摘要
切换控制是计算机科学与控制科学的交叉领域，因其在现实中广泛的应用而备受专家学者的关注。切换系统作为一种典型的混杂系统，多用于描述现实中广泛存在的连续动态系统和离散事件系统耦合形成的复杂系统。切换系统的稳定性分析和镇定问题自其被提出以来就一直备受关注。近些年来，随着对系统安全性要求的不断提高，切换系统的故障检测问题也吸引了学者们的广泛研究。然而，在时间驱动的切换动态系统中，目前多数此类的研究主要集中于所有子系统均稳定的同步切换领域，而对于异步的和所有子系统均不稳定的切换系统控制与故障检测问题的研究仍不够完善；另一方面，在事件驱动的切换系统中，关于切换离散事件系统问题的研究处于刚起步的阶段，是一个亟待研究的方向。 本文主要研究由不同种类子系统构成的切换系统的控制与故障检测问题。所谓不同种类子系统构成的切换系统即是指本文中以异步切换系统形式体现的部分子系统不稳定的切换系统，所有子系统均不稳定的切换系统和子系统为离散事件系统的切换系统，离散事件系统在本文中以异步时序机的形式体现。前两者为时间驱动的动态系统，本文中研究了这两类切换系统的镇定和故障检测问题。后者为事件驱动的动态系统，文中研究了切换异步时序机的模型匹配和故障容错问题。本文的主要内容如下： 首先，基于模型依赖平均驻留时间切换策略分别研究了连续时间和离散时间异步切换线性系统的稳定性分析和镇定问题。由于实际系统中，切换系统子系统控制器的切换往往会滞后于子系统的切换，这就使得切换系统每个子系统的运行时间可以分为两个部分，即子系统与控制器匹配的部分和不匹配的部分。通过控制两部分时间的比例并结合多Lyapunov函数方法得到了连续时间和离散时间异步切换线性系统全局一致指数稳定且满足加权L2(l2)性能指标的充分条件。此外，本文首次提出了切换瞬间集合的概念，这个概念的提出使得使用模型依赖平均驻留时间切换策略研究异步切换系统的问题时证明过程更加清晰。 其次，基于模型依赖平均驻留时间切换策略研究了离散时间切换线性系统的异步滤波和异步故障检测问题。在这部分研究中，假设所有的子系统均为稳定系统，为每个子系统设计模型依赖的滤波器，并将其与原系统增广为滤波系统或故障检测系统。在异步机制下，将所得到的增广系统转化为异步增广系统，即部分子系统不稳定的切换系统。利用μ依赖的不连续多Lyapunov函数方法和模型依赖平均驻留时间切换策略得到了异步增广系统全局一致指数稳定且满足加权l2或H?/加权l2性能约束的充分条件，从而得到所需滤波器的设计参数以实现滤波或故障检测。这部分的主要思路是将滤波器的设计问题转化为增广系统的稳定性分析问题。 然后，利用有界驻留时间切换策略研究了所有子系统均不稳定的离散时间切换线性系统的镇定和故障检测问题。针对所有子系统均不稳定所导致系统能量无法衰减的情况，考虑存在一个μ依赖的多离散Lyapunov函数，可以通过系统的切换行为来使系统能量衰减，同时结合有界驻留时间切换方法得到了所有子系统均不稳定的切换线性系统全局一致渐近稳定的充分条件。另一方面，为每个子系统设计模型依赖的故障检测滤波器，并使其与原系统增广获得的增广系统全局一致渐近稳定且满足H?/非加权l2性能约束，以获得故障检测滤波器的设计参数，实现故障检测。此外，文中提出一种新的残差评价函数和阈值函数设计方法，大大提高了故障检测的灵敏性和实用性。 最后，本文首次提出了由外部切换信号驱动的切换异步时序机模型，并研究了该模型下的模型匹配和故障容错问题。文中论述了外部任意切换信号和故障信号带来的额外控制负担，并提出了新的框架矩阵对其进行量化。利用校正控制原理，本文给出了可以实现模型匹配和故障容错校正控制器存在的充分必要条件和该控制器的设计算法，并通过示例详细说明了该校正控制器的设计过程。
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