浅谈一类广义非线性系统的鲁棒性分析

‘中国控制会议论文集'248—2512001年e月10-12日,辽宁大连
1.引言
一类广义非线性系统的鲁棒性分析,)
张凌波吴敏余中
(中南大学信息科学与工程学院.湖南.长沙.41∞83)
Bmd:zhang@∞a.髂uL甜ILc“mm@mafi.csu.cdu.cn,xiaomi_yutou0263.nd
■蔓:本文讨论了一共广义非线性系统的鲁棒性分析问题.基于非线性矩阵不等式获得了系统具有鲁捧干扰抑制性能的充分条件,避免了非线性矩阵求逆和求解H蛆司吣n_Ja∞M不等式的计算困难.
关t词t广义非线性系境,鲁棒性分析,鲁棒干扰抑制,非拽性矩阵不等式.
Robustnessanalysisforaclassofnonlineardescriptorsystems
a¨gIjngboWuMinYuZlxmg
(&licI芦ofi出'mafims豳d∞越d勘曲啦由5cc岫IIso口也【柚倒坼a叫喀n珥H咖,4m嘴3)
Ab醴r叠ct:Thispaper出北uss∞Ioh蛐叫ss锄alysl‘for1da鹞ofnmlmeardesc矗ixorsysten丝.Sufficientconditionsareebtatnedtn目xlonlloo]jnearmatrixineqealiti∞toverifythattlIesystemsm删mbustdisturbanceat'tc3ma曲onpe曲加瑚ncc.Inthecooclusions,thcconq岫aldJfficukiesto∞nVe嗽nonlinea"mmnxandsolveHamilton·Jacobi妯dIm埘cI.amavoided·
Keywords:nollfimⅫr出gTip附systems,robusmcg∞ib嘶s,mb‘‘对disttubancc啦Ⅱ删∞,nonlinearmauixinequality.
近年来,广义系统(descrilxorsystem)的控制受到了广泛的关注【1_M.与控制系统的一般状态空间描述相比较,广义状态空间描述可以体现动力学方程的等式约束条件.而对于
广义非线性系统,由于非线性计算的原因,广义状态空间描述形式向一般状态空间形式的转化存在着一定的困难,而且并不总是可行的.因此,目前广义系统的研究己成为控制研究的一个重要课题.
鲁棒控制是控制理论研究的一个重要领域。目前.广义系统的鲁棒控制研究主要集中于广义线性系统的鲁棒控制问艨卜Io】。对于系统广义状态空间描述的等式左螭不具不确定性的情形.基于线性矩阵不等式(LMI)有效地解决了广义线性系统的岛控制和H控制问题¨1.研究结果显示鲁棒控制问题可以等价于一组线性矩阵等式和LMI的求解问题.对于广义状态空问描述的等式
”曩童自蒜科学基盒与博士直基盘童助项目左端具有不确定性的情形,研究表明在不确定性不改变矩阵的秩的情况下,广义线性系统的鲁棒镀定控制嚣设计可以归结为一个代数Riccati方程的求解问曩阻I口J.现在这一方面的研究还有特于进一步深入.
本文针对一类广义非线性系统,讨论了这类系统的鲁棒性分析问题。基于非线性矩阵不等式(NLMI)获得了系统具有鲁棒干扰抑制性能的充分条件.目前的非线性Ef-控制研究.从岛增益出发.已经获得了大量的结论.并将鲁棒控制问题成功的转化成基于Hamilton.Jacobi不等式的求解问题111-18|。然而,Hamilton.Jacobi不等式的求解是至今仍未解决的难题。随着LMI在鲁棒控制研究的普董应用,NIJⅢ在非线性儿控制中也受到了关注I’m】。与Hamihon-Jscobi不等式相比,N咖具有凸可行的良好计算特性,为有效解决
目前非线性},啦制中的计算问题提供了一种可能
途径。本文所得结论的优点体现在两个方面:其一是避免了广义非线性系统向一般状态空间转化的非线性求逆计算{其二.系统具有鲁棒性的判据是以N】伽的形式描述。
2.问题描述
考虑~类不确定广义非线性系统
E(∞j=,(神+g(x)w(1a)y=瞰J)(1b)其中.JEXcR4,w∈R‘。ZER‘分别表示系统的状态,干扰输入和控制输出。E(x).,(对.8(x)和Mz)均为具有相应维数的矩阵函数。而为系统的初始状态,且以上函数在初始状态均为0。
对上述系统做以下假设:
(1)E(J)是n阶满秩方阵.即
rank(E(x))=^:
(2)自由系统F(蛳=,(曲是零状态可观测的.
