基于連續時間T－S模糊模型非線性系統的穩定性分析

李 麗 芳

（吉林警察學院信息工程系，長春 130117）

基于連續時間T－S模糊模型非線性系統的穩定性分析

李 麗 芳

（吉林警察學院信息工程系，長春 130117）

針對一類連續時間非線性系統的穩定性分析問題，提出一種基于Takagi－Sugeno模糊模型的穩定性分析新方法.在模糊系統穩定性分析過程中，通過加入松弛矩陣技術，能充分考慮模糊隸屬函數時間導數的有用信息，并顯著增加穩定性分析的自由度，從而獲得比已有穩定性判據保守性更小的連續時間Takagi－Sugeno模糊系統穩定性判據.所提出的穩定性判據以線性矩陣不等式形式給出，可方便地通過MATLAB數值軟件求解.仿真實驗驗證了所提方法的有效性.

非線性系統；穩定性分析；T－S模糊模型；松弛矩陣

本文針對基于模糊Lyapunov函數的連續時間T－S模糊模型的穩定性分析問題，提出一種比已有研究結果保守性更小的穩定性分析方法.在設計過程中充分考慮了模糊隸屬函數導數的有用信息，提出一種松弛矩陣技術，獲得了比已有結果保守性更小的穩定性判據.仿真結果對比分析驗證了本文提出方法的有效性.

1 模糊系統預備知識和引理

考慮由如下r條IF－THEN型模糊規則描述的連續時間T－S模糊系統［1］：

其中：x（t）∈Rn表示n維系統狀態向量；ξ1（t），…，ξp（t）表示模糊模型的前件變量；Mij（i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，r）表示模糊集；Ai∈Rn×n表示模糊模型的已知參數矩陣.

根據標準的T－S模糊推理方法，系統（1）的總體模糊模型可表示為

在已有采用模糊Lyapunov函數進行系統穩定性分析中，人們試圖通過在設計中考慮模糊隸屬函數隨時間的導數信息減少所得穩定性判據的保守性，并常用如下關于模糊隸屬函數導數的假設條件：

假設1 對于連續時間T－S模糊系統（2），假設其模糊隸屬函數的導數變換界滿足如下條件［14］：

其中λi為模糊建模時確定的實數.

為方便，本文用x，hi和˙hi分別代替x（t），hi（ξ（t））和˙hi（ξ（t））.文獻［10－15］證明了假設條件（3）在實際應用中的可行性，并給出了針對具體問題時φi的計算方法.文獻［15］通過引入自由矩陣X，顯著減少了連續時間T－S模糊系統穩定性判據的保守性.

定理1［15］考慮滿足假設1的連續時間T－S模糊系統（3），若存在適當維數的矩陣M1和M2，對稱矩陣M3和Pi（i＝1，2，…，r），使得下列線性矩陣不等式成立：

引理1 對于適當維數的對稱矩陣X和R，如下兩個命題成立：

1）對于－φi≤˙hi≤0，?ξ（t），1≤i≤r，若有R＜0和－φiX＋R＜0成立，則˙hiX＋R＜0成立；

2）對于－φi≤˙hi≤φi，?ξ（t），1≤i≤r，若有φiX＋R＜0，R＜0和－φiX＋R＜0成立，則˙hiX＋R＜0成立.

證明：1）對于對稱矩陣X和非零向量x可知必有xTXx＜0或者xTXx≥0.于是，在－φi≤˙hi≤0，?ξ（t），1≤i≤r條件下，如果xTXx≥0，則有˙hixTXx≤0；否則有˙hixTXx≤－φixTXx.對于對稱矩陣R，如果xTXx≥0，則有xT（˙hiX＋R）x≤xT（R）x；否則有xT（˙hiX＋R）x≤xT（－φiX＋R）x，命題得證.

2）的證明與1）類似，故略.

2 主要結果

為進一步減少已有基于Lyapunov函數的連續時間T－S模糊系統穩定性判據的保守性，本文提出一種松弛矩陣技術，能更有效地考慮模糊隸屬函數時間導數的有用信息，獲得比文獻［15］保守性更小的穩定性判據.

定理2 考慮滿足假設1的連續時間T－S模糊系統（3），若存在適當維數的矩陣Mi1和Mi2，對稱矩陣Xi和Pi（i＝1，2，…，r），使得下列線性矩陣不等式成立：

證明：對于連續時間T－S模糊系統（3）使用模糊Lyapunov函數

不等式（4）保證了上述Lyapunov函數的合理性.

對上述模糊Lyapunov函數沿系統（3）軌跡求取時間導數可得：

不失一般性，在任意時刻必有某個模糊隸屬函數時間導數滿足

因此，由假設1、條件（9）和引理1可得到保證˙V（x）＜0成立的充分條件為如下兩個矩陣不等式成立：

其中此時，若有線性矩陣不等式（5），（6）成立，則矩陣不等式（13），（14）也成立，即連續時間T－S模糊系統（3）是全局漸近穩定的.證畢.

