線性時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計(jì)與仿真

1、摘 要魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點(diǎn)，對于一個(gè)控制系統(tǒng)，若使得閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則有必要在設(shè)計(jì)穩(wěn)定化控制器的時(shí)候，考慮可能出現(xiàn)的不確定因素以及時(shí)間滯后因素，這就是線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計(jì)問題。本文的主要研究內(nèi)容包括：首先綜述了魯棒控制理論的發(fā)展和線性矩陣不等式方法的發(fā)展現(xiàn)狀；然后針對線性不確定系統(tǒng)和線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)，研究這些系統(tǒng)的狀態(tài)反饋魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法,基于線性矩陣不等式(LMI)和Lyapunov穩(wěn)定性理論，研究線性不確定系統(tǒng)、線性不確定時(shí)滯無關(guān)系統(tǒng)以及線性不確定時(shí)滯相關(guān)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定的充分條件，得到它們的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)

2、定。關(guān)鍵詞：魯棒控制；不確定性；線性時(shí)滯系統(tǒng)；狀態(tài)反饋AbstractRobust control is the focus in the research of Internationally controlled sector，for a control system, if makes its closed-loop system is stable, it will be necessary to consider the possible uncertain and time-delay factors when we design stability controllers. Th

3、is is design problem of linear uncertain time-delay systems robust controller.Summarily the contents of this paper are outlined as follows: first, it summarize the development of robust control theory and linear matrix inequality approach; then,for the linear uncertain system and the linear uncertai

4、n time-delay systems research the robust stability conditions and design technique of robust controller for these systems, base on the linear matrix inequality(LMI) and Lyapunov stability theory, a sufficient condition for linear uncertain system, linear uncertain delay-independent system and linear

5、 uncertain delay-dependent system to be asymptotically stable is presented, getting the design technique of their controller, and according to design examples and the simulation study ,the results show that the system is stable.Key words: robust control; uncertainty; linear time-delay system; state

6、feedback 目 錄第1章 概 述11.1 時(shí)滯系統(tǒng)概述11.2 魯棒控制理論概述21.3 本文研究的主要內(nèi)容5第2章 預(yù)備知識62.1 線性矩陣不等式基礎(chǔ)62.2 一些常用的基本引理102.3 本章小結(jié)11第3章 線性時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯無關(guān)的狀態(tài)反饋控制123.1 引言123.2 線性不確定系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計(jì)123.3 線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯無關(guān)魯棒控制器設(shè)計(jì)153.4 具有時(shí)滯項(xiàng)不確定的線性時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯無關(guān)魯棒控制器設(shè)計(jì)193.5 本章小結(jié)23第4章 線性時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯相關(guān)的狀態(tài)反饋控制244.1 引言244.2 線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯相關(guān)魯棒控制器設(shè)計(jì)244.3 本章小結(jié)30結(jié) 論31參考

7、文獻(xiàn)32致 謝33附 錄34第1章 概 述1.1 時(shí)滯系統(tǒng)概述時(shí)滯是客觀世界和工程技術(shù)中普遍存在的問題。近年來對時(shí)滯系統(tǒng)的研究得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得了豐碩的成果。在實(shí)際系統(tǒng)如電子網(wǎng)絡(luò)、微波振蕩器、核反應(yīng)堆、化學(xué)過程、手動控制、水力遠(yuǎn)程傳送等過程中均存在時(shí)滯。引起時(shí)滯的主要因素：系統(tǒng)變量的測量、系統(tǒng)設(shè)備的物理性質(zhì)、物質(zhì)及信號的傳遞等。時(shí)滯的存在使得系統(tǒng)的分析和綜合變得更加復(fù)雜和困難，且時(shí)滯的存在往往是系統(tǒng)不穩(wěn)定和系統(tǒng)性能變差的根源。正是由于時(shí)滯系統(tǒng)在實(shí)際中的大量存在，以及時(shí)滯系統(tǒng)分析和控制的困難性，使得時(shí)滯系統(tǒng)的分析和綜合一直是控制理論和控制工程領(lǐng)域中研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題1。目前關(guān)于時(shí)滯

8、系統(tǒng)的研究成果從結(jié)論的角度可分為兩類：依賴于時(shí)滯的和不依賴于時(shí)滯的。在20世紀(jì)80年代以前，提出的關(guān)于時(shí)滯系統(tǒng)的結(jié)論基本上都是與時(shí)滯的大小無關(guān)的，也就是說在進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性或其它性能研究時(shí)，不考慮時(shí)滯的大小，即對時(shí)滯不作任何限制，這樣所得到的結(jié)論顯然對于任意的時(shí)滯都是成立的。然而，許多實(shí)際系統(tǒng)中的時(shí)滯一般都是有界的，無窮時(shí)滯很少出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)滯有界時(shí)，或者時(shí)滯比較小時(shí)，是相當(dāng)保守的，這類不考慮時(shí)滯大小的條件被稱之為時(shí)滯無關(guān)條件。與之相對應(yīng)，考慮了時(shí)滯大小對系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的影響的條件，就稱為時(shí)滯有關(guān)條件。研究時(shí)滯系統(tǒng)通常使用的工具主要有Riccati矩陣方程與線性矩陣不等式2。特別是線性矩陣不等式方

9、法的廣泛應(yīng)用，使得有關(guān)線性時(shí)滯系統(tǒng)的控制問題的研究得到了飛速發(fā)展?？v觀時(shí)滯系統(tǒng)的研究和發(fā)展，有兩條主要研究途徑，即時(shí)域方法和頻域方法兩大類，采用頻域法設(shè)計(jì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制器隨著系統(tǒng)維數(shù)的提高，系統(tǒng)特征方程的處理變得非常復(fù)雜，因此問題的處理的難度變得相當(dāng)大，且對于時(shí)變時(shí)滯系統(tǒng)這類方法難于應(yīng)用，因此近年來有關(guān)不確定時(shí)滯系統(tǒng)的結(jié)論基本上都是用時(shí)域的分析方法取得的。本論文也用時(shí)域的方法來研究不確定時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性分析和魯棒控制器的綜合問題。時(shí)域方法用的最多的是Lyapunov直接設(shè)計(jì)方法。從20世紀(jì)60年代開始，Lyapunov第二方法開始被用來處理線性系統(tǒng)的控制問題，接著該方法也很快被引入到時(shí)滯系

