搜索
您的当前位置:首页T-S模糊系统的D-域性能约束鲁棒输出反馈控制

T-S模糊系统的D-域性能约束鲁棒输出反馈控制

来源:世旅网
第38卷增刊(11) 2008年1 1月 东南大学学报(自然科学版) JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(Natural Science Edition) VO1.38 Sup(11) Nov. 2008 T—S模糊系统的 一域性能约束鲁棒输出反馈控制 陶洪峰 胡寿松 李志宇 (南京航空航天大学自动化学院,南京210016) 摘要:研究了一类具有输入及输出端扰动的T—S模糊系统在性能约束下的鲁棒控制问题.在D 域内定义非线性系统性能指标的条件下,基于线性矩阵不等式技术提出了鲁棒输出反馈控制器 存在的充分条件,保证闭环系统具有一定的稳态和动态性能.该方法利用投射引理分离耦合变 量,通过引入附加矩阵增加自由度,降低结论的保守性.F.16歼击机纵向通道的控制仿真结果表 明了方法的有效性. 关键词:T—S模糊系统;性能约束;鲁棒控制;线性矩阵不等式(LMI) 中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1001—0505(2008)增刊(11)-0009-4 Robust output feedback control of T・S fuzzy systems with D-region performance constraint Tao Hongfeng Hu Shousong Li Zhiyu (College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) Abstract:The problem of robust control with performance constraint for a class of T・S fuzzy sys- terns with disturbances in the inputs and outputs iS discussed.On condition that the performance indi— ces of nonlinear systems are defined in the D—region,the suficient conditions ffor the existence of the robust output feedback controllers are derived in terms of the linear matrix inequalities.SO that the closed—loop systems Can maintain some steady and dynamic performances.The coupled variables are separated according to the projection lemma in this method,which contributes he exttra degree of the freedom by introducing the additional matrix.and therefore the conservativeness of the conclusion iS reduced.The simulation for longitude control of F一1 6 fighter flight system shows the effectiveness of he proposed metthod. Key words:T—S fuzzy system;performance cons ̄aint;robust control;linear matrix inequality (LMI) 虽然现代工业系统的复杂度日益提高,但系统的稳定性却仍然是控制研究的首要问题.控制过程的 动态特性,包括收敛率和表征系统状态变化的阻尼等指标,及其对外扰的鲁棒性,是衡量控制方案是否优 越的重要考量.众所周知,线性系统的稳态及动态性能是用极点来描述的,而对于更普遍的非线性系统, 如何约束其稳态和动态性能,目前涉及的文献还甚少.自T—S模糊模型提出以来,其已成为模糊控制领域 的研究热点¨ ].由于系统状态一般不可测量且极易受扰,因此,有扰输出反馈控制的研究更具有应用价 值.目前多数文献主要讨论系统的稳态和基于£ 范数的H 鲁棒性能,忽略了动态性能要求,而且由于基 于L 范数的鲁棒控制方法并不要求扰动能量有界,更适合应用于外扰客观持续存在的工程实际 . 本文针对一类具有扰动的T.s模糊系统,引入基于混合L /L 范数的鲁棒性能指标,提出了基于LMI 的鲁棒输出反馈控制器的设计方法,保证整个系统在D域内满足一定的稳态、动态及鲁棒性能指标,并利 用投射引理给出了函数变量与控制器变量解耦求解的分离方法.仿真示例验证了该方法的有效性. 