注1 在定理2中，本文通過提出一種有效的松弛矩陣技術，引入了更多自由矩陣變量Mi1，Mi2和Xi，使所推導的穩定性判據在其設計過程中充分考慮了模糊隸屬函數時間導數的有用信息，能顯著減小結果的保守性.此外，與文獻［15］相比，強約束條件Pi＋M3≥0（i＝1，2，…，r）在定理2中被合理去除，進一步增大了穩定性分析的解空間，減少了保守性.

3 仿真驗證

使用T－S建模方法建立上述非線性系統的模糊模型：

圖1 不同方法得到系統參數λ的最大值比較Fig.1 Comparison between system parameterλ values obtained via different methods

本文使用MATLAB的LMItools計算在相同假設1條件下分別利用本文提出的定理2和文獻［15］提出的定理1進行求解，并進行可變系統參數λ穩定范圍的比較.本文將假設1中的參數設定為φi∈｛0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0｝（i＝1，2）.圖1給出了在不同φi條件下分別使用文獻［15］方法和本文方法得到的系統參數λ的最大值比較結果.由圖1可見，對于每個φi，本文方法得到的λ最大值均大于文獻［15］方法得到的對應值，即本文提出的連續時間T－S模糊系統穩定區域大于文獻［15］得到的系統穩定區域，本文提出的穩定性判據具有更小的保守性.

下面在φi＝0.5條件下選擇λ＝16.7，該點在文獻［15］的T－S模糊系統穩定判據計算下是不穩定點，但本文的定理2能保證其為穩定點，即此時只有使用本文提出的定理2才能保證非線性系統在φi＝0.5條件下當λ＝16.7時是全局漸近穩定的.使用MATLAB LMI工具箱，求解線性矩陣不等式（4）～（6），可得到如下兩個可行的Lyapunov矩陣：

圖2 系統狀態向量軌跡Fig.2 Trajectory of system state variables

圖3 V1（x（t）），V2（x（t））和V（x（t））隨時間的變化軌跡Fig.3 Time trajectories of V1（x（t）），V2（x（t））and V（x（t））

綜上所述，本文提出了一種連續時間T－S模糊系統穩定性分析問題的新判據.通過使用有效的松弛矩陣技術，充分考慮了模糊隸屬函數時間導數的有用信息，可顯著減少所得系統穩定性判據的保守性.仿真驗證結果表明，本文方法與已有結果相比具有更好的優越性和有效性.

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（責任編輯：韓 嘯）

Stability Analysis of Nonlinear Systems Based on Continuous－Time Takagi－Sugeno Fuzzy Model

LI Lifang
（Department of Information Engineering，Jilin Police College，Changchun130117，China）

A novel stability analyisis method was proposed for addressing the problem of stability analysis of continuous－time nonlinear systems based on the Takagi－Sugeno fuzzy model.In the process of stability analysis，a slack matrix method was applied to further considering the useful underlying fuzzy membership functions’time derivative.Owing to more freedom can be introduced in virtue of the slack matrix method，the obtained stability criteria are less conservative than those existing ones.Furthermore，the stability criteria proposed are given in terms of linear matrix inequality，which is easily solved via MATLAB numerical software.Finally，a numerical example was given to illustrate the effectiveness of the proposed result.

nonlinear systems；stability analysis；T－S fuzzy model；slack matrix

TP273

A

1671－5489（2014）04－0789－05

現實世界中的系統通常具有非線性物理特征，而系統穩定性分析問題是控制論研究的重點.Takagi－Sugeno（T－S）模糊模型［1］有效解決了一類非線性系統的數學建模問題.文獻［2］證明了由于T－S模糊模型能以任意精度逼近定義在緊集上的一個連續非線性函數，在理論分析上賦予了基于T－S模糊模型非線性系統建模技術的合法性.在基于T－S模糊模型的非線性系統穩定性分析研究成果中，早期結果均選用單Lyapunov函數進行穩定性條件的設計，但由于這種單Lyapunov函數對于所有的模糊子系統使用同一個Lyapunov矩陣，因而所得到系統穩定性條件的保守性通常較大，在很大程度上限制了T－S模糊模型在非線性系統穩定性分析領域內的應用［3－8］.為了減少所得穩定性條件的保守性，文獻［4］提出了一種附件變量引入技術減少穩定性判據的保守性.文獻［5－8］在文獻［4］的基礎上進行了改進，得到了保守性更小的穩定性判據.但由于單Lyapunov函數本身固有的缺點使上述結論很難從本質上對穩定性結果的保守性進行改善，要想進一步減少保守性就必須設計新型的Lyapunov函數.文獻［9］提出了一種模糊Lyapunov函數，它能更充分考慮模糊隸屬函數的有用信息，顯著地減少了結果的保守性.在此基礎上，人們提出了許多基于模糊Lyapunov函數的模糊系統穩定性分析結果［10－15］.

10.13413／j.cnki.jdxblxb.2014.04.30

2014－02－28.

李麗芳（1970—），女，漢族，碩士研究生，副教授，從事控制論的研究，E－mail：lili＿fang99＠163.com.

國家自然科學基金（批準號：21127010）.