10、統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)中來，逐漸成為人們手中處理時(shí)滯系統(tǒng)的有力武器。因此，Lyapunov方法在工業(yè)實(shí)際中有著廣闊的應(yīng)用前景。1.2 魯棒控制理論概述 魯棒控制基本概念控制系統(tǒng)就是使控制對象按照預(yù)期目標(biāo)運(yùn)行的系統(tǒng)，當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。這個(gè)理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。80年代以來，反饋控制理論獲得了驚人的發(fā)展，已經(jīng)變得更加嚴(yán)密，更加符合實(shí)際，由此發(fā)展起來的魯棒控制理論為處理不確定性提供了有效的手段。魯棒控制方面的研究始于20世紀(jì)60年代。在過去的20年中，魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點(diǎn)3-4

11、。魯棒控制方法適用于穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標(biāo)的應(yīng)用，同時(shí)過程的動態(tài)特性已知且不確定因素的變化范圍可以預(yù)估。飛機(jī)和空間飛行器的控制是這類系統(tǒng)的例子。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定的參數(shù)攝動下，維持某些性能的特性。根據(jù)對性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。由于工作狀況變動、外部干擾以及建模誤差的緣故，實(shí)際工業(yè)過程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此可以說模型的不確定性在控制系統(tǒng)中廣泛存在。如何設(shè)計(jì)一個(gè)固定的控制器，使具有不確定性的對象滿足控制品質(zhì)，也就是魯棒控制，成為國內(nèi)外科研人員的研究課題。

12、魯棒控制的早期研究，主要針對單變量系統(tǒng)(SISO)在微小攝動下的不確定性，具有代表性的是Zames提出的微分靈敏度分析5。然而，實(shí)際工業(yè)過程中故障導(dǎo)致系統(tǒng)中參數(shù)的變化，這種變化是有界攝動而不是無窮小攝動。因此產(chǎn)生了以討論參數(shù)在有界攝動下系統(tǒng)性能保持和控制為內(nèi)容的現(xiàn)代魯棒控制?，F(xiàn)代魯棒控制是一個(gè)著重控制算法可靠性研究的控制器設(shè)計(jì)方法。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是找到在實(shí)際環(huán)境中為保證安全要求控制系統(tǒng)最小的必須滿足的要求，一旦設(shè)計(jì)好這個(gè)控制器，它的參數(shù)不能改變而且控制性能能夠保證。魯棒控制理論所要研究的問題不外乎兩大方面，即分析和綜合。在分析方面要研究的是：當(dāng)系統(tǒng)存在各種不確定性及外加干擾時(shí)，系統(tǒng)性能變化的分析，

13、包括系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性等。在綜合方面要研究的是：采用什么控制結(jié)構(gòu)、用什么設(shè)計(jì)方法可保證控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性，包括如何對付系統(tǒng)中存在的不確定性和外加干擾的影響，并且魯棒穩(wěn)定性是一類具有非常重要的實(shí)用價(jià)值的穩(wěn)定特性。大量的實(shí)際應(yīng)用要求即使在如上所述的條件下控制律依然可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，即所謂的魯棒鎮(zhèn)定。因此，線性不確定系統(tǒng)的魯棒控制研究具有較高的實(shí)用價(jià)值，對于實(shí)際控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用更具有指導(dǎo)意義。除了不確定性，時(shí)滯也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中需要注意的一個(gè)重要因素。任何系統(tǒng)中，物質(zhì)和能量的傳輸都需要時(shí)間，因此時(shí)滯是過程的固有特性，是不可避免和普遍存在的6。而它所產(chǎn)生的一個(gè)后果就是，當(dāng)控制參數(shù)已經(jīng)變

14、化時(shí)，被控量并不立即變化，而是要延遲一段時(shí)間才開始變化。隨著控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，控制精度的要求越來越高，時(shí)滯已經(jīng)不能在分析設(shè)計(jì)時(shí)加以忽略，而是要建立明確的時(shí)滯微分方程以作為更為精確的數(shù)學(xué)模型。因而時(shí)滯系統(tǒng)的研究不僅僅在于理論上巨大意義，還在于實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的迫切需要。 魯棒控制理論的歷史和發(fā)展控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生攝動時(shí)仍可使品質(zhì)指標(biāo)保持不變的性能。魯棒性原是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)專門術(shù)語，20世紀(jì)70年代初開始在控制理論的研究中流行起來，用以表征控制系統(tǒng)對特性或參數(shù)攝動的不敏感性。在實(shí)際問題中，系統(tǒng)特性或參數(shù)的攝動常常是不可避免的。產(chǎn)生攝動的原因主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是由于量測的不精確

15、使得特性或參數(shù)的實(shí)際值會偏離它的設(shè)計(jì)值(標(biāo)稱值)，另一個(gè)是系統(tǒng)運(yùn)行過程中受環(huán)境因素的影響而引起特性或參數(shù)的緩慢漂移。因此，魯棒性已成為控制理論中的一個(gè)重要的研究課題，也是一切類型的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所必須考慮的一個(gè)基本問題。對魯棒性的研究主要限于線性定常控制系統(tǒng)，所涉及的領(lǐng)域包括穩(wěn)定性、無靜差性、適應(yīng)控制等。魯棒性問題與控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性(頻率域內(nèi)表征控制系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量的一種性能指標(biāo))和不變性原理(自動控制理論中研究扼制和消除擾動對控制系統(tǒng)影響的理論)有著密切的聯(lián)系，內(nèi)模原理(把外部作用信號的動力學(xué)模型植入控制器來構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)原理)的建立則對魯棒性問題的研究起了重要的推動作

16、用。當(dāng)系統(tǒng)中存在模型攝動或隨機(jī)干擾等不確定性因素時(shí)能保持其滿意功能品質(zhì)的控制理論和方法稱為魯棒控制。早期的魯棒控制主要研究單回路系統(tǒng)頻率特性的某些特征，或基于小攝動分析上的靈敏度問題。在經(jīng)典控制理論中，被控對象的頻率特性是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主要依據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)也是通過引入控制器來整定開環(huán)系統(tǒng)頻率特性的方法而實(shí)現(xiàn)的。由于被控對象的頻率特性通常是靠實(shí)驗(yàn)測試等手段獲得的，因此，不可避免地帶有不確定性。這就導(dǎo)致經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)的控制器，在很大程度上必須依靠現(xiàn)場調(diào)試，才能獲得滿意的控制性能。而基于狀態(tài)方程等數(shù)學(xué)模型為主要設(shè)計(jì)依據(jù)的現(xiàn)代控制理論，則依靠線性代數(shù)、微分幾何以及最優(yōu)化方法等嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)工具，

