干擾抑制問題，提出了用雙橢圓域方法來尋找滿足時(shí)域硬約束的充分條件的約束控制策略。先尋找到初始狀態(tài)所在的一個(gè)橢圓域，然后在閉環(huán)系統(tǒng)滿足一定的不等式并假設(shè)外部干擾的能量小于某個(gè)界的條件下，確定另一個(gè)包含系統(tǒng)所有可能狀態(tài)的橢圓域，從而得到依賴于這個(gè)橢圓域的滿足時(shí)域硬約束的充分條件。第5章，總結(jié)全文工作，對(duì)其中的研究成果與不足進(jìn)行了分析。同時(shí)，也對(duì)今后的研究工作進(jìn)行了展望。第2章 預(yù)備知識(shí)2.1 廣義T-S模糊系統(tǒng)描述廣義系統(tǒng)是一類比正常系統(tǒng)更具廣泛形式的動(dòng)力系統(tǒng)，廣義系統(tǒng)理論也是20世紀(jì)70年代才開始形成并逐漸發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論的一個(gè)獨(dú)立分支，可以表示為其中分別表示狀

29、態(tài)變量、輸入變量和時(shí)間變量，是的向量函數(shù)；而。當(dāng)時(shí)，稱為非線性廣義系統(tǒng)。1999年，Tanaka等人將T-S應(yīng)用到非線性系統(tǒng)中，提出了廣義T-S模糊系，它的第條規(guī)則表示為：Ifis，andis, Then (2-1)其中表示第模糊模型規(guī)則，一般來說是奇異矩陣，。是模糊集，是模糊規(guī)則數(shù)。為狀態(tài)向量，為控制向量，為輸出向量。其他為適當(dāng)維的定常數(shù)矩陣，為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，為輸入矩陣，為輸出矩陣。表示前件變量，令。每一條模糊規(guī)則的后件部分中描述的系統(tǒng)稱為一個(gè)子系統(tǒng)，記作。由單點(diǎn)模糊化，乘積推理及加權(quán)平均解模糊化的推理方法可得系統(tǒng)(2-1)的全局模型： (2-2a) (2-2b) 其中其中是模糊集的隸屬函

30、數(shù)，且有2.2 平行分配補(bǔ)償控制器PDC設(shè)計(jì)方法由Kang和Sugeno最先提出的 。然而設(shè)計(jì)過程中并沒考慮穩(wěn)定性問題。在PDC設(shè)計(jì)過程中，每一個(gè)控制規(guī)則可以針對(duì)廣義T-S模糊模型中相應(yīng)的規(guī)則設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的模糊控制器和模糊模型規(guī)則對(duì)于精確的變量享有相同的模糊集，也就是說針對(duì)某個(gè)子模型設(shè)計(jì)的子控制器在全局控制器中所占的權(quán)重與該子模型在全局系統(tǒng)中所占的權(quán)重保持一致。對(duì)于廣義T-S模糊系統(tǒng)(2-2)，令為第子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器，則系統(tǒng)的PDC控制器可以描述為：Ifis and， ， and is ,Then其中是一個(gè)常反饋增益矩陣。那么整個(gè)控制器的輸出可以表示為： (2-3)對(duì)應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)為

31、： (2-4a) (2-4b)其中 2.3 廣義T-S模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮穩(wěn)定性。Lyapunov 1892年給出了穩(wěn)定、漸近穩(wěn)定的科學(xué)概念，引入了Lyapunov函數(shù)，建立了判定系統(tǒng)穩(wěn)定性定理。在這個(gè)框架下，線性、廣義系統(tǒng)己形成一套完整理論體系,并被廣泛研究。 Takagi和Sugeno提出T-S模糊模型，為模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析提供模型基礎(chǔ)。但是由于T-S模糊廣義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，目前，還沒建立一套完整的分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。考慮如下T-S模糊廣義模型： Ifis and, , and is, Then (2-5)定義2.113 系統(tǒng)(2-5)是一致正則的

32、，如果存在常數(shù)，使得。定義2.213 一致正則系統(tǒng)（2-5）是無脈沖的，如果。定義2.313 一致正則系統(tǒng)(2-5)是穩(wěn)定的，如果。其中。注2.1 若子系統(tǒng)正則，而全局系統(tǒng)不一定一致正則。注2.2 若子系統(tǒng)無脈沖，而全局系統(tǒng)不一定無脈沖。注2.3 若子系統(tǒng)穩(wěn)定，而全局系統(tǒng)不一定穩(wěn)定。定義2.413 系統(tǒng)（2-4）是漸近穩(wěn)定的，如果 (2-6)其中，Lyapunov函數(shù)為 (2-7)并且存在共同的非奇異矩陣滿足。注2.4 接下來的研究我們假設(shè)系統(tǒng)均是一致正則且無脈沖的。定理2.1 系統(tǒng)（2-5）是漸近穩(wěn)定的，如果存在共同的非奇異矩陣P滿足 (2-8a) (2-8b)2.4 線性矩陣不等式 線性矩

