一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法；首先，针对含有外部干扰的线性连续正系统，以系统状态和干扰为增广状态，得到一个正性增广系统；其次，针对正性增广系统设计可以保证状态观测值始终为正的正全维观测器；再次，基于由全维观测器得到的估计量，设计具有干扰抵消作用的正系统动态输出反馈抗干扰控制律；最后，以原正系统状态、状态估计误差与干扰估计误差的线性组合为状态变量，得到一个闭环系统，基于线性偕正Lyapunov函数给出闭环系统为渐近稳定正系统的条件，并通过线性规划算法解算控制器和观测器参数，此方法可用于正系统存在复杂干扰下和无法测量得到系统状态情形下的稳定控制问题。

A positive full dimensional observer based active output feedback anti-jamming control method for positive systems

The present invention relates to a positive full-order observer-based positive system dynamic output feedback anti-jamming control method. Firstly, for a linear continuous positive system with external disturbances, a positive augmented system is obtained by taking the system state and disturbance as augmented states. Secondly, the design of a positive augmented system can guarantee the state observation. Thirdly, based on the estimator obtained by the full-order observer, the disturbance canceling active system dynamic output feedback anti-jamming control law is designed. Finally, a closed-loop is obtained by using the linear combination of the original positive system state, state estimation error and disturbance estimation error as state variables. Based on the linear positive Lyapunov function, the condition for the closed-loop system to be asymptotically stable is given. The controller and observer parameters are solved by the linear programming algorithm. This method can be used to solve the problem of stabilizing the system in the presence of complex disturbances and in the absence of measurements.

【技术实现步骤摘要】
一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法
本专利技术涉及一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，此方法可用于正系统存在复杂干扰、无法测量得到系统状态情形下且对系统极点存在一定要求的稳定控制问题。
技术介绍
正系统是一类要求系统变量和系统输出始终保持非负的系统，这一类系统在很多领域中有重要应用。在包括经济学、社会科学、生物医药学等领域，进行分析与研究的对象状态通常具有非负性质，如经济学中的概率、社会科学中的人口数量、生物医药学中的浓度剂量等概念，尤其适合应用正系统相关概念对其进行描述。在实际正系统控制任务中，正系统对象的复杂性和环境的多样性会为被控系统带来复杂的外部干扰，对控制系统的性能产生严重影响，因此，复杂干扰情况下的正系统抗干扰控制成为了亟需解决的问题。同时，在很多情况下，由于测量手段的缺乏或测量环境的复杂，系统的状态无法通过测量得到或测量得到的系统状态存在严重噪声，以至于无法应用系统状态量进行正系统的控制器设计，此时，利用系统可测量得到的输出信息进行正系统的输出反馈控制成为了必要的手段。输出反馈控制本质上来讲是利用部分状态信息的有效组合进行反馈控制，这种不完备性导致系统在极点配置上具有一定的局限性，因而可以通过利用动态输出反馈的方式进行正系统控制。动态输出反馈控制利用系统输出量设计状态观测器，并基于状态估计值构成最终的反馈控制律，可见，观测器的设计对于动态输出反馈控制器至关重要。