1 系统描述及预备知识 考虑如下一类T—S模糊系统 收稿日期:2008-06—16. 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(60234010)、航空科学基金资助项目(05E52031). 作者简介:陶洪峰(1979一),男,博士生;胡寿松(联系人),男,教授,博士生导师,hushousong—nuaa@163.com l0 东南大学学报(自然科学版) 第38卷 Rule i:IF zl(t)is F AND…Z (f)is F THEN (t)=A X(t)+BfU(t)+E W(t),Y(t)=C (X(t)+V(t))i=1,2,…,口 (1) 式中,q为模糊规则数,z(t)={Z。(t), …, Z (t)} ∈R 为模糊推理前件,F;为模糊集合. (t)∈R , Y(t)∈R 分别表示系统的状态和输出向量;U(t)∈R 表示控制输入;w(t),v(t)∈R”分别表示系统输入 和输出端的扰动向量.A ,B ,c 和E 是维数适当的实矩阵,其中B 列满秩. 在相同规则前件下,采用并行补偿输出反馈控制器U(t)=K Y(t),代人式(1)后可得闭环系统为 (t)={A(h)+B(h)K(h)C(h)} (t)+[B(h)K(h)C(h)E(h)]d(t) .—,..T1A P+PA(2) +式中, (f):[ (f) w (f)]T Me(h)表示∑q (z(f)) 的缩写hi(z(f)): ,∞ (z(f)) ∑ (Z(t)) =8C+TC1-I ( (f)),其中, ( (f))表示 (f)属于 的隶属度, ̄-oi(z(f))表示第i条规则的权重. 定义1 对于如式(2)所示系统,当d(t)=0时,令Z (t)=l P (t)I ,z (t)=I尸 (t)I,其中P , 艿+P 为对称正定阵,若满足 (t)<一otz。(t), z (t)dt≤卢,其中0表示系统运行时间, >0, 和 为正 P常数,{.1为欧式范数,则系统至少以收敛率Ot到达稳态值, 为系统的动态变化率约束量. 定义2 对于如式(2)所示系统,若满足lI (t)II ≤ l x(O)l+p Il d(t)l ,V ld(t)∈L ,则称该 系统具有混合L:/L 范数的鲁棒性能,其中l1.)c(f) 垒supI.]c(f)l,t∈[0,∞). 引理l_6 (投射引理) 对于对称阵H,当且仅当 删 <0,ⅣTQ HNQ<0时,存在矩阵 ,使得日+ P XTa 4-O . <0,其中P和Q是适维矩阵, 和 分别用核空间ker(P)和ker(a)的任意~组基向 量作为列向量而构成的矩阵.若ker(P)和ker(a)中有一个是零空间,则可忽略相应的不等式条件. 2 系统性能分析及鲁棒输出反馈控制器设计 定理l 在中心为(一q,0),半径为r的LMI区域D内,若存在对称正定阵P和矩阵 使得系统(2) 在w(f)=0,v( )=0时渐近稳定,则 E(2g一2r,2q+2r), = . 证明 定义V( (t))=X (t)Px(t),根据文献[7]的稳定性条件进行Schur变换,即可得结论,过程 略. 定理2 对于给定的 和 ,如果存在对称正定阵P和非奇异矩阵M和Ⅳ,(i=1,2,…,q),使得 B Cf PE ] 一 0 l<0 f, ,l=1,2,…,q (3) 一fllJ :l: 成立.其中B M:PB ,则存在控制器 ,=M ,使得系统(2)稳定,并满足定义2的鲁棒指标. 证明 取定理1中的V( (t)),由L 范数性质和矩阵变化得式(3)成立,且满足鲁棒指标,过程略. 定理3 对于给定的 和卢,如果存在对称正定阵P和非奇异矩阵M,矩阵G, (i=1,2,…,g)和正 实变量 (i=1,2,3)使得以下不等式成立: .:『一 qG +A +c 1<0 :l: 一r(G +G—P) 1 一2一,q (4) (5) 02=f ,:r一3rP 3,.(G‘+G—P)J I<0 i,j=1,2,…,q;J≠i 『 ]<0 一,q_2; :f+1’…,鼋 f_ +1,…, ) 增-tlJ(Ⅱ) 陶洪峰,等:T—S模糊系统的D一域性能约束鲁棒输出反馈控制 一G +G :l: 12 一2rP B NiCf G E 0 0 厂 = <0 i=1,2,…,q (7) ≈ ,-g —B1 0 :l: 一3I 『I3 十3G Q z Q- Q ] :fl  -6rP 0一  0 f<0 f, :l,2,…,g; ≠f ] (8) 『一6G +6G :。: 一, lI L 一12rP 0 0 f<0 :l: 63 0 l 一63IA 一,q一2,; :f+ 一,g一 f_ + 一,q (9) 其中, =3qG +2A G +af G + N7 B +C B +C +C B + NT B +C + + N7 B +C , :=6qG +2(A +af+AT1)G ; :=G A +BiNiC +P+(0.5ol +7-)GT, l2=2GTA +GTA』+BiNiCj+B,NjCf+BjNiC +3P+3(0.5 +丁)GT, l3=BiNiCj+B,N:Cf +BiNiCf, 14=2G E +G ; 12=2G (A +A +Af)+BiNjCf+BiNICj+BjNtCf+BiNiC,+ fNiCj+ B,NiCf+6P+(3 +6丁)G , l3=BiNjCf+BiNfc +BjNfCf+BiNfCf+BfⅣfc +BfⅣJcf, 14=2G (Ef+ E,+E,);GB =B M, 为可调参数,则在中心为(一日,0),半径为r的LMI区域D内,存在控制器 = M一 使得闭环系统(2)稳定,且 ∈(2q一2r,2q+2r), = ,同时满足定义2中的鲁棒指标. 