模態依賴不確定時滯Markov跳變系統魯棒耗散濾波器設計方法

劉俊麗,周敬軒,周秀杰,吳漲波,彭淑羅,李艷輝

(1.東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江大慶 163318; 2.北京市昌平區第一中學,北京 102200; 3.上海海洋大學工程學院,上海 201306; 4.中國石油華北油田公司數據中心,河北任丘 062550)

模態依賴不確定時滯Markov跳變系統魯棒耗散濾波器設計方法

劉俊麗1,周敬軒2,周秀杰1,吳漲波3,彭淑羅4,李艷輝1

(1.東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江大慶 163318; 2.北京市昌平區第一中學,北京 102200; 3.上海海洋大學工程學院,上海 201306; 4.中國石油華北油田公司數據中心,河北任丘 062550)

Markov跳變系統描述系統結構隨時間變化的規律,使系統性能不受外界因素和內部結構的影響.針對一類模態依賴不確定時滯Markov跳變系統,引入耗散性能,設計相應的魯棒濾波器.通過時滯依賴Lyapunov函數構造,利用伊藤微分規則和變量替換法,建立濾波誤差系統均方隨機漸近穩定、且嚴格魯棒耗散的充分條件;并利用求解線性矩陣不等式設計濾波器.數值仿真結果驗證設計方法的可行性.

Markov跳變系統;魯棒耗散濾波器;模態依賴;線性矩陣不等式

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.014

0　引言

Markov跳變系統是一類隨機混雜系統,包含時間演化和事件驅動兩種動態機制.一方面,它可以描述實際系統在運行過程中由環境變化、元件失效等引起結構參數發生隨機突變的現象,因此受到廣泛關注[1-2].文獻[3]利用期望的逗留時間,建立系統幾乎必然穩定的充分條件.文獻[4]結合TP(Transition Probability)特性和矩陣變換法,研究轉移概率部分已知的不確定Markov跳變系統的H∞狀態反饋控制問題.文獻[5]針對離散時間廣義非線性Markov跳變系統設計l2-l∞濾波器.文獻[6]對具有時延和丟包的網絡控制系統建立Markov跳變模型,設計H∞濾波器.另一方面,時滯和不確定性使得系統性能變差[7],因此,有必要對不確定時滯Markov跳變系統進行研究.

耗散性能建立能量函數與供給率之間的關系,在系統穩定性分析和魯棒控制方面起重要作用[8-10].文獻[11]基于T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型,討論具有隨機時延的非線性系統模糊耗散濾波器設計方法.文獻[12]針對一類具有傳感器故障和隨機丟包的網絡控制系統,設計魯棒可靠性耗散濾波器.文獻[13]考慮凸多面體不確定性,研究中立系統魯棒耗散濾波問題.近年來,耗散性能研究已經延伸到Markov跳變系統[14-15].然而,現有文獻大多研究耗散控制問題,為了進一步完善綜合控制問題,研究Markov跳變系統的魯棒耗散濾波問題具有重要意義.

針對一類模態依賴不確定時滯Markov跳變系統,文中采用矩陣變換方法,實現Lyapunov矩陣和系統矩陣的解耦;運用Jensen不等式和線性矩陣不等式(LMIs)方法,得到保守性較低的濾波器存在的充分條件,保證濾波誤差系統均方隨機漸近穩定并具有嚴格耗散性.數值仿真結果表明,設計的濾波器可以較好地跟蹤原系統狀態,有效地抑制干擾.

1　系統描述及預備知識

考慮不確定時滯Markov跳變系統:

式中:x(t)為系統狀態向量,x(t)∈Pn;y(t)為系統測量輸出,y(t)∈Pq;z(t)為待估計信號,z(t)∈Pm;w(t)為擾動信號,w(t)∈Pp,且w(t)∈L2[0,∞);{r(t),t≥0}為定義在概率空間{Ω,F,P}上的連續時間Markov鏈,在有限模態集S={1,2,…N}取值,并且轉移概率矩陣Γ=(πij)i,j∈S.在時刻t+Δt從模態i轉移到模態j的概率為

當r(t)=i∈S時,記系統矩陣形式為A(r(t))=Ai0,ΔA(r(t),t)=ΔAi(t).其中,τ(r(t),t)為i模態下系統的時變,時延滿足0＜τi(t)≤di＜∞,˙τi(t)≤μi＜1,di和μi為實常數,令d=max{di}.系統的不確定參數可表示為

式中:H1i,H2i,E1i,E2i,E3i為適當維數的已知實矩陣,反映系統的不確定性結構;Fi(t)為滿足≤I的未知矩陣,且Lebesgue是可測的.