33、陣不等式(LMI)方法已經(jīng)成為解決控制工程、系統(tǒng)辯識(shí)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的一個(gè)強(qiáng)有力工具。LMI方法的廣泛應(yīng)用主要是基于以下三種因素：1.大量的設(shè)計(jì)規(guī)范和約束能夠用LMI來表示；2.一旦能表示成LMI問題，問題就能用有效的凸優(yōu)化算法來求得；3.具有多約束或多目標(biāo)的問題用LMI方法往往能夠得到很好的解決。定義2.125 線性矩陣不等式是具有如下形式的不等式 (2-9)是決定變量；對(duì)稱矩陣是已知的對(duì)稱矩陣。式(2-9)中不等式符號(hào)意味是正定的。當(dāng)然，LMI(2-9)也等價(jià)于n個(gè)關(guān)于的不等式，即各階主子式一定是正的。一個(gè)LMI具有以下性質(zhì)：凸性 LMI(2-9)對(duì)變量定義了一個(gè)凸約束，即集合是凸的，也即

34、如果且，則 。盡管LMI(2-9)的形式似乎有點(diǎn)特殊，但可用來描述對(duì)的各種凸約束，特別是線性不等式，二次型不等式，矩陣不等式，以及控制理論中的Lyapunov不等式都可以轉(zhuǎn)換成式(2-9)給出的LMI形式。這為解決許多控制問題提供了可行途徑。甚至還可以在LMI框架下描述和求解有時(shí)域硬約束系統(tǒng)（控制量和輸出量約束）的控制問題。矩陣作變量：在許多系統(tǒng)與控制問題中，常常遇到矩陣作變量的問題，例如Lyapunov不等式 (2-10)其中是給定的，是未知矩陣變量，因此該矩陣不等式中的變量是一個(gè)矩陣。設(shè)是維對(duì)稱矩陣的一個(gè)基底，則對(duì)任意對(duì)稱矩陣，存在，使得，因此這說明(2-10)是關(guān)于對(duì)稱矩陣P的獨(dú)立變量的

35、LMI。系統(tǒng)與控制中的許多問題初看起來不是一個(gè)線性矩陣不等式，或不具有(2-9)式的形式，但可以通過適當(dāng)?shù)奶幚韺栴}轉(zhuǎn)化成具有(2-9)形式的一個(gè)矩陣不等式問題。下面給出了這方面的一些典型例子。多個(gè)線性矩陣不等式：不等式族 (2-11)稱之為一個(gè)線性矩陣不等式系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以重新描述為一個(gè)單獨(dú)的線性矩陣不等式。記，則當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)，式(2.11)成立。線性等式約束 考慮問題其中的是一個(gè)仿射函數(shù)，和是給定的常數(shù)矩陣和向量。由于的解向量的全體構(gòu)成了中的一個(gè)線性子空間，因此可以考慮更一般的問題： (2-12)其中的是中的一個(gè)仿射集，即上式中的是中的一個(gè)線性子空間?？梢宰C明：這樣一個(gè)多約束問題可以轉(zhuǎn)化成一

36、個(gè)單一的線性矩陣不等式約束：設(shè)是線性空間的一組基，而仿射函數(shù)可以分解成，其中是一個(gè)線性函數(shù)。由于對(duì)任意的可以表示成。因此，問題(2-12)成立當(dāng)且僅當(dāng)其中：。注意，的維數(shù)要小于的維數(shù)。以如下存在線性等式約束的Lyapunov不等式為例 (2-13)其中是變量。若把式(2-13)寫成的形式，則需消去等式約束。具體做法是，設(shè)是維對(duì)稱且跡零的矩陣的一組基，其中。令是一個(gè)維對(duì)稱矩陣且Trace()=1。取和則(2-13)轉(zhuǎn)化為(2-9)的形式。Schur補(bǔ)公式 在矩陣不等式運(yùn)算中使用最頻繁的是Schur補(bǔ)公式。它可以把非線性矩陣不等式轉(zhuǎn)換成LMI。Schur補(bǔ)(余)可以闡述如下：線性矩陣不等式 (2-

