帶有輸入加性時滯的切換系統的異步H∞控制

李莉莉，金翠麗，苑春波

(遼寧師范大學 數學學院，遼寧 大連 116029)

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帶有輸入加性時滯的切換系統的異步H∞控制

李莉莉，金翠麗，苑春波

(遼寧師范大學 數學學院，遼寧 大連 116029)

摘要：研究一類輸入中帶有兩個加性時變時滯的切換系統的異步H∞控制問題?？刂破髑袚Q信號的時變延時導致子系統和控制器切換不同步。針對兩類延時,基于平均駐留時間(ATD)方法和合并切換信號技術,構造僅在系統模態和控制器模態匹配時下降的Lyapunov-Krasovskii (L-K)泛函。結合兩種積分不等式,充分利用加性時滯信息的基礎上引入較少的松弛矩陣,避免耦合線性矩陣不等式計算復雜,得到一種保守性較低的狀態反饋控制器。系統在相應的平均駐留時間內的任意切換信號下異步H∞問題可解。最后數值例子驗證了結論的有效性。

關鍵詞：異步切換；輸入加性時滯；H∞控制；平均駐留時間(ADT)

時滯是實際系統中一種無法避免的現象,時滯的存在會導致系統性能變差甚至不穩定,因此切換時滯系統的研究具有重要的理論價值和實際意義。在切換時滯系統的研究中,ADT方法因切換規則設計的靈活性倍受青睞[1-4]?，F有文獻較少考慮系統接收切換信號至實施切換動作過程中的延時。文獻[5]討論了一類狀態中含有常時滯的Lipschitz非線性切換系統的異步魯棒控制問題,當切換信號存在有界常時延時,使用駐留時間方法得到系統指數穩定的條件。文獻[3]基于ADT方法和半正定規劃方法得到切換信號發生常延時的一類輸入時滯系統指數穩定的條件。與文獻[3,5]得到兩組耦合的矩陣不等式不同,文獻[4]研究一類切換信號帶有時變延時的輸入常時滯切換系統的異步H∞控制問題,構造含有一重積分的新L-K泛函,所得穩定性條件中非耦合的線性矩陣不等式降低了計算的復雜度。加性時滯有著廣泛的實際背景,如網絡控制系統中的信號傳遞過程。從傳感器到控制器的延時同控制器到執行器的延時性質不同,將兩種延時直接加和處理是不合理的,因此加性時滯系統穩定性的分析應該充分考慮兩種延時的時滯信息[6]。文獻[7-10]采用幾種不同形式的Jensen積分不等式的變形形式討論了幾類加性時滯系統的穩定性。文獻[8]引進自由權矩陣方法構造新L-K泛函,得到低保守性的穩定條件;文獻[9]和[10]通過分解時滯增加穩定性條件中的時滯信息,降低結論的保守性;文獻[11]將加性時滯引入切換系統,討論一類加性時滯切換系統的加權H∞濾波問題。

本文針對一類輸入中帶有兩個加性時變時滯的切換系統,考慮控制器的切換滯后導致的子系統和控制器的不同步,研究異步H∞控制問題。首先,針對加性時滯和切換信號的延時,基于ADT方法和合并切換信號技術,構造新的L-K泛函。新泛函只要求在系統模態和控制器模態匹配時是下降的,同時一重積分項和二重積分項的使用增加了系統時滯信息。然后,結合兩種積分不等式處理泛函沿系統導數中的交叉項,充分利用加性時滯信息并引入較少的松弛矩陣,得到系統在一種保守性較低的異步控制器及相應的平均駐留時間內的任意切換信號下指數穩定且具有L2增益的充分條件。導出的不等式在不同切換狀態下是非耦合的,這對降低計算的復雜性有積極作用。最后數值例子檢驗了文中結果的有效性。

1系統描述及引理

考慮如下形式的一類切換系統

(1)

u(t)=Kσ(t-ds(t))x(t-d1(t)-d2(t)),

(2)

(3)

注1在實際系統中,信號從一個節點到另一個節點可能經歷幾段網絡,產生不同屬性的延時。將這些時滯的和作為一個時變時滯處理顯然不合理;即便是具有相同屬性的時滯,它們和也不一定在每個時滯取最大值時達到最大。因此,式(2)中的加性時滯具有更廣泛、更合理的應用背景。

下面給出本文證明過程中將用到的定義及引理。

定義2系統(1)的異步H∞控制問題可解,若存在形如(2)的控制器和滿足ADT的異步切換規則使得

(i)當w(t)=0時,系統(3)是指數穩定的;

定義3[4]對任意的t2>t1≥0,令Nσ(t1,t2)為系統在區間(t1,t2)上的切換次數,若對于N0≥0,τα>0,有Nσ(t1,t2)≤N0+(t2-t1)/τα成立,則稱τα為平均駐留時間。Save[τα,N0]表示由τα和N0確定的切換信號集合。

引理1[12]對取定的σ1(t)∈Save[τα,N0]和σ2(t)=σ1(t-ds(t))(0≤ds(t)≤ds)有

(i)σ2(t)∈Save[τα,N0+(ds/τα)];

