分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、上世紀(jì)七十年代以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無(wú)論在科學(xué)界還是工業(yè)界都越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制的方式正在向網(wǎng)絡(luò)化控制的方式轉(zhuǎn)移。這使得整個(gè)系統(tǒng)的控制器可以和對(duì)象分離，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加靈活，同時(shí)成本也相應(yīng)降低。然而，網(wǎng)絡(luò)的引入也會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題，例如數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，可能發(fā)生丟包等。同時(shí)，由于數(shù)字信道的引入，信號(hào)需要經(jīng)過(guò)量化編碼器進(jìn)行量化以后才能在信道中傳輸，這就帶來(lái)了量化誤差的問(wèn)題。為了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，必須

2、解決這些問(wèn)題。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和物理硬件性能的提升，傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全適應(yīng)信息化的發(fā)展要求。近年來(lái)，人們提出了“物聯(lián)網(wǎng)”這一概念。在這一個(gè)框架下，生活中的許多物品都能夠接入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而組成一種大型復(fù)雜的物-物網(wǎng)絡(luò)?？梢灶A(yù)見，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的集中控制中心已經(jīng)無(wú)法滿足這種大規(guī)模多子系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。為了解決這一問(wèn)題，控制器會(huì)被安裝在每一個(gè)子系統(tǒng)上，而不是選取一個(gè)中心處理所有控制計(jì)算需求。這就引入了分布式

3、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的概念。在分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，每一個(gè)子系統(tǒng)都與整個(gè)系統(tǒng)存在耦合關(guān)系，其自身的子控制器會(huì)綜合自身信息和其他耦合子系統(tǒng)的信息來(lái)產(chǎn)生控制量。為了獲取其他子系統(tǒng)信息，必須利用通信網(wǎng)絡(luò)，這就會(huì)帶來(lái)時(shí)延、丟包和量化的問(wèn)題。對(duì)于每一個(gè)子系統(tǒng)的控制器而言，都能夠獲得自身精確的信息和其他系統(tǒng)非精確的信息。本文主要研究了分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所可能面臨的一系列問(wèn)題，給出了相應(yīng)的系統(tǒng)模型和控制器設(shè)計(jì)方法。具體的研究?jī)?nèi)容包括：
　　1)研究了一

4、類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)利用馬爾可夫過(guò)程對(duì)傳輸時(shí)延進(jìn)行建模，以及利用凸組合理論處理量化誤差，將這類分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題等效為具有擾動(dòng)和不確定性的魯棒控制問(wèn)題。提出保證系統(tǒng)在傳輸時(shí)延和量化誤差下能夠隨機(jī)穩(wěn)定的充分條件及相應(yīng)的控制器設(shè)計(jì)方法。最后通過(guò)仿真示例對(duì)算法進(jìn)行的測(cè)試。
　　2)在多個(gè)子系統(tǒng)共同接入同一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突和節(jié)約帶寬，會(huì)安裝信道選擇器。本文針對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中涉

5、及到的信道分配的問(wèn)題，利用馬爾可夫過(guò)程對(duì)其進(jìn)行建模，同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)的時(shí)延和量化誤差問(wèn)題。提出了保證系統(tǒng)在信道隨機(jī)分配、數(shù)據(jù)傳輸有時(shí)延和量化誤差下能夠隨機(jī)穩(wěn)定的充分條件。控制器的設(shè)計(jì)方法以雙線性矩陣不等式的形式給出，同時(shí)給出了一個(gè)錐補(bǔ)方法用于將這些雙線性矩陣不等式轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題。仿真中以具有三個(gè)子系統(tǒng)的被控對(duì)象為例，對(duì)算法進(jìn)行了測(cè)試。
　　3)在大型工業(yè)應(yīng)用中，整個(gè)系統(tǒng)的耦合情況受各種因素影響會(huì)發(fā)生變化。本文考慮了整個(gè)系統(tǒng)

6、運(yùn)行期間實(shí)時(shí)調(diào)整各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合權(quán)重，甚至在一定時(shí)間內(nèi)切斷某些子系統(tǒng)的聯(lián)系的情況。進(jìn)一步的，考慮了某些子系統(tǒng)的執(zhí)行器可能會(huì)由于惡劣環(huán)境而發(fā)生故障的問(wèn)題。通過(guò)利用李雅普諾夫方法和不等式處理技巧，提出了保證系統(tǒng)在存在時(shí)變耦合，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、丟包、量化誤差，以及執(zhí)行器故障時(shí)隨機(jī)穩(wěn)定的充分條件，并給出了相應(yīng)的狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)方法。本章所提出的方法在仿真中通過(guò)與集中控制對(duì)比，驗(yàn)證了本章方法的性能。
　　4)在研究了分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)

7、定問(wèn)題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸出跟蹤問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)由遠(yuǎn)程系統(tǒng)和本地系統(tǒng)兩部分組成?？刂破髦苯优c本地系統(tǒng)相連，而遠(yuǎn)程系統(tǒng)上的傳感器會(huì)定時(shí)將相關(guān)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給本地系統(tǒng)。提出了一種狀態(tài)反饋控制策略，使得本地系統(tǒng)的輸出能夠以魯棒H?性能約束條件下跟蹤遠(yuǎn)程系統(tǒng)的輸出。提出了保證開環(huán)不穩(wěn)定的本地系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定并且能夠跟蹤遠(yuǎn)程系統(tǒng)輸出的充分條件及狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)方法。最后我們考慮了一種衛(wèi)星系統(tǒng)，通過(guò)仿真可以看出其輸出可以有效