然而，正系统定义在锥体上，而非欧式线性空间上，对正系统系统状态、输出变量的非负性限制，使得一般系统的很多结论不再适用于正系统，其中就包括观测器的设计以及系统稳定性判据等，因而需要设计针对正系统的正观测器，以保证正系统状态估计值的正性，并提出一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法使得正系统最终渐近稳定。这种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法在工程应用上有巨大潜力，具有抗干扰、工程实用性高等特点。目前，针对正系统的控制问题，有学者进行了方法研究和专利申请。中国专利申请号为201610432088.3中提出了一种基于线性Lyapunov方法的时滞正系统的输出反馈控制器设计方法，针对带有干扰的时滞正系统，设计输出反馈控制器使得系统稳定并满足L1性能，但存在问题如下：(1)此专利提出的控制方法对干扰采取的是抑制的方式，干扰抑制通常需要利用干扰上界进行抑制和控制，因而单纯抑制干扰会带来较大的保守性；(2)应用静态输出反馈使得闭环正系统在配置极点方面具有局限性，并且未涉及到正观测器的设计相关内容。当然，对于一般系统输出反馈控制的研究成果很多。中国专利申请号为201710775956.2中提出了一种LPV系统输出反馈控制器，但此专利存在三个问题：(1)系统对象为普通系统，没有系统状态与输出为正性的正系统特征，与本专利技术的研究对象不同；(2)输出反馈器采用静态输出反馈，在配置极点方面具有局限性，且不涉及观测器设计方面的内容；(3)对于系统中存在的干扰，采用H∞控制进行干扰抑制，但单纯的干扰抑制会带来较大的保守性；中国专利号为201610196301.5中提出了一种无拖曳卫星相对位移通道的输出反馈抗干扰控制方法，但存在以下问题：(1)此专利以无拖曳卫星为研究对象，实际上是对一个一般系统进行控制器设计，与本专利技术中的正系统不同；(2)此专利构建二次型Lyapunov函数证明闭环系统稳定性，此方法在进行正系统稳定性验证时较为复杂，与本专利技术中应用的偕正Lyapunov函数进行正系统稳定性的方法不同；(3)此专利中设计的状态观测器无法保证对系统的状态观测值为正，对于正系统对象状态没有意义。为解决上述提到的问题，亟需设计一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：考虑正系统对象，针对工程实际中状态不可测和存在复杂干扰的情形，提出一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，减少干扰对系统性能带来的影响。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，针对正系统设计关于系统状态和干扰的正全维观测器，并基于正全维观测器设计输出反馈抗干扰控制器，使得在基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制器作用下，闭环系统为渐近稳定的正系统。与已有相关技术相比，更适应具有复杂干扰的实际环境中，且考虑到工程中测量条件限制，工程应用性高，对于正系统对象而言，已有技术相对匮乏，此方法是重要的技术补充。具体包括以下步骤：首先，针对含有外部干扰的线性连续正系统模型，给出以系统状态和干扰为增广状态的正性增广系统；其次，针对正性增广系统设计正全维观测器；再次，基于全维观测器中的状态观测量和干扰观测量，设计具有干扰抵消作用的系统输出反馈抗干扰控制律；最后，根据设计的基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制器得到增广闭环系统，通过线性规划算法解算控制器和观测器参数，使得闭环增广系统在基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制器作用下为渐近稳定的正系统。此方法可用于正系统在复杂干扰下和无法测量得到系统状态情形下的稳定控制问题；具体步骤如下：1、针对含有外部干扰的线性连续正系统：其中，和分别为系统的状态、控制输入、控制输入通道的外部干扰、控制输出和测量输出，和为系统的已知适维参数矩阵，且A为Metzler矩阵，B、C、D和Cm为非负矩阵，其中，若有一矩阵有Mij≥0,i,j＝1,...,n，则称矩阵M为Metzler矩阵，表示为若有一矩阵有形式Nij>0,i＝1,...,mj＝1,...,n，则称矩阵N为非负矩阵，表示为N≥≥0。同时，正性外部干扰d(t)可由一个外部系统进行描述，具体如下：其中，为外部系统状态，为已知的系统参数矩阵，且W为Metzler矩阵，V为非负矩阵。以为增广系统状态，将原系统和外部干扰系统整合为一个增广正系统：其中，均为系统已知矩阵。2、针对正性增广系统设计可以保证状态观测值始终为正的正全维观测器：其中，是增广系统状态的估计值，是原系统状态x(t)的估计值，是干扰系统状态w(t)的估计值，为待求解的观测器增益矩阵。对于正系统，系统的状态和干扰在t>0始终为正，因而设计的系统状态观测器需要保证状态估计值始终为正才具有意义，根据正系统的判断条件，即需要G为Metzler矩阵，L为非负矩阵，设其中设其中是观测器系统输出矩阵。其中，正系统的判断条件为，系统是一个正系统，当且仅当A为Metzler矩阵，B、C为非负矩阵。