17、采用數(shù)學(xué)解析的手段來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。同理，通常用機(jī)理推導(dǎo)和模型辨識等手段得到的數(shù)學(xué)模型同樣帶有不確定性。系統(tǒng)魯棒控制理論也可追溯到無窮小分析的思想，例如微分方程解在給定區(qū)間的任意小變化依賴于初值和方程系數(shù)的充分小變化，再如偏微分方程中的適定性研究、計(jì)算方法中關(guān)于誤差的靈敏性等。魯棒控制問題事實(shí)上最初在具有攝動的精確系統(tǒng)的大增益反饋器設(shè)計(jì)有所體現(xiàn)。這一思想最早研究可追溯到1927年Black針對具有攝動的精確系統(tǒng)的大增益反饋設(shè)計(jì)思想7。由于當(dāng)時(shí)不知道反饋增益和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的確切關(guān)系，基于上述思想設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)往往是動態(tài)不穩(wěn)定的。1932年Nyquist提出了基于Nyquist曲線的頻域穩(wěn)定性

18、判據(jù)，使得反饋增益和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系明朗化。1945年Bode討論了單輸入單輸出(SISO)反饋系統(tǒng)的魯棒性。提出了利用幅值和相位穩(wěn)定裕度來得到系統(tǒng)能容許的不確定性范圍，并引入微分靈敏度函數(shù)來衡量參數(shù)攝動下的系統(tǒng)性能。20世紀(jì)60年代初，Cruz和Perkins將單輸入單輸出系統(tǒng)的靈敏性分析思想推廣到多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)，引入靈敏度矩陣來衡量系統(tǒng)的閉環(huán)和開環(huán)性能。這些關(guān)于魯棒控制的早期研究主要局限于系統(tǒng)的不確定性是微小的參數(shù)攝動情形，尚屬于靈敏度分析的范疇，并只是停留在理論上，尚不能在實(shí)際的生產(chǎn)過程中得以應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)的參數(shù)攝動往往由于各種原因會在較大的范圍內(nèi)發(fā)生

19、變化，早期的理論研究不能解決實(shí)際中出現(xiàn)的這種情況，為適應(yīng)社會的發(fā)展和解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，現(xiàn)代魯棒控制理論得以應(yīng)運(yùn)而生。在魯棒控制理論建立過程中，Zames于1963年提出的小增益原理影響深遠(yuǎn)，這一原理為魯棒穩(wěn)定性分析莫定了基礎(chǔ)，至今仍是頻域分析非結(jié)構(gòu)不確定性系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性的基本工具。魯棒控制理論這一術(shù)語首次由Davsion在1972年提出，在20世紀(jì)70年代末和80年代初，人們從實(shí)際與理論兩個(gè)方面越來越深刻的認(rèn)識到魯棒控制理論具有的特殊的實(shí)踐和理論意義，從而魯棒控制擴(kuò)展到許多領(lǐng)域，得到迅速發(fā)展，并取得了令人矚目的成果。隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，微機(jī)的應(yīng)用為控制論的飛速發(fā)展提供了極大的方

20、便，也正是微機(jī)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代控制理論才有今天可喜的成果。魯棒控制理論發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了很多引人注目的理論，其中控制理論是目前解決魯棒性問題最為成功且較完善的理論體系。如今，系統(tǒng)的分析方法和控制器的設(shè)計(jì)大多是基于數(shù)學(xué)模型而建立的，而且，各類方法已經(jīng)趨于成熟和完善。然而，系統(tǒng)總是存在這樣或那樣的不確定性。在系統(tǒng)建模時(shí)，有時(shí)只考慮了工作點(diǎn)附近的情況，造成了數(shù)學(xué)模型的人為簡化；另一方面，執(zhí)行部件與控制元件存在制造容差，系統(tǒng)運(yùn)行過程也存在老化、磨損以及環(huán)境和運(yùn)行條件惡化等現(xiàn)象，使得大多數(shù)系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)或者參數(shù)的不確定性。這樣，用精確數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)的分析結(jié)果或設(shè)計(jì)出來的控制器常常不滿足工程要求。近些年

21、來，人們展開了對不確定系統(tǒng)魯棒控制問題的研究，并取得了一系列研究成果。 魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本思想一般的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求包括穩(wěn)定性、漸近調(diào)節(jié)、動態(tài)特性和魯棒性等四個(gè)方面。(1) 穩(wěn)定性：它是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本的要求，并意味著控制系統(tǒng)從工作點(diǎn)附近任意初始狀態(tài)出發(fā)的軌跡在時(shí)間趨于無窮時(shí)收斂于工作點(diǎn)。(2) 漸近調(diào)節(jié)：它意味著對于一類給定的目標(biāo)輸入和外部擾動，一個(gè)反饋控制系統(tǒng)必須能夠保證即保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0。漸近調(diào)節(jié)的特性反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。(3) 動態(tài)特性：它是指反饋控制系統(tǒng)的動態(tài)性能必須滿足一組給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。(4) 魯棒性：它是指當(dāng)不確定性在一組給定的范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)

22、，必須保證反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、漸近調(diào)節(jié)和動態(tài)特性不受影響。一個(gè)反饋控制系統(tǒng)是魯棒的，或者說一個(gè)反饋控制系統(tǒng)具有魯棒性，就是指這個(gè)反饋控制系統(tǒng)在某一類特定的不確定性條件下具有使穩(wěn)定性、漸近調(diào)節(jié)和動態(tài)特性保持不變的特性，即這一反饋控制系統(tǒng)具有承受這一類不確定性影響的能力。魯棒性又可以分為魯棒穩(wěn)定性、魯棒漸近調(diào)節(jié)和魯棒動態(tài)特性。(1) 魯棒穩(wěn)定性是指在一組不確定性的作用下仍然能夠保證反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(2) 魯棒漸近調(diào)節(jié)是指在一組不確定性的影響下仍然可以實(shí)現(xiàn)反饋控制系統(tǒng)的漸近調(diào)節(jié)功能。(3) 魯棒動態(tài)特性通常稱為靈敏度特性，即要求動態(tài)特性不受不確定性的影響。一個(gè)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題就是根據(jù)給

23、定的控制對象模型，尋找一個(gè)控制器，以保證反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使反饋控制系統(tǒng)達(dá)到期望的性能，并對模型不確定性和擾動不確定性具有魯棒性。具有魯棒性的控制系統(tǒng)稱為魯棒控制系統(tǒng)。抓住不確定性變化的范圍界限，并在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行最壞情況下的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這就是魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想8。1.3 本文研究的主要內(nèi)容本文主要研究的內(nèi)容有：線性矩陣不等式基礎(chǔ)以及一些常用的基本引理；基于MATLAB中的LMI工具箱以及Lyapunov穩(wěn)定性定理，分別對線性不確定系統(tǒng)、線性不確定時(shí)滯無關(guān)系統(tǒng)以及線性不確定時(shí)滯相關(guān)系統(tǒng)的魯棒控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)行仿真研究。第2章 預(yù)備知識2.1 線性矩陣不等式基礎(chǔ)

