有限频域分析与设计的广义KYP引理方法综述

频域方法是控制理论与工程领域的一种基本研究手段,许多控制问题都可归结为有限频域性能指标的分析与综合问题.广义Kalman-Yakubovich-Popov(KYP)引理建立了频域方法 (传递函数)与时域方法 (状态空间)之间的一座桥梁,成为近年来系统与控制理论领域的研究热点之一.本文首先从信号和系统两个角度阐明有限频域分析与设计的背景和意义,并依次讨论三种主要研究方法 (经典控制理论方法、频率加权法和广义性能指标法)各自的优缺点.然后简单介绍广义KYP引理的主体内容,并详细总结当前基于广义KYP引理的有限频域分析与设计的主要方向及研究进展.最后给出在使用广义KYP引理时很重要但容易忽视的几点注记,同时指明该领域目前存在并值得未来进一步研究的关键问题.

奇异摄动系统的有限频段正实引理和界实引理

利用GKYP引理研究了奇异摄动系统的有限频段正实引理和界实引理,证明了全阶系统的有限频段正实性可以由快、慢子系统的有限频段正实性得到,同样可以证明奇异摄动系统的有限频段界实引理具有类似性质.最后作为应用,给出了一个两频域尺度模型降阶实现方案,表明了该方法的有效性.

基于广义界实定理的窗口H_∞性能分析

为研究连续时间控制系统局部频段的H∞性能,基于传统H∞范数提出了窗口H∞范数的新概念,指出传统H∞范数是窗口H∞范数的特例.利用广义Kalman-Yakubovich-Popov引理证明了弱形式广义界实定理,针对低频段、中频段、高频段3种情况得出了相应的研究结果.低频段的推论能应用于控制系统的带宽设计问题,中频段的推论能用于控制系统的稳定裕度指标设计问题,高频段的推论能用于控制系统抗干扰的设计问题.例子表明窗口H∞性能分析方法比传统H∞性能分析方法更适于局部频段.

线性控制系统窗口频域分析与设计

针对局部频率范围提出了窗口H∞范数的新概念,指出传统H∞范数是窗口H∞范数的特例.利用GKYP引理证明了广义界实定理,研究了线性控制系统在窗口频域的性能分析问题.基于近似模型匹配原则和广义界实定理,将控制器设计问题转化为窗口H∞范数优化问题.仿真实例表明,窗口H∞范数适于窗口频域的线性控制系统分析和设计.

线性时滞系统窗口H_∞频域分析

在实际控制系统中,常常需要关注局部频段下的性能指标,而现有的频率加权方法缺乏针对性。由于时滞现象的普遍性及时滞条件下频域分析的复杂性,需要进一步给出时滞系统在局部频段下的H_∞性能分析方法。为研究线性时滞系统在局部频段下的性能,基于广义Kalman-Yakubovich-Popov引理及窗口频域H_∞范数的概念,给出了线性时滞系统的广义界实定理。针对不同频率范围,给出适用于不同频率条件的频域分析线性矩阵不等式判据。最后通过仿真实例,表明窗口频域分析比传统的全频段H_∞分析具有针对性和有效性。

具有执行器容错的汽车主动悬架系统有限频率H∞控制

本文研究了一类具有执行器容错的主动悬架系统有限频率H_∞控制问题.运用广义的Kalman-Yakubovich-Popov(KYP)引理,设计了有限频率H_∞控制器.该控制器不仅能够最大程度地减少路面在4～8 Hz范围内对乘客的影响,还能够保证汽车的悬架行程和车轮的动静载之比在它们允许的范围内.因此所设计的有限频率H_∞控制器不仅能够保证汽车驾驶的舒适性还能够保证汽车驾驶的安全性.为了解决系统状态不完全可测的问题,本文采用了动态输出反馈控制器策略.除此之外,在控制器的设计过程中还考虑了主动悬架系统的参数不确定性以及执行器随机故障的现象.最后,本文基于四分之一汽车主动悬架系统验证了控制器的有效性.

稳定化的有限频段H_∞控制及有限频段跟踪问题

基于GKYP引理的动态输出反馈设计,未保证设计后闭环系统的稳定性。针对以小增益作为指标的有限频段动态输出反馈问题,在不增加新变量的前提下,增加稳定性约束,使得设计后的闭环系统渐近稳定且满足有限频段性能指标。针对增加约束后难以找到可行解的情况,基于零空间条件的不惟一性,补充了另一种零空间条件,从而扩大了问题的可行域。将改进后的方法应用于有限频段跟踪问题的研究,通过仿真例子验证,有限频段动态输出反馈虽然存在保守性,但在合理选择基矩阵R的情况下,仍然可以使得其保守性小于传统的全频段最优H∞控制的保守性。