37、14)等價(jià)于 (2-15)或者 (2-16)其中,換句話說，二次型不等式(2-15)或(2-16)可等價(jià)地表示為LMI(2-14)。這一等價(jià)關(guān)系也說明式(2-15)和式(2-16)中的非線性矩陣不等式也定義了一個(gè)關(guān)于變量的凸約束?？紤]二次型矩陣不等式 (2-17)其中是給定的維數(shù)已知的矩陣。是變量。這是一個(gè)以為變量的二次型矩陣不等式，利用Schur補(bǔ)公式將其表示成線性矩陣不等式形式如下：.這表明一個(gè)二次型矩陣不等式(2-17)可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)關(guān)于P的LMI。2.5 S-Procedure在控制系統(tǒng)的魯棒分析和魯棒綜合中，我們要常常用S-Procedure來將一些不是凸約束的問題轉(zhuǎn)化為LMI約束問

38、題。對(duì)，設(shè)是定義在一個(gè)線性向量空間(例如)上的初值范函，考慮如下的兩個(gè)條件：S1.對(duì)于所有使成立的，有。S2.存在標(biāo)量使得對(duì)任意的，有：顯然，由條件S2可以推出條件S1。S-Procedure就是通過判斷S2的真實(shí)性來判斷條件S1的成立與否。一般說來，條件S2比條件S1更容易檢驗(yàn)，因此通過應(yīng)用S-Procedure來檢驗(yàn)條件S1成立與否是一個(gè)更加有效的方法。由，條件S2也可以寫為，可見條件S2等價(jià)于一個(gè)LMI的可行性問題。因此，利用S-Procedure，我們可以通過檢驗(yàn)上面的這個(gè)LMI的可行性來判斷條件S是否成立。以如下二次型函數(shù)為例：設(shè)是變量的二次函數(shù)：，其中。由于1.一般不是一個(gè)凸函數(shù)；

39、2.約束集；，一般也不是凸的。因此條件S1相當(dāng)于要求一個(gè)非凸函數(shù)在一個(gè)非凸集上的最小值是非負(fù)的，即。這是一個(gè)很困難的非線性規(guī)劃問題，利用S-Procedure，有引理 2.125 當(dāng)p = 1時(shí)，假設(shè)存在一個(gè)使得 成立，則條件S1與條件S2是等價(jià)的，即條件S1是條件S2成立的充要條件；如果函數(shù)對(duì)是仿射的，則條件S1和條件S2 是等價(jià)的。對(duì)二次型和嚴(yán)格不等式，也有S-Procedure。引理 2.225 設(shè)均 為 對(duì) 稱 矩 陣 。 考 慮 下 面 關(guān)于的條件：對(duì)于所有使, 成立的，有。 (2-18)顯然，如果存在使得 (2-19)成立，則(2-18)成立。當(dāng)p = 1時(shí)，假設(shè)存在一個(gè)使得 成立

40、，則 (2-18)與 (2-19)是等價(jià)的，即 (2-19)是 (2-18)成立的充要條件。上述結(jié)論在魯棒控制中是很有用的。條件S1和條件S2一般是不等價(jià)的，當(dāng)兩個(gè)條件等價(jià)時(shí)稱這個(gè)S-Procedure是無損的，否則稱為有損的。在應(yīng)用中，使用S-Procedure常常是有損的。如在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的檢驗(yàn)中，應(yīng)用有損的S-Procedure所導(dǎo)出的檢驗(yàn)條件只是穩(wěn)定性的一個(gè)充分條件，而不能保證是必要的。但這種穩(wěn)定性條件的保守性的引入換來的是檢驗(yàn)和計(jì)算上的方便和有效。2.6 小結(jié)本章介紹了本文研究過程中用到的基本知識(shí)。首先介紹了廣義T-S模糊系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器，還有系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。然后

41、又介紹了線性矩陣不等式和相關(guān)的引理，有S-Procedure引理和Schur補(bǔ)引理。這為后面的研究提供了基礎(chǔ)知識(shí)。第3章 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的最優(yōu)控制3.1 引言在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，不確定性是廣泛存在的，它主要包括模型不確定性和參數(shù)不確定性。為了設(shè)計(jì)方便，常常將一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，簡化模型和實(shí)際對(duì)象之間的存在的差距，就稱之為模型不確定性，對(duì)系統(tǒng)某些特性或環(huán)節(jié)缺乏足夠的了解（即難以建模的部分）也是導(dǎo)致模型不確定性產(chǎn)生的重要原因。另外，如果存在一些難于精確刻畫的物理參數(shù)，或者在運(yùn)行過程中發(fā)生變化但難以刻畫其規(guī)律的參數(shù)，稱該系統(tǒng)具有參數(shù)不確定性。例如，機(jī)械系統(tǒng)中的阻尼系數(shù)和彈性系數(shù)、飛