24、在時(shí)間域中研究參數(shù)不確定系統(tǒng)的魯棒分析和綜合問題的主要理論基礎(chǔ)是Lyapunov穩(wěn)定性理論，早期的一種主要方法是Riccati方程處理方法。它是通過將系統(tǒng)的魯棒分析和綜合問題轉(zhuǎn)化成一個(gè)Riccati型矩陣方程的可解性問題，進(jìn)而應(yīng)用求解Riccati方程的方法給出系統(tǒng)具有給定魯棒性能的條件和魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法。盡管Riccati方程處理方法可以給出控制器的結(jié)構(gòu)形式，便于進(jìn)行一些理論分析，但是在實(shí)施這一方法之前，往往需要設(shè)計(jì)者事先確定一些待定參數(shù)，這些參數(shù)的選擇不僅影響到結(jié)論的好壞，而且還會影響到問題的可解性。但在現(xiàn)有的Riccati方程處理方法中，還缺乏尋找這些參數(shù)最佳值的方法，參數(shù)的這種人為

25、確定方法給分析和綜合結(jié)果帶來了很大的保守性。另一方面，Riccati型矩陣方程本身的求解也還存在一定的問題。目前存在很多求解Riccati型矩陣方程的方法，但多為迭代方法，這些方法的收斂性并不能得到保證。20世紀(jì)90年代初，隨著求解凸優(yōu)化問題的內(nèi)點(diǎn)法的提出，線性矩陣不等式再一次受到控制界的關(guān)注，并被應(yīng)用到系統(tǒng)和控制的各個(gè)領(lǐng)域中。許多控制問題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性矩陣不等式系統(tǒng)的可行性問題，或者是一個(gè)具有線性矩陣不等式約束的凸優(yōu)化問題。由于有了求解凸優(yōu)化問題的內(nèi)點(diǎn)法，使得這些問題可以得到有效的解決。1995年，MATLAB推出了求解線性矩陣不等式問題的LMI工具箱，從而使得人們能夠更加方便和有效地來

26、處理、求解線性矩陣不等式系統(tǒng)，進(jìn)一步推動了線性矩陣不等式方法在系統(tǒng)和控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。線性矩陣不等式處理方法可以克服Riccati方程處理方法中存在的許多不足。線性矩陣不等式方法給出了問題可解的一個(gè)凸約束條件，因此，可以應(yīng)用求解凸優(yōu)化問題的有效方法來進(jìn)行求解。正是這種凸約束條件，使得在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，得到的不僅僅是一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的控制器，而是從凸約束條件的任意一個(gè)可行解都可以得到一個(gè)控制器，即可以得到滿足設(shè)計(jì)要求的一組控制器。這一性能在求解系統(tǒng)的多目標(biāo)控制問題時(shí)是特別有用的9-12。本章主要介紹線性矩陣不等式的一些基本概念、求解線性矩陣不等式的主要算法以及應(yīng)用線性矩陣不等式來解決系統(tǒng)與控制問題

27、時(shí)要用到的一些基本結(jié)論。 線性矩陣不等式的表示式近10年來，線性矩陣不等式被廣泛用來解決系統(tǒng)與控制中的一些問題，隨著解決線性矩陣不等式的內(nèi)點(diǎn)法的提出、MATLAB軟件中LMI工具箱的推出，線性矩陣不等式這一工具越來越受到人們的注意和重視，應(yīng)用線性矩陣不等式來解決系統(tǒng)與控制問題已成為這些領(lǐng)域中的一大研究熱點(diǎn)。線性矩陣不等式(LMI)具有如下的一般形式 (2-1)其中：是個(gè)實(shí)數(shù)變量，稱為是線性矩陣不等式(2-1)的決策變量，是由決策變量構(gòu)成的向量，稱為決策向量。，是一組給定的實(shí)對稱矩陣。式(2-1)中的不等號指的是矩陣是負(fù)定的，即對所有非零的向量，或的最大特征值小于零。所有滿足線性矩陣不等式(2-

28、1)的x的全體構(gòu)成一個(gè)凸集。如果把看成是從到實(shí)對稱矩陣集的一個(gè)映射，則可以看出并不是一個(gè)線性函數(shù)，而只是一個(gè)仿射函數(shù)。因此，更確切地說，不等式(2-1)應(yīng)該稱為一個(gè)仿射矩陣不等式。但由于歷史原因，目前線性矩陣不等式這一名稱已被廣泛接受和使用。如果在(2-1)式中用“”代替“<”，則相應(yīng)的矩陣不等式稱為非嚴(yán)格的線性矩陣不等式。顯然，多個(gè)LMI可用一個(gè)LMI表示，即等價(jià)于對二次非線性矩陣不等式，通過Schur補(bǔ)引理13可以轉(zhuǎn)化為LMI，從而推廣LMI在控制理論研究中應(yīng)用范圍，其基本思想是：若，則，等價(jià)于 一些標(biāo)準(zhǔn)的線性矩陣不等式問題本節(jié)介紹三類標(biāo)準(zhǔn)的線性矩陣不等式問題14。在MATLAB的L

29、MI工具箱中給出了這三類問題的求解器。假定其中的、和是對稱的矩陣值仿射函數(shù)，是一個(gè)給定的常數(shù)向量。 (1) 可行性問題(LMIP)：對給定的線性矩陣不等式，檢驗(yàn)是否存在，使得成立的問題稱為一個(gè)線性矩陣不等式的可行性問題。如果存在這樣的，則該線性矩陣不等式問題是可行的，否則這個(gè)線性矩陣不等式就是不可行的。(2) 特征值問題(EVP)：該問題是在個(gè)線性矩陣不等式約束下，求矩陣的最大特征值的最小化問題或確定問題的約束是不可行的。它的一般形式是： 這樣一個(gè)問題也可以轉(zhuǎn)化成以下的一個(gè)等價(jià)問題： 這也是LMI工具箱中特征值問題求解器所要處理問題的標(biāo)準(zhǔn)形式。(3) 廣義特征值問題(GEVP)：在一個(gè)線性矩陣

