基于模糊模型的复杂系统状态估计与滤波方法研究

发布时间：2020-07-14 00:51

【摘要】：当代社会井然有序的运作有赖于各类复杂系统的顺利运行。复杂系统在自然科学领域和社会科学领域的研究地位不言而喻。然而对复杂系统没有一个简明的定义,通常认为复杂系统具有非线性、高维度和内部组成相互关联等属性。复杂系统在人们生活的环境中比比皆是,例如城市交通网络,集成电路系统以及基因调控网络等。通常定义由有限个非线性子系统通过耦合联结而成的高维度互联大系统为复杂系统。作为一类典型的复杂系统,非线性互联大系统因其在实际应用和理论研究中的重要性成为广大学者的研究热点。在一些实际的复杂系统中,外部干扰的存在以及有限的信道资源都会直接或者间接的影响着系统的动态性能。而且由于器件在工作以及信号在传输过程中常常会产生的摄动现象使得建立的模型需要更加精细,更加贴近实际的动态系统。此外,切换机制的存在可能会直接或者间接的影响着复杂系统的动态性能。对具有切换机制的复杂系统研究同样迫在眉睫。非线性切换系统由具有有限个连续时间或离散时间动力学的非线性子系统和控制任何特定子系统在任何时刻沿切换系统轨迹运动的切换规则组成。由于在非线性切换系统的状态估计问题研究中系统模式切换和滤波器切换之间可能存在异步现象。基于上述因素对复杂系统模型的分析、状态估计与滤波以及信号数据传输机制的研究具有很高的研究意义和工程应用前景。T-S模型已经被证明是致密集上万能逼近器去逼近各种顺滑的非线性函数。利用T-S模糊模型对复杂系统进行建模可以解决复杂系统非线性的问题。本论文的主要工作以及创新之处如下:(1)本论文研究了基于T-S模糊模型的非线性互联大系统的非脆弱H_∞滤波问题。滤波器在工作的过程中可能会因为外部环境以及内部元件老化的影响出现参数的摄动,针对这一问题设计非脆弱的H_∞滤波器有着重要的实际意义。由于互联大系统由有限个非线性子系统相互关联耦合而成,集中式的滤波方式对于复杂系统而言,可能会因为规模和数据的过大,造成传输信道的拥堵和丢包现象严重,而且在实际应用中也比较难实现。本文针对基于T-S模糊模型的离散互联大系统设计了分布式非脆弱H_∞滤波器,根据滤波器的设计准则,对建立的滤波误差系统模型进行稳定性及H_∞性能进行分析,并在上述分析结果的基础上得到非脆弱∞滤波器设计方法。(2)本论文研究了非线性互联大系统基于事件触发的H_∞分布式非脆弱滤波器设计问题。由于传统的时间触发机制中有很多不必要的数据被采样和传输,本文针对基于T-S模糊模型的互联大系统提出了基于事件触发机制的H_∞滤波器,事件触发机制中事件只有在满足一定的条件才能执行相应的任务,从而减少了事件更新频率和不必要数据对信道的占用。通过仿真实验验证了所提事件触发机制确实提高了信道资源的利用率,同时保证了滤波误差系统的稳定性及期望的H_∞性能。(3)本论文研究了离散非线性切换系统的异步H_∞滤波问题。由于在实际工程中,各个非线性子系统所属滤波器经常在非线性子系统切换的瞬间不能及时的运行,根据上述异步现象本文针对基于T-S模糊模型的离散切换系统设计了异步H_∞滤波器。根据实际运行情况,构造存在一定范围内能量上升的Lyapunov能量函数结合模型依赖平均驻留时间的方法对稳定性及H_∞性能进行分析。(4)本论文针对非线性互联大系统还设计了基于耦合的事件触发机制的H_∞滤波器。在系统实际运行过程中,当系统在没有干扰作用于系统的情况下执行控制任务,采用触发阈值独立于系统状态的事件触发机制对降低通信负担作用可能有限。本文结合触发阈值独立于系统状态的事件触发机方案和触发阈值依赖于系统状态事件触发方案,针对基于T-S模糊模型的互联大系统提出了基于耦合的事件触发机制,相比于传统的事件触发机制能进一步的减少不必要的数据传输。通过仿真实验验证了所提的基于耦合的事件触发机制确实提高了信道资源的利用率,同时保证了滤波误差系统的稳定性及期望的H_∞性能。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP13;TN713

【参考文献】