基于LMI技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與綜合.pdf

1、通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked ControlSystems，簡(jiǎn)記為NCSs)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注，并成為控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比，NCSs具有成本低、安裝與維護(hù)簡(jiǎn)便、可實(shí)現(xiàn)資源共享、易于擴(kuò)展、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)雖然有如此多優(yōu)點(diǎn)，但是網(wǎng)絡(luò)的引入也會(huì)給系統(tǒng)分析與綜合帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)

2、時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂、時(shí)變采樣間隔(Time-varying Sampling Interval)、信號(hào)量化、寬帶約束等。這些問題受到了許多學(xué)者的關(guān)注，然而如何對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行改進(jìn)或者提出新的研究方法來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一直需要深入的探討和研究。
　　本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在的誘導(dǎo)時(shí)延、時(shí)變采樣、信號(hào)量化等三大問題進(jìn)行深入的研究。網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延是影響網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)非常重要因素，目前時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究受到了很多學(xué)者的關(guān)注

3、。本文分別給出了時(shí)變時(shí)延離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和時(shí)變時(shí)延連續(xù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，并通過理論證明所得結(jié)果比現(xiàn)有一些結(jié)果保守性小。
　　以往關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的大部分文獻(xiàn)中，采樣間隔都假設(shè)為時(shí)不變的。相對(duì)于不變采樣間隔而言，變采樣間隔的控制策略往往可以讓系統(tǒng)獲得更好的性能。本文通過采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的方法給變時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模，考慮采樣間隔是時(shí)變的控制策略，給出變采樣網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞性能分析和控制器設(shè)計(jì)的充分條件。仿真算例也表明了所給

4、條件的優(yōu)越性。
　　本文考慮了帶有信號(hào)量化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制問題。針對(duì)離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的量化輸出反饋控制問題，給出了閉環(huán)系統(tǒng)的量化輸出反饋的控制策略;同時(shí)研究了帶有狀態(tài)和控制輸入信號(hào)都量化的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題和H∞控制問題，給出了基于線性矩陣不等式的控制器設(shè)計(jì)條件。仿真算例表明了所提出方法的有效性。下面詳細(xì)介紹本文的主要工作。
　　第1-2章系統(tǒng)地分析和總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)這一前沿研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及研究方法，并給出

5、了與本文相關(guān)的一些預(yù)備知識(shí)。
　　第3章研究了時(shí)變時(shí)延離散網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。通過使用Lyapunov泛函方法，引入松散變量技術(shù)，和線性矩陣不等式方法獲得離散網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。通過理論推導(dǎo)證明了這些結(jié)果比現(xiàn)存的一些結(jié)果保守性小。仿真算例驗(yàn)證了本章提出方法的有效性。
　　第4章研究了反饋控制系統(tǒng)中控制器和被控設(shè)備之間連接通道上的信號(hào)量化問題，即量化的反饋控制問題。本章考慮離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的靜態(tài)輸出反饋量化問題，也就是輸出

6、信號(hào)和控制輸入信號(hào)分別在傳感器和控制器側(cè)進(jìn)行量化.采用對(duì)數(shù)量化器，通過使用扇形有界方法，建立了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型。通過Lyapunov泛函方法，結(jié)合引入松散變量技術(shù)，給出閉環(huán)系統(tǒng)在靜態(tài)輸出反饋控制器下漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件。并用線性矩陣不等式技術(shù)和錐補(bǔ)線性化(ConeComplementarity Linearization，CCL)算法給出靜態(tài)輸出反饋量化控制器的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，在考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不存在信號(hào)量化時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和鎮(zhèn)定條

7、件可以證明比現(xiàn)有的一些方法保守性要小。仿真算例進(jìn)一步表明本章給出條件的優(yōu)越性。
　　第5章分別針對(duì)變時(shí)延和常時(shí)延的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，給出了新的穩(wěn)定性條件。通過采用新的Lyapunov泛函，其利用了時(shí)延相關(guān)項(xiàng)的各種信息，獲得了基于線性矩陣不等式的時(shí)延依賴穩(wěn)定性條件。而且本文給出的穩(wěn)定性條件從理論上證明了比現(xiàn)有的一些結(jié)果保守性小。仿真算例進(jìn)一步表明了本章所提出方法的優(yōu)越性。
　　第6章研究了帶有數(shù)字控制輸入的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)變采樣H

8、∞控制問題，這里控制對(duì)象是連續(xù)的，而控制輸入是離散的。通過使用輸入時(shí)延的方法，給出了此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模型。不同于上一章，這里的采樣時(shí)間間隔是變化的，但有界。通過采用一個(gè)充分考慮采樣間隔上、下界和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延界的Lyapunov泛函，給出了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的H∞性能分析和H∞控制器設(shè)計(jì)的充分條件。對(duì)于H∞控制器求解過程中遇到的非凸問題，采用了錐補(bǔ)線性化方法將這類非凸問題轉(zhuǎn)化為滿足LMIs約束限制的最優(yōu)化問題。仿真結(jié)果表明本章所提出的方法具有較小的保守

9、性。
　　第7章研究了連續(xù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)反饋的最化控制問題。系統(tǒng)中的狀態(tài)信號(hào)和控制輸入信號(hào)分別在傳感器和控制器兩側(cè)進(jìn)行量化。量化器采取了兩種量化策略，即靜態(tài)量化策略和動(dòng)態(tài)量化策略。在考慮網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和信號(hào)量化同時(shí)存在的條件下，通過李亞普諾夫泛函方法，引入松散變量技術(shù)，分別給出在兩種量化策略下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基于LMI的穩(wěn)定性條件和狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)條件，且這些條件具有涉及決策變量少、運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)靜態(tài)量化策略下給出的條件保守性