對于跳變系統(1),設計濾波器:

對于濾波誤差系統(5),二次能量供給函數定義為

K,S,P表示耗散供給率.魯棒耗散濾波包含魯棒H∞濾波(K=-I,S=0,P=γ2I)和魯棒無源濾波(K=0,S=I,P=0),并在兩者之間進行較好的折中,取得保守性較小的結果,更具一般性.為了說明濾波器的魯棒耗散性能,給出定義:

定義1 濾波誤差系統(5)是嚴格魯棒(K,S,P)耗散的,如果對于任意的T1＞0和所有非零的w(t)∈ L2[0,∞),在零初始條件下,存在常數α＞0,不等式成立.不失一般性,假設K＜0.

文中目標是確定濾波器參數Afi,Bfi,Cfi,使得濾波器(4)為跳變系統(1)的魯棒耗散濾波器.

2　魯棒耗散濾波器設計

定理1 給定矩陣S和對稱矩陣K,P,濾波誤差系統(5)魯棒耗散問題有解的充分條件:存在正定對稱矩陣Pi∈P2n×2n,Q1∈P2n×2n,Q2∈P2n×2n,Q3∈P2n×2n,使不等式成立:

證明 選取Lyapunov函數:

根據伊藤微分規則,得到系統的無窮小算子:

得:

式中:

定理1給出魯棒耗散濾波器存在的時滯依賴充分條件,與時滯無關相比,具有較小的保守性.文中推導時應用Jensen不等式處理積分項,減少計算量.

定理2 給定矩陣S和對稱矩陣K,P,對于系統容許的不確定性,存在魯棒耗散濾波器(4),當且僅當存在常數εi＞0和正定對稱矩陣以及矩陣Wi,Zi,Cfi時,使式(7)和式(8)成立.

證明 利用文獻[9]引理1,并結合Schur補性質可知式(6)等價于:

定義一組新的變量:Wi=YiAfi,Zi=YiBfi,代入不等式(11)可得式(8)成立,濾波器參數見式(9),定理得證.

當s={1}時,系統只有一個模態,系統(1)轉變為普通的線性系統.

3　仿真分析

關于城陽區鄉村旅游者喜歡的旅游項目，抽樣調查結果顯示，大多數旅游者喜歡采摘、劃船、農業觀光、農業種植、登山等體驗型鄉村旅游產品。棋牌類傳統鄉村旅游產品受歡迎程度不高，可見鄉村旅游者的需求在發生改變，而探險類新型旅游產品受歡迎程度較低，本文認為大多數旅游者還是非常注重鄉村旅游的安全性。

在初始條件x(0)=[1 1 1]T和干擾輸入w(t)=e-0.4tsin(πt)時,跳變系統的模態r(t)和干擾輸入見圖1,濾波誤差曲線見圖2,系統狀態x和濾波器估計的狀態xf曲線見圖3.

由圖(1-3)可知,在干擾作用下,考慮給定的耗散供給率,濾波估計狀態能夠很好地跟蹤系統狀態,濾波誤差曲線也能很快趨于穩定,說明系統具有較好的性能,證明文中方法的有效性.

圖1　跳變系統模態和干擾曲線Fig.1 Modal and interference curve

圖3　跳變系統狀態和濾波器估計狀態曲線Fig.3 System status and filter curves to estimate the state

4　結論

(1)根據Lyapunov穩定性理論,建立不確定時變時滯Markov跳變系統濾波器存在的充分條件,在所容許的不確定性和能量有界的外界干擾下,使濾波誤差系統均方隨機漸近穩定并滿足期望的耗散性能指標.

(2)考慮參數的不確定性,利用Schur補引理和全等變換法,提出LMIs形式的魯棒耗散濾波器設計方法.

(3)文中設計的濾波器對于干擾具有較強的魯棒性.

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TP273

A

2095-4107(2015)05-0112-07

2015-07-10;編輯:張兆虹

空間智能控制技術國家級重點實驗室開放基金項目(002008834000);黑龍江省博士后科學研究發展基金項目(LBHQ13177);黑龍江省自然科學基金項目(F201403);東北石油大學校內培育基金項目(XN2014112);東北石油大學研究生創新科研項目(YJSCX2014-029NEPU)

劉俊麗(1991-),女,碩士研究生,主要從事魯棒控制、濾波和智能控制方面的研究.

周敬軒,E-mail:zhoujingxuan-cp@163.com