一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法技术方案

本发明专利技术提供了一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法，属于非线性网络化系统的耗散滤波领域。该方法在考虑网络化系统存在时延、丢包和量化误差情况下，首先建立增广系统模型；再设计滤波器参数存在摄动的情况下的非脆弱量化耗散滤波器；构造Lyapunov函数，利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式分析方法，得到滤波误差系统随机稳定和非脆弱量化耗散滤波器存在的充分条件；利用Matlab LMI工具箱进行求解，给出非脆弱耗散滤波器参数矩阵为

【技术实现步骤摘要】
一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法
本专利技术属于非线性网络化系统的耗散滤波领域，涉及存在时延、丢包、量化以及滤波器存在参数摄动情况下，一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法。
技术介绍
通过通信网络形成的闭环控制系统称为网络化控制系统(networkedcontrolsystems，简记NCSs)，NCSs具有安装维护方便、灵活性高和易于重构等优点。然而，通信网络的引入导致了系统存在以下问题：1)网络时延：数据在通信网络传输时因为网络堵塞或者外界干扰等原因，使得网络化控制系统中存在网络时延问题；2)丢包：数据传输过程中因为网络堵塞和资源竞争等原因会引起数据包丢失的问题。3)量化误差：采用量化器降低网络传输负载的同时会产生量化误差的问题。同时外界的不确定因素可能会导致系统性能降低甚至失稳。因此，使NCSs具有容错能力并保持较好的抗干扰性能具有十分重要的理论意义和实践价值。针对NCSs中存在的时延、丢包以及量化误差问题，很多学者和专家都做了大量研究。马跃进等在论文《不确定时滞离散非线性系统的鲁棒耗散滤波》中，研究了时延对系统稳定性和耗散性能的影响。林琼斌等在《具有多数据丢包非线性系统的耗散模糊滤波》中，研究了丢包对系统稳定性和耗散性能的影响，张鹏等在论文《线性不确定时滞系统的鲁棒耗散滤波器》中，研究系统参数不确定性以及时延对系统的稳定性和耗散性能的影响。上述滤波方面的研究仅仅考虑到了时延或者丢包或者量化误差，并没有考虑到滤波器自身参数受到外界干扰也会产生一些变化，然而在实际的情况下时延、丢包和量化是同时存在的，并且滤波器自身参数也是会受到干扰变化的，所以采用非脆弱滤波显得十分重要，它能使系统迅速稳定，扰动抑制水平更佳，滤波估计效果更好。
技术实现思路
针对上述技术存在的问题，本专利技术提供了一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法。考虑到网络化系统在存在时延、丢包、量化以及滤波器存在参数摄动情况下，设计了非脆弱耗散滤波器，使得非线性网络化系统在上述情况下仍能保持随机稳定，并且严格耗散。本专利技术的技术方案：一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法，包括以下步骤：1)建立非线性离散系统模型：其中：x(k)∈Rn为系统的状态向量，z(k)∈Rq为系统的被估计信号向量，y(k)∈RP为系统的测量输出向量，w(k)∈Rm为系统的外部干扰信号向量；w(k)∈l2[0,∞)，A∈Rn×n、B∈Rn×m、C∈Rn×n、D∈Rn×m、L1∈Rq×n、L2∈Rq×m为系统的常数矩阵；f(k,x(k))∈Rn为满足Lipschitz(利普希茨连续条件)条件非线性向量项，||f(k,x(k))||≤||W2x(k)||，W2∈Rn×n为常数矩阵；2)建立网络化系统存在时延、丢包和量化误差情况下的增广系统模型：其中：为经过网络随机一步时延和多丢包的测量输出，为滤波器实际接收到的经过量化的测量输出；Δk∈[-δ,δ]为量化误差，δ＝(1-ρ)/(1+ρ)表示量化器的量化误差上界，ρ是量化密度，I是单位矩阵；α(k),β(k)是满足Berboulli分布的互不相关的随机序列，且满足如下统计概率：其中，为常数，prob{·}表示事件发生概率；3)设计滤波器参数存在摄动的情况下的非脆弱量化耗散滤波器：其中，是滤波器状态，zf(k)∈Rq是z(k)的估计，Afd＝Af+ΔAf，Bfd＝Bf+ΔBf，Cfd＝Cf+ΔCf，Dfd＝Df+ΔDf；Af∈R(n+2p)×(n+2p)、Bf∈R(n+2p)×p、Cf∈Rq×(n+2p)、Df∈Rq×p为滤波器参数矩阵；ΔAf＝H1F1(k)E1、ΔBf＝H2F2(k)E2、ΔCf＝H3F3(k)E3、ΔDf＝H4F4(k)E4为滤波器参数摄动矩阵，H1∈R(n+2p)×r、H2∈R(n+2p)×r、H3∈Rn×r、H4∈Rq×r、E1∈Rr×(n+2p)、E2∈Rr×(n+2p)、E3∈Rr×(n+2p)、E4∈Rr×p为摄动参数矩阵；Fi(k)满足：Fi(k)TFi(k)≤I,i＝1,2,3,4；4)建立滤波误差系统模型：其中：e(k)＝z(k)-zf(k)是估计误差；5)构造Lyapunov函数：其中：P∈R(2n+4p)×(2n+4p)是正定矩阵；6)滤波误差系统是随机稳定的且具有严格耗散性的充分条件：给定滤波器的不确定性相关参数H3∈Rn×r、H4∈Rq×r、E2∈Rr×(n+2p)、E4∈Rr×p以及对称负定矩阵Q∈Rq×q、对称矩阵R∈Rm×m和矩阵S∈Rq×m；当存在常数ε>0、εi>0(i＝1,2,3,4,5)、τ>0、对称正定阵X∈R(n+2p)×(n+2p)、对称正定阵Z∈R(n+2p)×(n+2p)、和Df∈Rq×p，使得线性矩阵不等式：成立，则滤波误差系统是随机稳定的且具有严格耗散性；其中：W∈Rn×n和V∈Rn×n是非奇异常数矩阵，满足WVT＝I-XZ-1；利用MatlabLMI工具箱求解线性矩阵不等式(4)，当线性矩阵不等式(4)有解时，则存在对称正定矩阵X、对称正定阵Z、矩阵Df和ε>0、εi>0(i＝1,2,3,4,5)、τ>0，滤波误差系统是随机稳定的且具有严格耗散性，非脆弱量化耗散滤波器参数矩阵为：滤波器参数摄动矩阵为：滤波误差系统性能指标为γ＝Σ(||e(k)||)/Σ(||w(k)||)，继续进行步骤7)；当线性矩阵不等式(4)无解时，则滤波误差系统不是随机稳定且不满足严格耗散性，不能得到非脆弱量化耗散滤波器的参数矩阵，结束；7)实现非脆弱量化耗散滤波非脆弱量化耗散滤波器参数矩阵代入式(3)，得到一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波器。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术针对具有时延和丢包的网络系统，同时考虑到滤波器参数摄动和外界扰动的影响以及量化操作带来得量化误差，建立了滤波误差系统模型，提出了系统稳定性和量化耗散滤波的解决方法。(2)本专利技术考虑了随机丢包和时延以及量化误差，丢包和时延的发生概率满足Bernoulli分布，量化器采用对数量化器，更具实际意义。(3)本专利技术考虑到了滤波器参数的摄动，优化了系统性能指标，使得网络化滤波误差系统具有更好的抗干扰性能。附图说明图1是一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法的流程图。图2是滤波误差系统结构图，图中z(k)∈Rq为系统的被估计信号向量，y(k)∈RP为系统的测量输出向量，w(k)∈Rm为系统的外部干扰信号向量，为经过网络随机一步时延和多丢包的测量输出，zf(k)∈Rq是z(k)的估计，e(k)＝z(k)-zf(k)是估计误差。图3是非脆弱量化耗散滤波器的待估计变量z(k)与其估计zf(k)响应图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。参照附图1，一种非线性网络系统的非脆弱量化耗散滤波方法，包括以下步骤：步骤1：建立非线性离散系统模型，见式(1)；步骤2：建立网络化系统存在时延、丢包和量化误差情况下的增广系统模型，见式(2)；步骤3：设计滤波器参数存在摄动的情况下的非脆弱量化耗散滤波器，见式(3)；步骤4：建立滤波误差系统模型，见式(4)，滤波误差系统结构图见附图2；步骤5：构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立非线性离散系统模型：

