【摘要】：近幾十年來,觀測器設計及其控制系統(tǒng)研究逐步成為了控制理論界的重要研究課題之一,并且在許多方面得到廣泛的應用,如系統(tǒng)監(jiān)控、過程辨識及故障檢測等。然而,實際系統(tǒng)模型的完整信息不可獲取,且存在外部干擾或噪聲使得測量值不可靠,通過考慮用適當?shù)膮^(qū)間來替代單一的測量值,相關(guān)學者提出了觀測器設計新方法-區(qū)間觀測器。不同于經(jīng)典狀態(tài)觀測器設計要求觀測器誤差動態(tài)系統(tǒng)收斂到零,區(qū)間觀測器只須設計觀測器增益使得誤差動態(tài)系統(tǒng)為非負的,且僅須設計誤差動態(tài)系統(tǒng)矩陣為Metzler矩陣就可保證非負性。鑒于區(qū)間觀測器設計具有重要的理論研究意義和實際應用價值,本文對其進行了深入的研究。本文主要的研究工作如下:1.針對一類線性連續(xù)系統(tǒng),設計了Luenberger型區(qū)間觀測器,該方法的特點是,先對線性系統(tǒng)進行初等變換得到系統(tǒng)的正實現(xiàn),再對正系統(tǒng)設計Luenberger型區(qū)間觀測器,其設計思路保證了觀測器增益矩陣的存在性。與已有的區(qū)間觀測器研究方法不同的是,本文還嘗試利用正系統(tǒng)的比較原理針對線性離散系統(tǒng)設計了一類區(qū)間觀測器,該設計方法有效地解決了觀測器增益矩陣的存在性問題。2.鑒于已有的研究成果,在設計區(qū)間觀測器過程中要求觀測器誤差動態(tài)系統(tǒng)矩陣為Metzler矩陣,從而成功設計區(qū)間觀測器依賴于觀測器增益矩陣的存在性。為此,本文首次以線性矩陣不等式的形式描述了Metzler矩陣,得到了區(qū)間觀測器增益矩陣存在性判定條件,并通過對非線性系統(tǒng)的L2增益性能問題的討論表明該方法的保守性更小。3.研究了線性參數(shù)變化系統(tǒng)的區(qū)間觀測器設計問題,首先設計了時變區(qū)間觀測器系統(tǒng)及系統(tǒng)增益調(diào)度控制器;其次,基于多胞LPV模型的線性參數(shù)變化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征,給出了有限個以線性矩陣不等式表述的鎮(zhèn)定性條件。相比較于已有的研究成果針對仿射LPV模型的線性參數(shù)變化系統(tǒng)設計區(qū)間觀測器,須給定滿足Metzler矩陣的觀測器增益矩陣,而本文所提出的方法可以同時進行設計觀測器增益和增益調(diào)度控制器。最后,仿真數(shù)列表明本文所提方法的正確性和有效性。4.討論了非線性切換系統(tǒng)的區(qū)間觀測器設計問題,基于平均駐留時間控制策略,提出了一種新的非線性切換系統(tǒng)狀態(tài)估計方法,同時基于區(qū)間觀測器設計解決了非線性項滿足Lipschitz條件的非線性切換系統(tǒng)的切換控制器設計問題。
[Abstract]:In recent decades, observer design and control system research has gradually become one of the important research topics in the field of control theory, and has been widely used in many fields, such as system monitoring, process identification and fault detection. However, the complete information of the actual system model is not available, and there is external interference or noise that makes the measurement unreliable. By considering the appropriate interval to replace the single measurement value, A new observer design method, interval observer, is proposed by relevant scholars. Unlike the classical state observer design, which requires the observer error dynamic system to converge to zero, the interval observer only needs to design the observer gain so that the error dynamic system is non-negative. The nonnegativity can be guaranteed only by designing the error dynamic system matrix as Metzler matrix. In view of the important theoretical significance and practical application value of interval observer design, this paper has carried on the in-depth research to it. The main research work of this paper is as follows: 1. A Luenberger type interval observer is designed for a class of linear continuous systems. The characteristic of this method is that the linear system is first transformed to obtain the positive realization of the system, and then the Luenberger type interval observer is designed for the positive system. The design method guarantees the existence of observer gain matrix. Different from the existing methods of interval observer research, this paper also attempts to design a class of interval observers for linear discrete-time systems by using the comparison principle of positive systems. The design method effectively solves the existence problem of observer gain matrix. 2. In view of the existing research results, the dynamic system matrix of observer error is required to be Metzler matrix in the process of designing interval observer, so the successful design of interval observer depends on the existence of observer gain matrix. In this paper, for the first time, the Metzler matrix is described in the form of linear matrix inequality (LMI), and the existence condition of the gain matrix of the interval observer is obtained. By discussing the L2 gain performance of nonlinear systems, it is shown that the conservatism of the proposed method is less conservative. 3. The problem of interval observer design for linear parameter-varying systems is studied. Firstly, the time-varying interval observer system and the gain scheduling controller of the system are designed. Secondly, based on the structural characteristics of the linear parameter-varying system of the multi-cell LPV model, a finite number of stability conditions expressed by linear matrix inequalities (LMIs) are given. Compared with the previous research results, to design interval observers for linear parameter-varying systems of affine LPV model, the observer gain matrix satisfying Metzler matrix must be given. The proposed method can be used to design observer gain and gain scheduling controller at the same time. Finally, the simulation sequence shows the correctness and effectiveness of the proposed method. 4. The problem of interval observer design for nonlinear switched systems is discussed. Based on the average resident time control strategy, a new state estimation method for nonlinear switched systems is proposed. At the same time, the problem of switching controller design for nonlinear switched systems with nonlinear terms satisfying Lipschitz condition is solved based on interval observer design.
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP13

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本文編號：2455722