具有冗余通道的網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)濾波問題研究.pdf

1、切換系統(tǒng)可以建模模態(tài)切換現(xiàn)象以及切換控制方法，目前已經(jīng)成為系統(tǒng)與控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。根據(jù)切換信號(hào)類型，可以將切換分為隨機(jī)性切換與一般性切換。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在關(guān)于這兩類典型的切換系統(tǒng)的分析與綜合上取得了許多重要的研究成果，然而研究中仍然存在大量的問題亟待發(fā)現(xiàn)、提出和解決，一些關(guān)鍵的研究方法尚需完善和改進(jìn)。同時(shí)，隨著生產(chǎn)實(shí)際對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求越來越高，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)機(jī)理越來越復(fù)雜，考慮簡(jiǎn)單子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的切換系統(tǒng)往往不能很好地反映許多真

2、實(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程，所獲理論結(jié)果也很難應(yīng)用于考慮數(shù)據(jù)丟包、時(shí)變時(shí)滯、數(shù)據(jù)量化、乘性噪聲等復(fù)雜動(dòng)態(tài)的實(shí)際系統(tǒng)。因此，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，進(jìn)一步深入、系統(tǒng)地開展隨機(jī)性與一般性切換系統(tǒng)的建模、分析和綜合工作，以及含有復(fù)雜子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的切換系統(tǒng)的研究，定量或定性地分析這些子系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜動(dòng)態(tài)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性之間的關(guān)系是解決上述問題的必由之路。
　　本論文旨在基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入地研究網(wǎng)絡(luò)化切換系統(tǒng)的濾波問題，提出了一些新的研究模型、

3、新的研究問題以及新的研究方法。本論文給出了一些新的概念，如異步濾波器、時(shí)變Lyapunov函數(shù)、非權(quán)值性能指標(biāo)等，去除了一些不符合工程實(shí)際的理想假設(shè)，降低了開發(fā)的研究結(jié)果的保守性，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，考慮系統(tǒng)中含有隨機(jī)丟包、時(shí)變時(shí)滯、量化以及乘性噪聲等復(fù)雜動(dòng)態(tài)情況下，解決了離散時(shí)間Markov跳躍系統(tǒng)的廣義H2異步濾波以及非脆弱H∞濾波問題。進(jìn)一步地，為了降低傳輸數(shù)據(jù)的丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，提出了一些新的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，如含單

4、冗余通道的網(wǎng)絡(luò)、含多冗余通道的網(wǎng)絡(luò)、以及具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)等，分別解決了基于離散時(shí)間非線性Markov跳躍系統(tǒng)的分布式濾波問題、基于離散模態(tài)依賴持續(xù)駐留時(shí)間(Modal persistent dwell time,MPDT)受限切換系統(tǒng)的廣義H2濾波問題以及網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的非脆弱H∞濾波問題。另外，獲得的部分理論研究結(jié)果成功應(yīng)用于一類基于云的汽車懸架系統(tǒng)中，證明了所提出的新方法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為工程實(shí)踐提供了必要的理論參考與依據(jù)。

5、　　第2-3章在總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究結(jié)果以及當(dāng)前研究課題存在的不足基礎(chǔ)上，在無(wú)冗余通道的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，考慮系統(tǒng)與濾波器之間模態(tài)跳變存在不匹配情況下，研究了離散時(shí)間Markov跳躍系統(tǒng)的廣義H2與非脆弱H∞異步濾波問題。在隨機(jī)性切換系統(tǒng)領(lǐng)域，已有的模態(tài)依賴與模態(tài)獨(dú)立濾波器都不能很好地體現(xiàn)濾波器不能完全檢測(cè)出系統(tǒng)模態(tài)變化的情況，也就是說，在檢測(cè)系統(tǒng)模態(tài)的跳變存在延遲的情況下，系統(tǒng)模態(tài)的跳變與濾波器模態(tài)的跳變之間會(huì)出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，因此，所設(shè)計(jì)的

6、異步濾波器可以彌補(bǔ)上述兩類濾波器的不足，進(jìn)一步豐富Markov跳躍系統(tǒng)濾波問題的研究結(jié)果。首先，假設(shè)系統(tǒng)中存在隨機(jī)發(fā)生的非線性以及時(shí)變時(shí)滯等復(fù)雜動(dòng)態(tài)，研究了相應(yīng)的離散時(shí)間Markov跳躍系統(tǒng)的廣義H2異步濾波問題，用一個(gè)滿足Bernoulli分布的隨機(jī)序列來描述隨機(jī)發(fā)生的非線性現(xiàn)象，獲得的結(jié)果揭示了一個(gè)描述異步跳變程度大小與系統(tǒng)性能優(yōu)劣之間單調(diào)性變化的規(guī)律。然后，考慮系統(tǒng)中存在乘性噪聲、量化以及隨機(jī)丟包等復(fù)雜動(dòng)態(tài)時(shí)，研究了相應(yīng)的離散時(shí)間