其中A和B是系统参数矩阵，C是系统输出矩阵，若有一矩阵有Mij≥0,i,j＝1,...,n，Mij为矩阵M第i行第j列的元素，则称矩阵M为Metzler矩阵，表示为若有一矩阵有形式Nij>0,i＝1,...,mj＝1,...,n，Nij为矩阵N第i行第j列的元素，则称矩阵N为非负矩阵，表示为N≥≥0。设增广状态估计误差其中，为原系统状态估计误差，为干扰状态估计误差。得到增广状态的估计误差系统：设G12＝0，G22＝W使得增广状态与干扰外系统状态w(t)解耦，则有增广状态的估计误差系统：第三步，基于全维观测器中的状态观测量和干扰观测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，针对含有外部干扰的线性连续正系统，以系统状态和干扰为增广状态，由原正系统得到一个正性增广系统；第二步，针对正性增广系统设计可以保证状态观测值始终为正的正全维观测器，并得到增广状态的估计误差系统；第三步，基于由全维观测器得到的状态估计量和干扰估计量，设计具有干扰抵消作用的正系统动态输出反馈抗干扰控制律；第四步，根据设计的基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制器得到以原正系统状态、状态估计误差与干扰估计误差的线性组合为状态的闭环系统，基于线性偕正Lyapunov函数给出闭环系统为渐近稳定正系统的条件，并通过线性规划算法解算控制器和观测器参数，使得闭环系统在基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制器作用下为渐近稳定的正系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，针对含有外部干扰的线性连续正系统，以系统状态和干扰为增广状态，由原正系统得到一个正性增广系统；第二步，针对正性增广系统设计可以保证状态观测值始终为正的正全维观测器，并得到增广状态的估计误差系统；第三步，基于由全维观测器得到的状态估计量和干扰估计量，设计具有干扰抵消作用的正系统动态输出反馈抗干扰控制律；第四步，根据设计的基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制器得到以原正系统状态、状态估计误差与干扰估计误差的线性组合为状态的闭环系统，基于线性偕正Lyapunov函数给出闭环系统为渐近稳定正系统的条件，并通过线性规划算法解算控制器和观测器参数，使得闭环系统在基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制器作用下为渐近稳定的正系统。2.根据权利要求1所述的一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，其特征在于：所述第一步，针对含有外部干扰的线性连续正系统，其中，和分别为系统的状态、控制输入、控制输入通道的外部干扰、控制输出和测量输出，和为系统的已知适维参数矩阵，且A为Metzler矩阵，B、C、D和Cm为非负矩阵，其中，若有一矩阵有Mij≥0,i,j＝1,...,n，则称矩阵M为Metzler矩阵，表示为若有一矩阵有形式Nij>0,i＝1,...,mj＝1,...,n，则称矩阵N为非负矩阵，表示为N≥≥0，同时，正性外部干扰d(t)可由一个外部系统进行描述，具体如下：其中，为外部系统状态，为已知的系统参数矩阵，且W为Metzler矩阵，V为非负矩阵；以为增广系统状态，将原系统和外部干扰系统整合为一个增广正系统：其中，均为系统已知矩阵。3.根据权利要求2所述的一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，其特征在于：所述第二步，针对所述的正性增广系统设计可以保证状态观测值始终为正的正全维观测器：其中，是增广系统状态的估计值，是原系统状态x(t)的估计值，是干扰系统状态w(t)的估计值，为待求解的观测器增益矩阵；对于正系统，系统的状态和干扰在t>0始终为正，因而设计的系统状态观测器需要保证状态估计值始终为正才具有意义，根据正系统的判断条件，即需要G为Metzler矩阵，L为非负矩阵，设其中设其中是观测器系统输出矩阵；若有一矩阵有Mij≥0,i,j＝1,...,n，则称矩阵M为Metzler矩阵，表示为B、C、D和Cm为非负矩阵，其中，若有一矩阵有形式Nij>0,i＝1,...,mj＝1,...,n，则称矩阵N为非负矩阵，表示为N≥≥0；设增广状态估计误差其中，为原系统状态估计误差，为干扰状态估计误差，得到增广状态的估计误差系统：设G12＝0，G22＝W使得增广状态与干扰外系统状态w(t)解耦，则有增广状态的估计误差系统：4.根据权利要求3所述的一种基于正全维观测器的正系统动态输出反馈抗干扰控制方法，其特征在于：正系统的判断条件为，系统是一个正系统，当且仅当A为Metzler矩阵，B、C为非负矩阵，其中A和B是系统参数矩阵，C是系统输出矩阵，若有一矩阵有Mij≥0,i,j＝1,...,n，Mij为矩阵M第...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔建忠，许昱涵，郭雷，朱玉凯，崔洋洋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11