42、行裝置中的空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)、電路中的電容和電感等。不確定性可能是系統(tǒng)控制性能下降的直接原因，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。因此，參數(shù)不確定性也是控制器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的因素?？紤]參數(shù)不確定性的廣義T-S模糊系統(tǒng)的控制方法已經(jīng)有了大量的研究成果。但很少涉及對(duì)時(shí)域硬約束的處理，由于存在不確定性或可能的外部干擾，就不能保證成立，考慮控制約束與輸出約束情況的控制器設(shè)計(jì)思想就不再適合。本章討論約束廣義T-S模糊系統(tǒng)的魯棒控制問題。首先將帶有不確定參數(shù)的非線性系統(tǒng)作T-S模型描述，每個(gè)T-S子系統(tǒng)都具有線性分式變換形式，其中不確定性具有對(duì)角的結(jié)構(gòu)。本章提出一種廣義T-S模糊系統(tǒng)的魯棒最優(yōu)控制方法，將輸出能量作為

43、優(yōu)化性能指標(biāo)，得到性能指標(biāo)和一個(gè)系統(tǒng)魯棒橢圓不變域的共同上界，不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的優(yōu)化控制通過最小化系統(tǒng)的這個(gè)上界來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以用S-procedure和橢圓不變域方法得到滿足時(shí)域硬約束的充分條件。3.2 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)描述考慮一個(gè)含有不確定性和外部干擾的非線性系統(tǒng)，可以由以下T-S模糊模型描述：IfThen， ， (3-1)，其中表示第模糊模型規(guī)則，是模糊集合，為狀態(tài)變量，為控制輸入變量，為系統(tǒng)可測(cè)或可計(jì)算變量，這里假設(shè)它不依賴于控制輸入變量，為系統(tǒng)性能輸出，為系統(tǒng)約束輸出，為模糊模型規(guī)則的個(gè)數(shù)。， ()為與系統(tǒng)不確定性有關(guān)的變量，。為不確定集，它可以描述不確定性的特性(線

44、性的或非線性的，時(shí)不變的或時(shí)變的)，大小(范數(shù)或增益) 及其結(jié)構(gòu)(對(duì)角的)。本文研究的不確定性的結(jié)構(gòu)是對(duì)角的。其元素為系統(tǒng)范數(shù)有界的不確定參數(shù)。這里假設(shè)不確定集包含原點(diǎn)，即，它對(duì)應(yīng)于無擾動(dòng)或名義系統(tǒng)。對(duì)于T-S模糊廣義系統(tǒng)(3-1)，令為第子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器，系統(tǒng)的PDC控制器可以描述為：If Then ， (3-2) 其中是一個(gè)常反饋增益矩陣。為了簡便起見，在不引起歧義的情況下省略。則閉環(huán)T-S系統(tǒng)可以用以下參變線性系統(tǒng)來描述 , (3-3a) , (3-3b) , (3-3c) (3-3d) ，,(3-3e)其中, , , , ,.為簡便起見，這里將記為，下同。另外有，為屬于模

45、糊集合的隸屬度，且，且有以下性質(zhì)：，；，?？紤]系統(tǒng)存在時(shí)域的硬約束可以表示為：，, (3-4) T-S模糊廣義系統(tǒng)的一個(gè)控制目的就是設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器 ()，使得由PDC方法構(gòu)建的全局控制器 (3-5)和(3-1)組成的閉環(huán)系統(tǒng)(3-3)對(duì)所有考慮的不確定性都是魯棒穩(wěn)定的，且具有一定的性能。引理3.1如果存在矩陣使得矩陣族滿足 (3-6a) ， (3-6b) (3-6c)則參變量矩陣不等式 (3-7)成立，其中證明：很顯然，若滿足（3-6a）、(3-6b)，則有進(jìn)一步，如果(3-6c)成立，則（3-7）成立。 證畢。注3.1 引理1中不等式符號(hào)“”改為“”仍成立。注3.2 由于系統(tǒng)（3-3）總