30、不等式約束下，求兩個(gè)仿射矩陣函數(shù)的最大廣義特征值的最小化問題。對給定的兩個(gè)相同階數(shù)的對稱矩陣和，對標(biāo)量，如果存在非零向量，使得,則稱為矩陣和的廣義特征值。矩陣和的最大廣義特征值的計(jì)算問題可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)具有線性矩陣不等式約束的優(yōu)化問題。事實(shí)上，假定矩陣是正定的，則對充分大的標(biāo)量，有。隨著減小，并在某個(gè)適當(dāng)?shù)闹担瑢⒆優(yōu)槠娈惖?。因此，存在非零向量，使得。這樣的一個(gè)就是矩陣和的廣義特征值。根據(jù)這樣的思想，矩陣和的最大廣義特征值可以通過求解以下的優(yōu)化問題得到： 當(dāng)矩陣和是的一個(gè)仿射函數(shù)時(shí)，在一個(gè)線性矩陣不等式約束下，求矩陣函數(shù)和的最大廣義特征值的最小化問題的一般形式如下： 通常，在控制理論研究中所遇到的

31、二次非線性矩陣不等式，通過下面Schur補(bǔ)引理可以轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式，這也是線性矩陣不等式在控制理論研究中能得到廣泛應(yīng)用的主要原因之一。下面給出Schur引理的具體描述。 引理 (Schur補(bǔ)引理)假設(shè)對稱矩陣，并且可以進(jìn)行以下分塊其中是維的，假定非奇異，則稱為是在中的Schur補(bǔ)，那么以下三個(gè)結(jié)論等價(jià)： 上述結(jié)論中的所有不等式都是嚴(yán)格不等式，如果遇有非嚴(yán)格的不等式，則用到下列推廣了的Schur補(bǔ)引理： 引理2.1.2 假設(shè)對稱矩陣，并且可以進(jìn)行以下分塊分塊定義同引理2.1.1，則等價(jià)于下述三個(gè)約束條件： 注意到引理2.1.1的(2)式和(3)式中的第二個(gè)不等式以及式后兩個(gè)不等式均為非線性矩

32、陣不等式，因此以上的等價(jià)關(guān)系說明了應(yīng)用矩陣的Schur補(bǔ)性質(zhì)，一些非線性矩陣不等式可以轉(zhuǎn)化成線性矩陣不等式，從而利用現(xiàn)有的軟件MATLAB中的LMI工具箱可以直接對問題求解。 線性矩陣不等式處理方法可以克服Riccati方程處理方法中存在的許多不足。線性矩陣不等式方法給出了問題可解的一個(gè)凸約束條件，因此，可以應(yīng)用求解凸優(yōu)化問題的有效方法來進(jìn)行求解。正是這種凸約束條件，使得在控制器設(shè)計(jì)時(shí)得到的不僅僅是一個(gè)滿足設(shè)計(jì)方法的控制器，而且是從凸約束條件的任意一個(gè)可行解都可以得到的一個(gè)控制器，即可以得到滿足設(shè)計(jì)要求的一組控制器。 LMI工具箱簡介線性矩陣不等式(LMI)工具箱是求解一般線性矩陣不等式問題的

33、一個(gè)高性能軟件包。由于其面向結(jié)構(gòu)的線性矩陣不等式表示方式，使得各種線性矩陣不等式能夠以自然塊矩陣的形式加以描述。一個(gè)線性矩陣不等式問題一旦確定，就可以通過調(diào)用適當(dāng)?shù)木€性矩陣不等式求解器來對這個(gè)問題進(jìn)行數(shù)值求解。LMI工具箱提供了確定、處理和數(shù)值求解線性矩陣不等式的一些工具，它們主要用于：(1) 以自然塊矩陣形式來直接描述線性矩陣不等式；(2) 獲取關(guān)于現(xiàn)有的線性矩陣不等式系統(tǒng)的信息；(3) 修改現(xiàn)有的線性矩陣不等式系統(tǒng)；(4) 求解三個(gè)一般的線性矩陣不等式問題；(5) 驗(yàn)證結(jié)果。LMI工具箱可以處理具有以下一般形式的線性矩陣不等式：式中，是具有一定結(jié)構(gòu)的矩陣變量，左、右外因子和是具有相同維數(shù)的

34、給定矩陣，左、右內(nèi)因子和是具有相同分塊結(jié)構(gòu)的對稱塊矩陣。LMI工具箱提供了用于求解如下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)問題的線性矩陣不等式求解器：(1) 可行性問題(LMIP)，對應(yīng)的求解器函數(shù)feasp( )的一般表達(dá)式如下：tmin,xfeas=feasp(lmisys,options,target)求解器feasp( )是通過求解如下的一個(gè)輔助凸優(yōu)化問題 來求解線性矩陣不等式系統(tǒng)limisys的可行性問題；(2) 特征值問題(EVP)，對應(yīng)的求解器函數(shù)Mincx( )的一般表達(dá)式如下：copt,xopt=mincx(lmisys,options,xinit,target)求解器Mincx( )求解的優(yōu)化問題如下

35、這是一個(gè)具有線性矩陣不等式約束的線性目標(biāo)函數(shù)的最小化優(yōu)化問題；(3) 廣義特征值問題(GEVP)，對應(yīng)的求解器函數(shù)gevp( )的一半表達(dá)式如下：lopt,xopt=gevp(lmisys,nlfc,options,linit,xinit,target)對于給定的兩個(gè)相同階數(shù)的對稱矩陣、和標(biāo)量，如果存在非零向量，使得，則稱為是矩陣和的廣義特征值。求解器gevp( )給出了優(yōu)化問題的全局最小值lopt和決策向量的最優(yōu)解xopt?？刂葡到y(tǒng)中的一些性能指標(biāo)、穩(wěn)定性判據(jù)可以轉(zhuǎn)化為LMI的以上三類標(biāo)準(zhǔn)問題，其原因是：一方面Lyapunov方法易得到凸的或擬凸的條件；另一方面LMI本身能表示范圍廣泛的不同

36、類凸約束。2.2 一些常用的基本引理引理 為適維的常數(shù)矩陣，并且，是適維的單位矩陣，則存在，使得下式成立：引理 給定適當(dāng)維數(shù)的矩陣、和，其中對稱的，則對所有滿足的矩陣成立，當(dāng)且僅當(dāng)存在一個(gè)常數(shù)，使得引理2.2.3 對給定的對稱矩陣，其中是rxr維的。以下三個(gè)條件是等價(jià)的：(1) ；(2) ；(3) 在一些控制問題中，經(jīng)常遇到二次型矩陣不等式： 其中：是給定的適當(dāng)維數(shù)的常數(shù)矩陣，是對稱矩陣變量，則應(yīng)用引理2.2.3，可以將該二次型矩陣不等式可行性問題轉(zhuǎn)化成一個(gè)等價(jià)的矩陣不等式引理2.2.4 是適維矩陣，是適維單位陣，是同維向量，則下式成立：，其中引理2.2.5 在引理2.2.4中，如果令則：2.

