第 27 卷 第 11 期
Vol. 27 No. 11
控 制 与 决 策
Control and Decision
2012 年 11 月
Nov. 2012
基于特征方程幅相特性的时滞线性系统状态反馈镇定
文章编号: 1001-0920 (2012) 11-1676-05
曾启杰, 章 云, 唐 斌, 陈贞丰
(广东工业大学 自动化学院,广州 510006)
摘 要: 研究具有输入时滞的线性时不变 (LTI) 系统的状态反馈控制镇定问题. 由于时滞的引入, 闭环系统特征方程
变成一个超越方程. 从时滞系统的特征根求解出发, 从特征方程的实部和虚部系数中提取两个与系统矩阵和反馈矩
阵相关的向量, 其幅值和相角关系正好反映了特征根轨迹穿越虚轴的情况, 且得到的判据将时滞参数与系统其他参
数进行了分离, 可方便地应用于镇定控制器的设计. 最后通过仿真实例表明了该算法的正确性和有效性.
关键词: 线性系统;镇定;时滞;特征方程
中图分类号: TP273 文献标志码: A
State feedback stabilization of LTI systems with input time delay based
on amplitude and phase property of characteristic equation
ZENG Qi-jie, ZHANG Yun, TANG Bin, CHEN Zhen-feng
(Faculty of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China.Correspondent:ZENG
Qi-jie,E-mail:jie2000@gdut.edu.cn)
Abstract: This paper investigates the state feedback stabilization of linear time-invariant(LTI) systems with input time
delay. The existence of time delay transforms the closed-loop characteristic equation into a transcendental equation. By
investigating the eigenvalues of the time-delay system, two vectors related to the system parameters and the feedback gain
respectively can be obtained from the real part and the imaginary part of the transcendental equation. The amplitude and
phase relations of these two vectors indicate the crossing situation of the root locus on the imaginary axis. Furthermore, the
time delay is dependent on the system parameters and the feedback gain explicitly in this criterion, so that the state feedback
stability controller can be designed more expediently. Finally, numerical examples illustrate the correctness and effectiveness
of the proposed algorithm.
Key words: linear systems;stabilization;time delay ;characteristic equation
1 引引引 言言言
在实际的控制过程中, 时滞现象普遍存在, 如执
行机构、传感器和传输网络都可能引起时滞, 这种类
型的时滞可归为输入时滞. 时滞常常是造成系统性能
下降甚至不稳定的一个重要原因. 时滞的存在使系统
的闭环特征方程成为超越方程, 造成系统的稳定性分
析和控制器设计变得困难. 因而, 许多学者不断寻求
各种方法来解决时滞系统的稳定性问题
[1-5]
.
采 用 Lyapunov-Krasovskii 稳 定 性 定 理 是 时 滞
系 统 稳 定 性 分 析 的 一 类 常 用 方 法
[6-7]
, 如 何 构 造
Lyapunov-Krasovskii 泛函以及如何处理泛函的导数
是该方法的关键. 一方面, 对由于引入时滞而构成的
非线性系统构造其 Lyapunov 函数往往具有很大困难;
另一方面, 使用各种不等式
[7]
来处理泛函的导数, 也
为结果带来了一定的保守性.
直接分析超越特征方程根的分布是时滞系统稳
定性分析的另一类主要方法. 这类方法主要通过求
解系统特征方程准确获得系统的稳定性判据. 由于
超越特征方程求解困难, 一些学者通过对超越特征方
程中的时滞项的逼近来得到近似的结果
[8-11]
. 另外,
实际系统在时滞为零时常常是稳定的; 随着时滞的
增加, 系统特征根轨迹会朝着虚轴移动. 因此, 求出首
次穿越虚轴的临界稳定时滞 𝑑
∗
是非常有意义的
[12-17]
.
文献 [12] 给出了一种辅助多项式方法求解时滞 𝑑
∗
, 但
收稿日期: 2011-05-17 ;修回日期: 2011-09-25.
基金项目: 国家自然科学基金项目 (U0735003, 60974047, 61104105);广东省自然科学基金项目 (8351009001000002,
9451009001002702).
作者简介: 曾启杰(1977−), 男, 讲师, 博士生, 从事网络控制、智能控制等研究;章云(1963−), 男, 教授, 博士生导师, 从
事智能控制、网络控制等研究.