7、Markov跳躍系統(tǒng)的非脆弱H∞異步濾波問題，分別用兩個(gè)相互獨(dú)立的滿足Bernoulli分布的隨機(jī)序列來描述隨機(jī)發(fā)生的量化以及丟包現(xiàn)象，分析了加性增益擾動(dòng)變化、乘性噪聲的大小、以及發(fā)生丟包的概率大小與系統(tǒng)性能好壞之間的定量關(guān)系，也進(jìn)一步驗(yàn)證了異步跳變程度大小與系統(tǒng)性能好壞之間的單調(diào)性變化規(guī)律。本章提出的異步濾波器設(shè)計(jì)方法為接下來要研究的帶有冗余通道的Markov跳躍系統(tǒng)的分布式濾波問題提供了理論基礎(chǔ)，并為進(jìn)一步深入研究分層混雜系統(tǒng)分析與

8、綜合問題指明了方向。
　　第4章研究了在隨機(jī)性切換系統(tǒng)領(lǐng)域中一類重要的濾波問題，即在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，一個(gè)單冗余通道被引入到測(cè)量輸出模型中，研究了一類離散時(shí)間非線性Markov跳躍系統(tǒng)的分布式濾波問題。為了更準(zhǔn)確地刻畫出傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的變化，采用了隨機(jī)切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用一類包含系統(tǒng)非線性信息的Lyapunov函數(shù)，使得推導(dǎo)出的結(jié)果具有更低的保守性。獲得的結(jié)果驗(yàn)證了單冗余通道的引入可以達(dá)到更滿意的平

9、均H∞濾波性能。這一部分的研究?jī)?nèi)容為考慮各種復(fù)雜子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)情形下Markov跳躍系統(tǒng)的異步濾波問題奠定了理論基礎(chǔ)，也為接下來進(jìn)一步深入研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下帶多冗余通道的MPDT離散切換系統(tǒng)濾波問題提供了理論借鑒。
　　第5章研究了在含有多冗余通道的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，離散MPDT受限切換系統(tǒng)的廣義H2濾波問題。相比于駐留時(shí)間以及平均駐留時(shí)間切換信號(hào)，持續(xù)駐留時(shí)間切換信號(hào)可以描述同時(shí)包含快切換與慢切換特征的切換系統(tǒng)，因而更具有一般性。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下

10、，為了減小數(shù)據(jù)丟包的可能性，提出了多冗余通道設(shè)計(jì)思想，分別利用滿足Bernoulli分布與多項(xiàng)分布的隨機(jī)序列建模發(fā)生在主通道與某一個(gè)冗余通道上的隨機(jī)丟包現(xiàn)象，研究了多冗余通道網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下離散MPDT受限切換系統(tǒng)的非權(quán)值廣義H2濾波問題，相比于權(quán)值性能指標(biāo)，非權(quán)值形式具有更強(qiáng)的擾動(dòng)抑制性能。在一類離散MPDT切換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上，分別驗(yàn)證了模態(tài)依賴特性以及多冗余通道設(shè)計(jì)思想的好處。這部分研究為持續(xù)駐留時(shí)間切換條件下，一般性切換系統(tǒng)的分析與綜合奠定

11、了理論基礎(chǔ)，所提出的多冗余通道的設(shè)計(jì)思想為接下來要研究的具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的濾波問題提供了理論指導(dǎo)。
　　第6章給出了切換系統(tǒng)在建模切換控制方法上的典型應(yīng)用，研究了一類具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的非脆弱H∞濾波問題。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)傳輸通道不是唯一的，并且傳輸通道的數(shù)目不是固定不變的情況是經(jīng)?？梢姷?。為了更真實(shí)地反映數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，具有可變數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道被引入到測(cè)量輸出模型中，其中通道數(shù)目的變化受M

12、PDT切換信號(hào)的調(diào)節(jié)。利用偽時(shí)間依賴的Lyapunov函數(shù)方法，推導(dǎo)出的條件保證了濾波器的存在并具有更低的保守性。最后，在一類基于云的汽車懸架系統(tǒng)上驗(yàn)證了所提出的具有可變通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，并分析了加性增益擾動(dòng)變化與系統(tǒng)性能優(yōu)劣之間的定量關(guān)系。這部分研究?jī)?nèi)容是本論文提出的具有可變網(wǎng)絡(luò)通訊能力的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的H∞濾波在工程應(yīng)用上的探索性嘗試，既拓寬了網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通訊能力變化情形下濾波問題的解決思路，又為工程實(shí)踐提供了新的