证明 在定理1和定理2的基础匕,根据投射引理解除耦合变量,增加自由度,即可得结论,过程略. 3 仿真示例 考虑F.16歼击机纵向通道的标准短周期运动方程 ],其中歼击机的俯仰角 ,(t)和俯仰角速度q,(t) 均可由陀螺仪测得为输出量.假设飞机在15000英尺(4572m)高度飞行,取马赫数为模糊量,按照马赫数 0.4和0.8划分得到如式(1)所示的局部模型,并由定理3解得联动控制器的局部增益矩阵 :『9・5680 5・652 1, L95680 15.6521 J .: 9 32 7・56481 L 10.9132 17.5648 J 系统的仿真初始状态为X (0)={一5,4,3} ,外部扰动均取为白噪声信号.图1和图2分别表示俯 仰姿态角和角速度的响应曲线.实线和虚线分别表明动态性能受约束和无约束时情形.由仿真可知,若考 虑动态性能约束和鲁棒性能指标,则F一16歼击机纵向俯仰角的振荡减少且运行平稳,更符合飞行要求. t/s t/s 图1纵向通道闭环系统的俯仰角响应曲线 图2纵向通道闭环系统的俯仰角速度响应曲线 12 l 1j2 东南大学学报(自然科学版) 3 4 5 6 7 8 ]J 1● 1』]J]J 第38卷 4 结语 本文研究了一类T.s模糊系统在D域内的稳态及动态性能指标下的鲁棒输出反馈控制问题,并利用 投射引理降低了控制器设计的保守性.仿真结果表明了本方法的可行性. 参考文献(References) Hu Shousong,Liu Ya.Robust H control of multiple time—delay uncertain nonlinear system using fuzzy model and adaptive neural network『J1.Fuzzy Sets and Systems,2004,146(3):403~420. Lee T S。Chen Y H,Chuang J C.Robust control design of fuzzy dynamical systems[J].Applied Mathematics and Corn putation,2005,164(2):555—572. Fang C H.Liu Y S,Kau S W,et a1.A new LMI—based approach to relaxed quadratic stabilization of T・S fuzzy control systems『J1.IEEE Transactions on Fuzzy Systems,2006,14(3):386—397. Lin Chong.Wang Qingguo,Lee T H.Improvement on observer—based H control for T—S fuzzy systems l J j.Automatica, 2005,41(9):1651—1656. Tseng C S,Hwang C K.Fuzzy observer—based fuzzy control design for nonlinear systems with persistent bounded disturb’ ances fJ].Fuzzy Sets andSystems,2007,158(2):164—179. Boyd S P.Ghaoui L E,Feron E,et a1.Linear matrix inequality in system and control theory[M].Philadelphia:SIAM, 1994. Assawinchaichote W,Nguang S K,Shi P,et a1.H fuzzy state—feedback control design for nonlinear systems with D—sta- bility constraints:an LMI approach[J].Mathematics and Computers in Simulation,2008,78(4):514—531. B1akelock J H.Automatic control ofaircraftandmissiles『M]_2nd ed.New York:John Wiley and Sons,Inc.,1991. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Top