关于零状态可观测的假设(2)是为了保证系统的内部稳定性.零状态可观测有下面的定义””.定义1如果非线性系统的干扰输入州f)§0,控制输出z(f)io.那么有缸f)5‰,则称系统是零状态可观测的.
下面给出本文所讨论的非线性系统具有鲁棒干扰抑制性能的定义。
定义2如果非线性系统(1)内部稳定,并且从干扰输入w到控制输出z的‘增益小于一个给定的正常数r,即
f8。E出s,,2rl哪≯,
其中T≥0.那么称这个非线性系统具有鲁棒干扰抑制性能.
在本文中,为了叙述的方便,不失一般性地取y=1。
3.也性能分析
考虑非线性系统
£<帕j=^(x)x+B(x)w(3a),=C(x)x(3b)假设系统(3)满足条件:
(3)自由系统F(.枷=A(x)x是零状态可观测的。
在非线性系统的也控制研究中,已经获得的以下结论是本文工作的基础。文【11]针对光滑的非线性系统
i=,(曲+g(曲W(4a)
:=h(x)(4b)获得了以下结论.
引理1假设非线性系统(4)是零状态可观测的。如果存在光滑的非负定标量函数V(x).满足Hamilton-Jacobi不等式
u,(z)+妄ug(对g(对7哆
+妄^o)^7(,)<-0一y(‰)=0(5)
那么它具有鲁棒干扰抑制性能.其中,。
aV(x)
k21F。
关于矩阵不等式,具有以下的重要性质。
引理2(Schur补定理)
假设^f=M7∈R‘4+忡q”“’被分割成
盯=醐
其中CE月”“是非奇异矩阵,则M>0’当且仅当A—BC—lBr≥0.
从以上两个引理出发,可以得到以下结论.
定理1对于非线性系统.如果在X上存在正定矩阵P>0,满足非线性矩阵不等式
ApT∥+EPATBEP,
Br一10
CP7Er0一,
<O
则系统具有鲁棒干扰抑制性能。
证明:根据假设务件(1),可以通过矩阵的求逆计算.将广义非线性系统(3)转换成以下的一般状态空间形式,
j}=E一‘(对-t“)工+E一‘(对0(曲w
Y=C(x)x
由引理1可知,系统(3)具有鲁棒干扰抑制性能的充分条件是存在光滑的非负定标量函数V(x),
涌足Hamilton-Jacobi不等式
匕^(,)x+昙屹丑(z)B(J)7嵋
+去x7c7(柚c(小<o(7)
利用Schur补定理,由式(6)可得
APrEr+EPAr+B7B+EPC7CprEr<0
P一1E一1A+A7(E一1)7P一1
+P’1E一。B7B(E一117P一。+C7C(0
于是有
z7【P一1E11A+A7(E一‘)7P一1
+P一。E一1BtB(E一‘)rP一1+CrCh<0(8)令y(曲=妄,P-1x一则有
uA(∞x+;匕取z)口(z)7嵋+{x7c7(神c(砷z
=:1xr(p-tE-IA+A7(P_1£.1)r
+p-iE一。BB7(E一1)7+C7C)x(9)
由(8)和(9)式可知故(7)式成立。因此定理得证。
注1:与引理1相比较,定理l中的鲁棒性判据以一个NIJ叮的形式描述,从而避免了求解Hamilton.Jaeobi不等式的计算困难.