37、3 本章小結(jié)本章主要介紹了線性矩陣不等式的一些基礎(chǔ)知識以及MATLAB LMI工具箱。在本章中，列出了一些常用的引理，也對文中要用的矩陣不等式做了歸納總結(jié)并給出了證明。第3章 線性時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯無關(guān)的狀態(tài)反饋控制3.1 引言近年來，不確定系統(tǒng)的研究涌現(xiàn)出許多的成果。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，不確定性和時(shí)滯性是不可避免的，它們的存在往往是導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定的內(nèi)在因素。這類問題的本質(zhì)是帶攝動的無窮維問題，所以不確定性的滯后控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定研究就比較困難，而實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常又不能無條件地用無滯后的不確定系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的攝動抑制及時(shí)滯抑制是系統(tǒng)魯棒性研究中一類很重要的問題，在實(shí)際系統(tǒng)分析及綜合中具有重要意義。因

38、此，下面分別對不確定系統(tǒng)和具有時(shí)滯的不確定系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。3.2 線性不確定系統(tǒng)的魯棒控制器設(shè)計(jì)在魯棒控制中，不確定動態(tài)系統(tǒng)的概念是相當(dāng)重要的。為了進(jìn)行有效的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)必須用一個(gè)相對簡單的模型來描述，而這樣一個(gè)簡化模型和實(shí)際對象之間的差距稱為模型不確定性。除了在模型簡化中可能帶來模型的不確定性外，對系統(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)，由于系統(tǒng)環(huán)境的變化、元器件的老化、某些物理參數(shù)的漂移或隨時(shí)間的未知變化等因素所帶來的系統(tǒng)行為的變化也可能導(dǎo)致模型不確定性的產(chǎn)生，因此就要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器使不確定系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。本節(jié)主要是在系統(tǒng)的狀態(tài)反饋中加入了不

39、確定的系數(shù)，從簡單的線性不確定系統(tǒng)著手，來進(jìn)行理論的推導(dǎo)和驗(yàn)證，推導(dǎo)出來的理論又通過一個(gè)實(shí)際的例子進(jìn)行了驗(yàn)證與仿真。不僅證明了定理的正確性，而且通過理論分析和實(shí)例表明，設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器還具有一定的魯棒性，即在受到一定的不確定干擾時(shí)系統(tǒng)仍是穩(wěn)定的。 問題描述考慮具有如下形式的線性不確定系統(tǒng) (3-1)其中：是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，是系統(tǒng)的控制輸入，是具有適當(dāng)維數(shù)的已知常數(shù)矩陣，是適當(dāng)維數(shù)的不確定矩陣函數(shù)，表示了系統(tǒng)模型中的參數(shù)不確定性。假定所考慮的參數(shù)不確定性是參數(shù)有界的，且具有以下的形式：其中，是適當(dāng)維常數(shù)矩陣，為未知的Lebesgue可測矩陣函數(shù)，且滿足取狀態(tài)反饋控制律如下： (3-2)在狀態(tài)

40、反饋控制律(3-2)的作用下得到閉環(huán)系統(tǒng)如下所示： 主要結(jié)果和推導(dǎo)過程定理3.2.1：對于給定線性不確定無時(shí)滯系統(tǒng)(3-1)，存在線性狀態(tài)反饋(3-2)，使得閉環(huán)系統(tǒng)是二次穩(wěn)定的充分條件是存在適當(dāng)?shù)恼龜?shù)，正定對稱矩陣以及矩陣，使得如下線性矩陣不等式成立： (3-3)證明：定義如下Lyapunov函數(shù) 函數(shù)兩邊同時(shí)對求導(dǎo)，有下式成立： 令，則因?yàn)閯t由引理2.2.1得：應(yīng)用Schur補(bǔ)引理得： (3-4)比較可知，線性矩陣不等式(3-4)與不等式(3-3)等價(jià)，因此，系統(tǒng)(3-1)是穩(wěn)定的，且具有一定的魯棒性。 仿真實(shí)例考慮系統(tǒng)(3-1)具有如下的各矩陣參數(shù)：，已知矩陣已經(jīng)給定，要求設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)反

41、饋控制器，使得被控系統(tǒng)穩(wěn)定并且具有一定的魯棒性，且仿真出來系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)圖。解：利用MATLAB的LMITOOL工具可以解得未知矩陣(即lmiedit函數(shù))，所編程序如附錄中的(附錄1)所示。運(yùn)行程序解得：(即附錄1中ew值)，由MATLAB的SIMULINK工具箱在狀態(tài)反饋控制律的作用下的系統(tǒng)的方塊圖：圖3-1 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的方塊圖由附錄1中所計(jì)算得的增益值輸入在圖中的Matrix Gain中，選取一定值運(yùn)行即得如下所示的系統(tǒng)狀態(tài)階躍響應(yīng)圖：圖3-2 系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)從仿真圖3-2中可以看到系統(tǒng)的響應(yīng)隨著時(shí)間的增大而逐漸趨近于穩(wěn)定，這就說明由本方法得到的狀態(tài)反饋控制律能保證閉環(huán)系統(tǒng)

42、具有一定的魯棒性。3.3 線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯無關(guān)魯棒控制器設(shè)計(jì)由于時(shí)滯現(xiàn)象在實(shí)際工程中是普遍存在的，同時(shí)，它又是使系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素，因此，對于時(shí)滯控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究一直受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的極大關(guān)注。對于時(shí)滯控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究結(jié)果主要有兩類:一類是與時(shí)滯大小無關(guān)的系統(tǒng)穩(wěn)定條件；另一類是系統(tǒng)時(shí)滯相關(guān)穩(wěn)定的判別準(zhǔn)則。時(shí)滯無關(guān)的穩(wěn)定判別準(zhǔn)則的主要特點(diǎn)是簡潔實(shí)用。本節(jié)的主要工作是提出線性時(shí)滯系統(tǒng)的一些與時(shí)滯無關(guān)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，理論分析和實(shí)例表明，研究結(jié)果具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 問題描述考慮具有如下形式的線性不確定系統(tǒng) (3-5)其中：是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，是系統(tǒng)的控制輸入，是具有適當(dāng)維數(shù)

