关键词:
Nabla分数阶系统
正系统理论
稳定性分析
分数阶直接李雅普诺夫方法
区间估计
坐标变换
镇定
故障检测
摘要:
状态估计是系统控制领域的关键问题,已经被广泛应用于诸多实际问题的解决。然而,由于实际系统中往往存在不确定性,使得状态估计难以收敛到系统真实状态。区间估计作为解决这一问题的有力工具,由于其简洁有效的设计理念而被广泛研究。这种确定性的状态估计方法仅需要假设系统中的扰动或者噪声是有界的,从而避免了其它过于严苛的假设条件。具体来说,在设计过程中只需要满足估计误差子系统是正系统并且稳定,便可以实现有效的区间估计,使得系统的真实状态可以被估计上下界所界定。此外,分数阶微积分作为一个重要的研究课题,在很多系统控制领域的问题中扮演着关键性的角色。由于许多实际系统和过程往往呈现分数阶特性,分数阶系统理论和观测器综合成为亟待解决的关键科学问题。因此,实现分数阶系统的区间估计变得尤为重要。然而,目前针对分数阶系统区间估计的研究依然十分匮乏,相关研究面临诸多挑战。一方面,针对不同类型的分数阶系统,其对应的正系统理论以及稳定性理论还不够全面,使得相应的区间估计方法难以实现。另一方面,分数阶微积分算子的历史依赖特性带来了额外的计算复杂度,分数阶系统的无穷级数表示使该类系统的区间估计变得困难。近年来,在实际系统及过程建模中,由离散分数阶差和分算子直接描述的Nabla分数阶系统引起广泛关注,这类系统可以避免连续系统离散化带来的误差,展现出更高的精确性和灵活性。因此,实现该类Nabla分数阶系统的区间估计,是一个非常关键且具有挑战性的问题。
本文从理论和应用两个角度出发,建立了一套完善的Nabla分数阶系统区间估计框架。本文工作的主要内容和创新点列举如下。
首先,本文建立了 Nabla分数阶正系统理论并提出了相应的正系统判定条件,这些条件是实现该类Nabla分数阶系统区间估计的前提。具体来说,为了判别Nabla分数阶正系统,本文首先给出了系统时域响应的两种描述形式,也就是Mittag-Leffler形式和递推形式。利用时域响应的解析形式,给出了判定Nabla分数阶正系统的充分必要条件。此外,利用得到的正系统判据,给出了矩阵离散Mittag-Leffler函数的一个重要性质并提供了严格证明。最后,本部分内容被进一步拓展到了具有时变时延的Nabla分数阶系统。
其次,本文提出了一套较为完整的Nabla分数阶系统稳定性分析理论,这是实现该类系统区间估计方案的又一重要理论基础。首先通过系统响应分析给出了离散Mittag-Leffler稳定性的定义,利用分数阶直接李雅普诺夫方法,提出了若干判据以判定Nabla分数阶系统的Mittag-Leffler稳定性以及渐近稳定性。考虑到实际应用中李雅普诺夫函数的分数阶差分通常难以直接获取,本文给出了一个实用并且具备一般形式的李雅普诺夫差分不等式,进一步提升了分数阶直接李雅普诺夫方法的实用性。此外,稳定性分析方法还被拓展到了 Nabla分数阶线性定常系统和具有时变时延的正系统,这些内容进一步丰富了 Nabla分数阶系统稳定性分析理论并有助于实现区间估计。
接下来,利用前面得到的正系统理论和稳定性理论,本文实现了 Nabla分数阶系统的区间估计方案。为了实现这一方案,标准的做法是找到一个增益矩阵使得估计误差子系统满足正系统和稳定性的要求。具体来说,本文首先给出了一个经典的龙伯格型区间观测器设计方法,在此基础上,考虑到实际应用中往往很难找到一个合适的增益矩阵使得误差子系统同时为正系统并且稳定,本文利用坐标变换技巧给出了一个更为通用的区间估计方法。此外,本文提出的区间估计方案还被拓展到了 Nabla分数阶时延系统以及非线性系统,这些工作进一步丰富并充实了 Nabla分数阶系统的区间估计方案。
最后,针对Nabla分数阶系统,本文应用区间估计解决了一系列具体问题。由于区间估计在处理有界不确定性状态估计问题中的有效性,许多具体问题都可以利用估计得到的状态上下界来解决。首先,利用区间估计得到的系统状态上下界进行状态反馈,本文实现了 Nabla分数阶非线性系统的镇定,其中反馈控制器的增益矩阵可以通过求解一个线性矩阵不等式直接得到。另外,本文还实现了一类Nabla分数阶电路系统的区间估计。对于引入传感器故障的Nabla分数阶系统,本文利用估计输出与实际测量输出之间的残差信号以及区间估计对于有界不确定性的鲁棒性,成功实现了该类系统的故障检测。
本文建立了一套完整且独特的Nabla分数阶系统区间估计框架,进一步丰富了分数阶系统理论及应用。通过一系列算例验证了所提方案的实用性和灵活性,表明本文所提出的区间估计框架在处理有界不确定性下各类Nabla分数阶系统的状态估计问题中具有显著的价值。