具有冗余通道的网络化切换系统滤波问题研究

发布时间：2018-11-12 18:02

【摘要】：切换系统可以建模模态切换现象以及切换控制方法,目前已经成为系统与控制领域研究的热点之一。根据切换信号类型,可以将切换分为随机性切换与一般性切换。尽管国内外学者已在关于这两类典型的切换系统的分析与综合上取得了许多重要的研究成果,然而研究中仍然存在大量的问题亟待发现、提出和解决,一些关键的研究方法尚需完善和改进。同时,随着生产实际对控制系统的性能要求越来越高,控制对象的动态机理越来越复杂,考虑简单子系统动态的切换系统往往不能很好地反映许多真实的系统动态过程,所获理论结果也很难应用于考虑数据丢包、时变时滞、数据量化、乘性噪声等复杂动态的实际系统。因此,在网络环境下,进一步深入、系统地开展随机性与一般性切换系统的建模、分析和综合工作,以及含有复杂子系统动态的切换系统的研究,定量或定性地分析这些子系统内复杂动态与系统动态特性之间的关系是解决上述问题的必由之路。本论文旨在基于国内外现有的研究工作基础上,进一步深入地研究网络化切换系统的滤波问题,提出了一些新的研究模型、新的研究问题以及新的研究方法。本论文给出了一些新的概念,如异步滤波器、时变Lyapunov函数、非权值性能指标等,去除了一些不符合工程实际的理想假设,降低了开发的研究结果的保守性,在网络环境下,考虑系统中含有随机丢包、时变时滞、量化以及乘性噪声等复杂动态情况下,解决了离散时间Markov跳跃系统的广义H2异步滤波以及非脆弱H∞滤波问题。进一步地,为了降低传输数据的丢包率,提高网络传输数据的可靠性,提出了一些新的网络化系统设计方法,如含单冗余通道的网络、含多冗余通道的网络、以及具有可变通讯能力的网络等,分别解决了基于离散时间非线性Markov跳跃系统的分布式滤波问题、基于离散模态依赖持续驻留时间(Modal persistent dwell time,MPDT)受限切换系统的广义H2滤波问题以及网络化系统的非脆弱H∞滤波问题。另外,获得的部分理论研究结果成功应用于一类基于云的汽车悬架系统中,证明了所提出的新方法的优势,同时也为工程实践提供了必要的理论参考与依据。第2-3章在总结国内外现有的研究结果以及当前研究课题存在的不足基础上,在无冗余通道的网络环境下,考虑系统与滤波器之间模态跳变存在不匹配情况下,研究了离散时间Markov跳跃系统的广义H2与非脆弱H∞异步滤波问题。在随机性切换系统领域,已有的模态依赖与模态独立滤波器都不能很好地体现滤波器不能完全检测出系统模态变化的情况,也就是说,在检测系统模态的跳变存在延迟的情况下,系统模态的跳变与滤波器模态的跳变之间会出现不同步现象,因此,所设计的异步滤波器可以弥补上述两类滤波器的不足,进一步丰富Markov跳跃系统滤波问题的研究结果。首先,假设系统中存在随机发生的非线性以及时变时滞等复杂动态,研究了相应的离散时间Markov跳跃系统的广义H2异步滤波问题,用一个满足Bernoulli分布的随机序列来描述随机发生的非线性现象,获得的结果揭示了一个描述异步跳变程度大小与系统性能优劣之间单调性变化的规律。然后,考虑系统中存在乘性噪声、量化以及随机丢包等复杂动态时,研究了相应的离散时间Markov跳跃系统的非脆弱H∞异步滤波问题,分别用两个相互独立的满足Bernoulli分布的随机序列来描述随机发生的量化以及丢包现象,分析了加性增益扰动变化、乘性噪声的大小、以及发生丢包的概率大小与系统性能好坏之间的定量关系,也进一步验证了异步跳变程度大小与系统性能好坏之间的单调性变化规律。本章提出的异步滤波器设计方法为接下来要研究的带有冗余通道的Markov跳跃系统的分布式滤波问题提供了理论基础,并为进一步深入研究分层混杂系统分析与综合问题指明了方向。第4章研究了在随机性切换系统领域中一类重要的滤波问题,即在传感器网络中,为了进一步改善数据传输的可靠性,一个单冗余通道被引入到测量输出模型中,研究了一类离散时间非线性Markov跳跃系统的分布式滤波问题。为了更准确地刻画出传感器网络中节点之间的变化,采用了随机切换拓扑结构。利用一类包含系统非线性信息的Lyapunov函数,使得推导出的结果具有更低的保守性。获得的结果验证了单冗余通道的引入可以达到更满意的平均H∞滤波性能。这一部分的研究内容为考虑各种复杂子系统动态情形下Markov跳跃系统的异步滤波问题奠定了理论基础,也为接下来进一步深入研究网络环境下带多冗余通道的MPDT离散切换系统滤波问题提供了理论借鉴。第5章研究了在含有多冗余通道的网络环境下,离散MPDT受限切换系统的广义H2滤波问题。相比于驻留时间以及平均驻留时间切换信号,持续驻留时间切换信号可以描述同时包含快切换与慢切换特征的切换系统,因而更具有一般性。在网络环境下,为了减小数据丢包的可能性,提出了多冗余通道设计思想,分别利用满足Bernoulli分布与多项分布的随机序列建模发生在主通道与某一个冗余通道上的随机丢包现象,研究了多冗余通道网络环境下离散MPDT受限切换系统的非权值广义H2滤波问题,相比于权值性能指标,非权值形式具有更强的扰动抑制性能。在一类离散MPDT切换神经网络上,分别验证了模态依赖特性以及多冗余通道设计思想的好处。这部分研究为持续驻留时间切换条件下,一般性切换系统的分析与综合奠定了理论基础,所提出的多冗余通道的设计思想为接下来要研究的具有可变通讯能力的网络化系统的滤波问题提供了理论指导。第6章给出了切换系统在建模切换控制方法上的典型应用,研究了一类具有可变通讯能力的网络化系统的非脆弱H∞滤波问题。在实际的网络环境中,网络传输通道不是唯一的,并且传输通道的数目不是固定不变的情况是经常可见的。为了更真实地反映数据在网络中传输的特点,具有可变数目的网络传输通道被引入到测量输出模型中,其中通道数目的变化受MPDT切换信号的调节。利用伪时间依赖的Lyapunov函数方法,推导出的条件保证了滤波器的存在并具有更低的保守性。最后,在一类基于云的汽车悬架系统上验证了所提出的具有可变通讯能力的网络化系统设计方法的优点,并分析了加性增益扰动变化与系统性能优劣之间的定量关系。这部分研究内容是本论文提出的具有可变网络通讯能力的网络化系统的H∞滤波在工程应用上的探索性尝试,既拓宽了网络化系统在网络通讯能力变化情形下滤波问题的解决思路,又为工程实践提供了新的理论指导,也为进一步深入研究网络通讯能力变化情况下的网络化系统的分析与综合问题奠定了坚实的理论基础。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP13

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