【技术特征摘要】
1.一种非线性网络化系统的非脆弱量化耗散滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立非线性离散系统模型：其中：x(k)∈Rn为系统的状态向量，z(k)∈Rq为系统的被估计信号向量，y(k)∈RP为系统的测量输出向量，w(k)∈Rm为系统的外部干扰信号向量；w(k)∈l2[0,∞)，A∈Rn×n、B∈Rn×m、C∈Rn×n、D∈Rn×m、L1∈Rq×n、L2∈Rq×m为系统的常数矩阵；f(k,x(k))∈Rn为满足Lipschitz条件非线性向量项，||f(k,x(k))||≤||W2x(k)||，W2∈Rn×n为常数矩阵；2)建立网络化系统存在时延、丢包和量化误差情况下的增广系统模型：其中：为经过网络随机一步时延和多丢包的测量输出，为滤波器实际接收到的经过量化的测量输出；Δk∈[-δ,δ]为量化误差，δ＝(1-ρ)/(1+ρ)表示量化器的量化误差上界，ρ是量化密度，I是单位矩阵；α(k),β(k)是满足Berboulli分布的互不相关的随机序列，且满足如下统计概率：其中，为常数，prob{·}表示事件发生概率；3)设计滤波器参数存在摄动的情况下的非脆弱量化耗散滤波器：其中，是滤波器状态，zf(k)∈Rq是z(k)的估计，Afd＝Af+ΔAf，Bfd＝Bf+ΔBf，Cfd＝Cf+ΔCf，Dfd＝Df+ΔDf；Af∈R(n+2p)×(n+2p)、Bf∈R(n+2p)×p、Cf∈Rq×(n+2p)、Df∈Rq×p为滤波器参数矩阵；ΔAf＝H1F1(k)E1、ΔBf＝H2F2(k)E2、ΔCf＝H3F3(k)E3、ΔDf＝H4F4(k)E4为滤波器参数摄动矩阵，H1∈R(n+2p)×r、H2∈R(n+2p)×r、H3∈Rn×r、H4∈Rq×r、E1∈Rr×(n+2p)、E2∈Rr×(n+2p...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘丰，王剑峰，程麒，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32