4.鲁棒H。性能分析
在非线性鲁棒控制中,针对具有参数不确定性的非线性系统的H。控制问题通常被称为鲁棒H。控制问题.
考虑具有参数不确定性的广义非线性系统
E(砷j=^(神z+△A(柚+B(x)w(10a)y=C“h(10b)即,C而=^(砷z+△A(z)的情形。假设系统(10)满足假设条件(1)以及以下的假设条件:
(4)以n表示不确定性△A(柚的集合。对任意州曲∈Q,自由系统耳J)j=A(x)x+△A∽是零状态可观测的.
(5)△A(曲=£(JⅫ(,),其中dj)∈冠-",8(x)∈R“分别是已知和未知的光滑函数,且占(z)满足忪(z)||sq(曲删·口o)为非负函数;
(6)设G是具有相应维数的光滑矩阵函数,有
衄(J)柚一1∽≤GG7.(11)
在文献It4]中.对于非线性系统
主=,(对+Ar(工)+【g(x)+衄(耐】w(12a)
z=h(x)(12b)有以下结论。
引理3如果对于非线性系统(12),自由系统j=/(x)+V(z)是零状态可观测的,Ⅳ“)满足满足的假设条件(7):
(7)Ⅳ(工)=“善)占(x),其中c(z)∈R麒9,占(砷∈R州分别是已知和未知的光滑函数.且
烈J)满足愀z瑁sf(z),j(对为非负函数,
则系统(12)具有鲁棒干扰抑制性能充分条件是存在光滑的非负标量函数V(x),V(xo)=0.以及恒大于0的标量函数^(z),使得以下HmlllltonoJaeobi不等式成立.
1一一一U,(∞+÷吒【“(x)e1(x)+暑(z)譬。(砷】昨
+÷÷z2(J)+去^7(曲^(z)so(13)
‘^‘
定理2对于满足假设条件(1),(4)和(6)的广义非线性系统.如果存在正定矩阵P>0,使得以下非线性矩阵不等式成立,
^PrFr+EPAr
Br
CprE7
q(x)P7E7
f‘(曲
BEPC7
一,0
0一,
00
00
q(x)EP出)
00
00
一{,o
O一^
《0
(14)那么系统具有鲁棒干扰抑制性能.
证明:根据假设条件(1).可以通过矩阵的求逆.将广义非线性系统(10)转换成以下的一般状态空间形式。
主=E一‘(z)【A(曲z+Aa(x)l+E一1(J)B(.订w
y=C0h
由引理3可知,系统(10)具有鲁捧干扰抑制性
能的充分条件是存在光滑的非负定标量函数
y(x),满足Hamilton-Jacobi不等式
V,E一【^(工)工+△A(工)】+妻也E一1B(柚
·B7(对(E-1)7叮+妻,C7(柚c(神z<0(15)
令矿(神=:1,P—z,利用Schur补定理.类似于
定理1的证明可得(15)与(14)式等价。因此,定理
得证。
注2:在实际情形中,自由系统通常不具有
尉x)i=A(x)x的形式,但可以近似地描述成
E(x)i=A0h+△A(x】.因此.定理2适用范围
更广,但(14)式的计算比(6)更为困难.
5.结束语
本文针对一类广义非线性系统.讨论了这类
系统的鲁棒性分析问题.基于NLMI获得了系统
具有鲁棒干扰抑制性能的充分条件.本文的结论
避免了广义非线性系统向一般状态空间形式转换
时的非线性矩阵求逆计算.咀及Hamilton-Jacobi
不等式的求解匪难。与Hamilton-Iaeobi不等式相比.NLMI具有凸可行这一良好的计算特性,为
非线性鲁棒控制理论的实际应用提供了可能.
在本文中仅仅讨论了系统的鲁棒性分析问
题,系统的鲁棒综合问题有待于进一步的研究.
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