43、的已知常數(shù)矩陣，為時(shí)滯參數(shù)值。是反映系統(tǒng)模型中參數(shù)不確定性的未知實(shí)矩陣，假定所考慮的參數(shù)不確定性是參數(shù)有界的，且具有以下的形式：其中，是適當(dāng)維常數(shù)矩陣，為未知的Lebesgue可測矩陣函數(shù)，且滿足取狀態(tài)反饋控制律如下： (3-6)在狀態(tài)反饋控制律(3-6)的作用下得到閉環(huán)系統(tǒng)如下所示： 主要結(jié)果和推導(dǎo)過程定理3.3.1：對于給定線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)(3-5)，存在線性狀態(tài)反饋(3-6)，使得閉環(huán)系統(tǒng)是二次穩(wěn)定的充分條件是存在適當(dāng)?shù)恼龜?shù)，正定對稱矩陣以及矩陣，使得如下線性矩陣不等式成立： (3-7)證明：定義如下Lyapunov函數(shù)函數(shù)兩邊同時(shí)對求導(dǎo)，有下式成立： 因?yàn)閯t由引理得：將其代入，則變成

44、：我們可以令：即得要證明，只需要證明即可。在的左右兩邊同時(shí)乘以，再令，可以得到： (3-8)對于不等式(3-8)應(yīng)用Schur補(bǔ)引理即得： (3-9)比較可知，線性矩陣不等式(3-9)與不等式(3-7)等價(jià)，因此，系統(tǒng)(3-5)是穩(wěn)定的，且具有一定的魯棒性。證畢。 仿真實(shí)例考慮系統(tǒng)(3-5)具有如下的各矩陣參數(shù)：， ，已知矩陣已經(jīng)給定，要求設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)反饋控制器，使得被控系統(tǒng)穩(wěn)定并且具有一定的魯棒性，且仿真出來系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)圖。解：利用MATLAB的LMITOOL工具可以解得未知矩陣(即lmiedit函數(shù))，所編程序如附錄中的(附錄2)所示。運(yùn)行程序解得：(即附錄2中ew值)，由MATLA

45、B的SIMULINK工具箱在狀態(tài)反饋控制律的作用下的系統(tǒng)的方塊圖：圖3-3 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的方塊圖由附錄2中所計(jì)算得的增益值輸入在圖中的Matrix Gain和Matrix Gain1中，選取一定值運(yùn)行即得如下所示的系統(tǒng)狀態(tài)階躍響應(yīng)圖：圖3-4 系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)（時(shí)滯d=0.5）圖3-5 系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)（時(shí)滯d=1.0）在系統(tǒng)取不同的時(shí)滯常數(shù)值的情況下，從仿真圖3-4和3-5中可以看到系統(tǒng)的響應(yīng)隨著時(shí)間的增大而趨近于穩(wěn)定，并且穩(wěn)定時(shí)間基本相同，這就說明由本方法得到的狀態(tài)反饋控制律能保證閉環(huán)系統(tǒng)具有一定的魯棒性。3.4 具有時(shí)滯項(xiàng)不確定的線性時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯無關(guān)魯棒控制器設(shè)計(jì) 問題描述考慮具

46、有如下形式的線性不確定時(shí)滯系統(tǒng) (3-10)其中：是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，是系統(tǒng)的控制輸入，是具有適當(dāng)維數(shù)的已知常數(shù)矩陣，為時(shí)滯參數(shù)值。，是反映系統(tǒng)模型中參數(shù)不確定性的未知實(shí)矩陣，假定所考慮的參數(shù)不確定性是參數(shù)有界的，且具有以下的形式：其中，是適當(dāng)維常數(shù)矩陣，為未知的Lebesgue可測矩陣函數(shù)，且滿足取狀態(tài)反饋控制律如下： (3-11)在狀態(tài)反饋控制律(3-11)的作用下得到閉環(huán)系統(tǒng)如下所示： 主要結(jié)果和推導(dǎo)過程定理3.4.1：對于給定線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)(3-10)，存在線性狀態(tài)反饋(3-11)，使得閉環(huán)系統(tǒng)是二次穩(wěn)定的充分條件是存在適當(dāng)?shù)恼龜?shù)，正定對稱矩陣以及矩陣，使得如下線性矩陣不等式成立：

47、(3-12)證明：定義如下Lyapunov函數(shù)函數(shù)兩邊同時(shí)對求導(dǎo)，有下式成立：因?yàn)閯t由引理2.2.1得：將其代入，則變成：=可以令：即得要證明0，只需要證明即可。在的左右兩邊同時(shí)乘以，再令，可以得到： (3-13)對于不等式(3-13)應(yīng)用Schur補(bǔ)引理即得： (3-14)比較可知，線性矩陣不等式(3-14)與不等式(3-12)等價(jià)，因此，系統(tǒng)(3-10)是穩(wěn)定的，且具有一定的魯棒性。證畢。 仿真實(shí)例考慮系統(tǒng)(3-10)具有如下的各矩陣參數(shù)：，已知矩陣已經(jīng)給定，要求設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)反饋控制器，使得被控系統(tǒng)穩(wěn)定并且具有一定的魯棒性，且仿真出來系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)圖。解：第一步：利用MATLAB的LM

48、ITOOL工具可以解得未知矩陣(即lmiedit函數(shù))，所編程序如附錄中的(附錄3)所示。運(yùn)行程序解得：(即附錄3中ew值)， 由MATLAB的SIMULINK工具箱在狀態(tài)反饋控制規(guī)律的作用下的系統(tǒng)的方塊圖：圖3-6 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的方塊圖由附錄3中所計(jì)算得的增益值加在圖中的Matrix Gain和Matrix Gain1中，選取一定的時(shí)滯值即得如下所示的系統(tǒng)狀態(tài)階躍響應(yīng)圖：圖3-7 系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)（時(shí)滯d=0.5）圖3-8 系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)（時(shí)滯d=1.0）在系統(tǒng)取不同的時(shí)滯常數(shù)值的情況下，從仿真圖3-7和3-8中可以看到系統(tǒng)的響應(yīng)隨著時(shí)間的增大而趨近于穩(wěn)定，并且穩(wěn)定時(shí)間基本相同，這