46、可經(jīng)過初等變換使得變?yōu)?，因此為了方便起見且不失一般性，以下我們總假設(shè)。3.3 不確定廣義T-S模糊系統(tǒng)的最優(yōu)控制 先討論無外部干擾情況下(即對(duì)于系統(tǒng)(3-1)，)，不確定T-S模糊廣義系統(tǒng)(3-3)的最優(yōu)控制問題。不確定T-S模糊廣義系統(tǒng)(3-3)的最優(yōu)控制問題可以描述如下：一個(gè)控制命題就是設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器(3-5)，對(duì)于任意滿足的系統(tǒng)不確定性，閉環(huán)系統(tǒng)(3-3) 是魯棒穩(wěn)定，并在給定系統(tǒng)初始狀態(tài)情況下，使性能輸出的能量滿足 ， (3-8)同時(shí)滿足時(shí)域硬約束(3-4)。這里，為一個(gè)給定的正數(shù)。如果對(duì)于所有，存在Lyapunov函數(shù)使不等式 (3-9)成立，則必須強(qiáng)調(diào)，(3-9)應(yīng)對(duì)不確定的T

47、-S 模糊廣義系統(tǒng)(3-3)成立。下面，利用S-Procedure推導(dǎo)一個(gè)使之成立的條件。首先，對(duì)求導(dǎo)并將(3-3a)和(3-3c)代入式(3-9)經(jīng)整理后得 (3-10)然后，考慮不確定性描述 (3-3b)和 (3-3e)。引入空間的第標(biāo)準(zhǔn)向量基，則(3-3e)等價(jià)于, (3-11)將(3-3b)代入(3-11)，整理后得 (3-12)因此，要求(3-9)對(duì)不確定的T-S 模糊廣義系統(tǒng)(3-3)成立就是要求不等式(3-10)對(duì)滿足(3-12)的成立。應(yīng)用引理2.1(S-Procedure)得出的一個(gè)充分條件是：對(duì)于任意的，存在使得下式成立 (3-13)定義矩陣，則上式成立的一個(gè)充分條件是 (

48、3-14)即 (3-15) 令， ，并用和分別左乘、右乘(3-15)后再利用Schur補(bǔ)公式有 (3-16)先將將矩陣不等式(3.16)中左邊矩陣的第二、三行互換，再將第二、三列互換得 (3-17)利用Schur補(bǔ)公式有 (3-18)先交換上式矩陣中第三、四行，再交換其第三、四列，得等效的矩陣不等式 (3-19)再利用Schur補(bǔ)公式有 (3-20)令并將(3.3)中各表達(dá)式帶入，得到如下參變的線性矩陣不等式 (3-21)其中 ，這里，*表示沿矩陣對(duì)角線對(duì)稱的矩陣轉(zhuǎn)置。綜上，關(guān)于不確定T-S系統(tǒng)的最優(yōu)控制有以下結(jié)論： 引理3.2 LMI優(yōu)化問題(3-6) 以及 (3-22) (3-23)有最優(yōu)

49、解，則子系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣為控制器（3-5）使得閉環(huán)系統(tǒng)（3-3）對(duì)所有考慮的不確定性都是魯棒二次穩(wěn)定的，且輸出能量最小，其值為。證明：由以上討論可知，(3-6)(3-21)(3-18)，根據(jù)矩陣的負(fù)定性質(zhì)有所以說閉環(huán)系統(tǒng)是魯棒二次穩(wěn)定的25。另外有(3-18)(3-13)，則對(duì)所有考慮的不確定性即滿足約束(3-3e)情況下，不等式(3-9)成立，從而有。又如果以及(3-23)式成立，則，所以有 ， (3-24)如果最優(yōu)問題有最優(yōu)解，記為，則是滿足（3-24）的最小。下面，在給定一個(gè)系統(tǒng)魯棒橢圓不變域的前提下，尋找依賴于該不變域滿足的時(shí)域硬約束(3-4) 的充分條件。定義 3.1 對(duì)于給定的可逆矩陣、一個(gè)給定的正數(shù)以及一個(gè)奇異方陣，為包含原點(diǎn)的橢圓域。如果對(duì)于所有的，若，則系統(tǒng)任意軌跡，則稱橢圓域是魯棒不變的。引理 3.3 假設(shè)是系統(tǒng)(3-3)一個(gè)魯棒不變橢圓域，即對(duì)，控制器使閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)軌跡滿足，并且存在一組線對(duì)角正定矩陣以及矩陣族使得進(jìn)一步滿足 (3-25a)， (3-25b)，(，) (3-25c)其中則閉環(huán)控制系統(tǒng)