引理4[14]設0≤d(t)≤b2,其中d(t):R+→R+,對任意的Z=ZT>0,如下不等式成立:

引理5[15]假設γ1≤γ(t)≤γ2,式中γ(·):R+→R+,對于任意適當維數的常數矩陣Ξ1，Ξ2和Ξ,Ξ+(γ(t)-γ1)Ξ1+(γ2-γ(t))Ξ2<0當且僅當Ξ+(γ2-γ1)Ξ1<0,Ξ+(γ2-γ1)Ξ2<0。

2主要結果

本節給出系統(1)在控制器(2)下的異步H∞控制問題可解的充分條件。

(4)

則存在形如(2)的狀態反饋控制器確保系統(1)在平均駐留時間τα滿足

(5)

證明由于控制器中存在切換信號時滯ds(t),當系統從第j個子系統切換到第i個子系統時,控制器Kj仍處于激活狀態。此時將切換系統(1)可改寫成如下形式：

(6)

(7)

由引理5可知，Σii<0當且僅當

(8)

(9)

(10)

同理可知

(11)

同時考慮(4)和(7),可以得到

(12)

(13)

使用(12)對(13)進行迭代可以得到

(14)

(15)

由(5)知存在λ使得2lnμ/τα+(λs+λu)d/τα<λ<λs-(λs+λu)ds/τα,即

(λs+λu)ds<(λs-λu)τα,λ[2lnμ+(λs+λu)d]/τα。

(16)

所以同時考慮(14)-(16)和引理2可得

(17)

注2所構造的L-K泛函(7)只要求在系統模態和控制器模態匹配時是下降的。此外(7)中引入了二重積分項,充分利用了時滯信息,能夠有效地降低所得結果的保守性。

注3定理1使用了引理3和引理4中的兩種積分不等式來處理泛函沿系統導數中的交叉項,充分考慮時滯信息的同時引入了較少的松弛矩陣,降低了計算量。

注4一些文獻[8,10]得到的不等式是耦合的,求解過程復雜?；诒疚臉嬙斓腖-K泛函,定理1中導出的不等式在不同切換狀態下是非耦合的,有效降低了計算的復雜性。

當控制器(2)中切換信號延時ds(t)=0時,有以下同步切換的結果。

3數值例子

本節將通過數值例子驗證文中提出的結論的有效性?？紤]含有兩個子系統的切換系統為:

式中，σ(t):[0,∞)→M={1,2},

取μ=1.51,λs=0.6,λu=0.5,d1=0.2,d2=0.3,h1=0.2,h2=0.3,使用MATLAB的LMI工具箱求解定理1中的線性矩陣不等式組，可知上述系統異步H∞控制問題可解，同時求得控制器增益

x0=[102]T時,相應的閉環系統的狀態響應如圖2。

圖1　切換信號

圖2　狀態反饋

4結語

本文考慮了一類時滯切換系統的異步H∞控制問題。系統的控制輸入中帶有兩個加性時變時滯,并且控制器的切換信號中也存在時變延時。根據ADT方法和合并切換信號技術,通過構造包含更多時滯信息的L-K泛函,建立了系統在異步H∞控制器及相應的切換規則下指數穩定且具有L2增益的充分條件。新泛函不僅對系統模態和控制器模態不匹配時沒有嚴格要求,能有效降低結論的保守性,還保證了導出的不等式在不同切換狀態下是非耦合的,從而降低了計算的復雜性。引理4的使用,在保留更多加性時滯信息的同時引入了較少的松弛矩陣,對降低計算的復雜度有積極作用。最后通過一個數值例子驗證了文中主要結果的有效性。

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(責任編輯王楠楠)

Asynchronous H∞Control for Switched Systems with Input Additive Delays

LI Li-li，JIN Cui-li，YUAN Chun-bo

(School of Mathematics, Liaoning Normal University, Dalian Liaoning 116029, China)

Abstract:The asynchronous H∞control is studied for a class of switched systems with two input additive time-varying delays. The time-varying delay in the switching signal of the controllers causes the asynchronous switching between the subsystems and the controllers. According to two types of delay, based on the modes of average dwell time (ADT) method and the merging switching signal technique, a Lyapunov-Krasovskii (L-K) function is constructed to descent only when the subsystems and the controllers are mode matching. By combining two kinds of the integral inequality, less slack matrices are introduced based on the full use of more additive delay information, avoiding coupled linear matrix inequalities technique calculation complexity, a less conservative state feedback controller is obtained. The asynchronous H∞control of the system is solved under arbitrary switching signal satisfying the corresponding ADT scheme. Finally, a numerical example verifies the effectiveness of the conclusion.

Key words:asynchronous switching；input additive delays；H∞control；average dwell time (ADT)

中圖分類號：TP13

文獻標志碼：A

文章編號：2096-1383(2016)01-0078-06

作者簡介：李莉莉(1982-)，女，遼寧大連人，副教授，博士，主要從事切換系統控制理論研究。

基金項目：國家自然科學 (61304056);遼寧省教育廳科學技術研究項目(L2013409)。

收稿日期：2015-06-25；最后修回日期：2015-11-16