49、就說明由本方法得到的狀態(tài)反饋控制律能保證閉環(huán)系統(tǒng)具有一定的魯棒性。3.5 本章小結(jié)本節(jié)針對一類不確定線性時(shí)滯系統(tǒng)，即在系統(tǒng)矩陣具有不確定性且具有時(shí)滯環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中，給出了使與時(shí)滯無關(guān)的系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。通過求解線性矩陣不等式，獲得了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)反饋控制器，為解決實(shí)際應(yīng)用提供了一種可行的設(shè)計(jì)方案，并且通過仿真驗(yàn)證了結(jié)論的正確性，具有一定的理論意義及實(shí)際價(jià)值。在3.2，3.3，3.4節(jié)中對于線性不確定系統(tǒng)和不確定時(shí)滯無關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)反饋魯棒控制器的設(shè)計(jì)，基于Lyapunov穩(wěn)定的直接法給出了狀態(tài)反饋控制律作用下的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件，并且通過實(shí)際的仿真實(shí)例對所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果

50、表明設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器具有很好的魯棒性。第4章 線性時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯相關(guān)的狀態(tài)反饋控制4.1 引言在眾多的工業(yè)過程中，時(shí)滯現(xiàn)象是大量存在的，因此，對不確定時(shí)滯系統(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定問題的研究不僅具有理論意義，也是控制工程實(shí)踐的需要。近年來，利用Riccati方程方法來研究線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒鎮(zhèn)定問題正受到越來越多的關(guān)注，但在很多實(shí)際系統(tǒng)中，我們可能無法得知時(shí)滯變化率的情況，而只知道系統(tǒng)的時(shí)滯范圍，在這種情況下，以上結(jié)果就無法適用或過于保守。正是由于不依賴時(shí)滯的結(jié)果在某些情況下存在局限性，一些學(xué)者提出了時(shí)滯依賴的魯棒穩(wěn)定判據(jù)和鎮(zhèn)定方法。時(shí)滯依賴魯棒穩(wěn)定性判據(jù)基于一個(gè)Riccati方程，求解時(shí)涉及到多個(gè)標(biāo)

51、量參數(shù)和對稱正定矩陣的整定問題，但目前還沒有有效的整定方法。由于線性矩陣不等式(LMI)存在有效數(shù)值求解方法，容易對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視。針對上述問題本節(jié)將對線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)的時(shí)滯相關(guān)魯棒鎮(zhèn)定問題進(jìn)行研究。4.2 線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯相關(guān)魯棒控制器設(shè)計(jì)時(shí)滯系統(tǒng)在化工處理、柔性機(jī)器人、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)控制等領(lǐng)域具有廣泛的背景，時(shí)滯的存在使得穩(wěn)定性的檢驗(yàn)變得更加復(fù)雜，經(jīng)過國內(nèi)外許多學(xué)者的努力，迄今為止，已有很多檢驗(yàn)穩(wěn)定性的方法?，F(xiàn)有的穩(wěn)定性準(zhǔn)則大致可分為兩類：其一為時(shí)滯獨(dú)立準(zhǔn)則，它不含時(shí)滯的任何消息；其二為時(shí)滯相關(guān)準(zhǔn)則，它與滯后的大小有關(guān)。由于缺少了時(shí)滯的信息，時(shí)滯獨(dú)立準(zhǔn)則必然會使其

52、穩(wěn)定性準(zhǔn)則具有保守性，尤其是滯后量較小的情況。因此，下面將對線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)的時(shí)滯相關(guān)魯棒鎮(zhèn)定問題進(jìn)行研究。 問題描述考慮具有如下形式的線性不確定時(shí)滯系統(tǒng) (4-1)其中：是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，是系統(tǒng)的控制輸入，是具有適當(dāng)維數(shù)的已知常數(shù)矩陣，為時(shí)滯參數(shù)值。，是反映系統(tǒng)模型中參數(shù)不確定性的未知實(shí)矩陣，假定所考慮的參數(shù)不確定性是參數(shù)有界的，且具有以下的形式：其中，是適當(dāng)維常數(shù)矩陣，為未知的Lebesgue可測矩陣函數(shù)，且滿足取狀態(tài)反饋控制律如下： (4-2)在狀態(tài)反饋控制律(4-2)的作用下得到閉環(huán)系統(tǒng)如下所示： 主要結(jié)果和推導(dǎo)過程定理4.2.1：對于給定線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)(4-1)，存在線性狀態(tài)反

53、饋(4-2)，使得閉環(huán)系統(tǒng)是二次穩(wěn)定的充分條件是存在適當(dāng)?shù)恼龜?shù)，正定對稱矩陣，矩陣以及，使得如下線性矩陣不等式成立： (4-3)其中：證明：由于即：將其代入系統(tǒng)(4-1)，則系統(tǒng)可表示成： 定義如下Lyapunov函數(shù)：，分別對進(jìn)行求導(dǎo)，有如下形式：對求導(dǎo)：根據(jù)引理2.2.5，得：對求導(dǎo)：對求導(dǎo)：則得： 其中：則：等價(jià)于：上式等價(jià)于： (4-4)其中：若式(4-4)成立，則存在不為零的適維向量使得下式成立： (4-5)不等式(4-5)與下式等價(jià)： (4-6)其中：在矩陣不等式(4-6)的兩邊分別左乘和右乘，假設(shè)，并利用Schur補(bǔ)引理，不等式(4-7)與線性矩陣不等式(4-3)等價(jià)，有如下形式

54、：(4-7)其中： 證畢。 仿真實(shí)例考慮系統(tǒng)(4-1)具有如下的各矩陣參數(shù)：，已知矩陣已經(jīng)給定，要求設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)反饋控制器，使得被控系統(tǒng)穩(wěn)定并且具有一定的魯棒性，且仿真出來系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)圖。解：第一步：利用MATLAB的LMITOOL工具可以解得未知矩陣(即lmiedit函數(shù))，所編程序如附錄中的(附錄4)所示。運(yùn)行程序解得：，由MATLAB的SIMULINK工具箱在狀態(tài)反饋控制律的作用下的系統(tǒng)的方塊圖：圖4-1 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的方塊圖由附錄4中所計(jì)算得的增益值輸入在圖中的Matrix Gain和Matrix Gain1中，選取一定時(shí)滯值運(yùn)行即得如下所示的系統(tǒng)狀態(tài)階躍響應(yīng)圖：圖4-2 系統(tǒng)的狀態(tài)階躍響應(yīng)從仿真圖4-2中可以看到系統(tǒng)的響應(yīng)隨著時(shí)間的增大而逐漸趨近于穩(wěn)定，這就說明由本方法得到的狀態(tài)控制反饋能保證閉環(huán)系統(tǒng)具有一定的魯棒性。4.3 本章小結(jié)本節(jié)針對線性不確定時(shí)滯系統(tǒng)的時(shí)滯相關(guān)魯棒鎮(zhèn)定問題進(jìn)行研究，并且通過實(shí)際的仿真實(shí)例對所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器具有很好的魯棒性。結(jié)