隨機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能分析與魯棒控制.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems,NCS)是以串行通信網(wǎng)絡(luò)把傳感器、控制器和執(zhí)行器相連接而構(gòu)成反饋閉環(huán)的特殊分布式控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的點對點的控制系統(tǒng)相比,這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式避免了控制節(jié)點間專線的敷設(shè),減少布線,易于系統(tǒng)的診斷和維護,增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性,有效的降低了系統(tǒng)成本。目前,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已在工業(yè)制造、交通系統(tǒng)、電力、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是,網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕槿?也帶來了許多新問題,如:網(wǎng)絡(luò)

2、時延、數(shù)據(jù)丟包、網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動以及網(wǎng)絡(luò)的通信約束使得數(shù)據(jù)必須多包傳輸、不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間系統(tǒng)時鐘的異步等等。這些因素將不可避免的影響到控制系統(tǒng)的性能,甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定,這使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題變得復(fù)雜。因此,針對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究具有重大的理論和應(yīng)用價值,正日益成為目前控制理論界研究的熱點。本文結(jié)合隨機控制和魯棒控制理論,對存在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境因素(數(shù)據(jù)丟包、帶寬的限制和擾動、網(wǎng)絡(luò)時延)影響的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模,穩(wěn)定性分析、魯棒控制設(shè)

3、計等問題進行了深入的研究。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論以及線性矩陣不等式方法,給出了各個網(wǎng)絡(luò)因素影響下閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件和控制器設(shè)計方法；通過引入隨機網(wǎng)路控制系統(tǒng)的最優(yōu)保性能和最優(yōu)H∞性能等魯棒性能指標(biāo),對系統(tǒng)的性能與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之間的關(guān)系進行了分析研究。本文的內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　 首先,針對一類存在隨機數(shù)據(jù)丟包的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),研究其保性能控制問題。設(shè)傳感器到控制器和控制器到傳感器之間存在的兩類數(shù)據(jù)丟包相互獨立并

4、滿足伯奴利二項分布。分別在單、多包傳輸?shù)臈l件下,把被控對象連同存在數(shù)據(jù)丟包的通信網(wǎng)絡(luò)建模為一個增廣系統(tǒng)對象,其中原被控對象的控制輸入作為一個增廣系統(tǒng)的狀態(tài)。通過設(shè)計該增廣系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器,實現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入的同時估計。在此觀測器基礎(chǔ)上,提出了一種基于觀測器的保性能控制策略,給出了閉環(huán)系統(tǒng)隨機均方指數(shù)穩(wěn)定的充分條件,并用線性矩陣不等式技術(shù)和錐補線性化(ConeComplementarity Linearization,CCL)迭代算

5、法給出了最優(yōu)保性能控制器的設(shè)計方法。
　　 針對存在網(wǎng)絡(luò)通信約束的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),研究了基于狀態(tài)觀測器的H∞控制問題。設(shè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量有限并且?guī)挼淖兓瘽M足某個已知的概率分布的條件下,對單包和多包傳輸情形下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分別進行了建模。在不同的網(wǎng)絡(luò)通信約束和帶寬分配條件下,分別給出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)均方穩(wěn)定的充分條件。通過引入最優(yōu)H∞性能指標(biāo),對通信約束條件和控制系統(tǒng)H∞性能之間的關(guān)系進行了深入研究,并用線性矩陣不等式和CCL迭代

6、算法給出了具有最優(yōu)H∞性能的帶寬分配方案和控制器設(shè)計方法。
　　 針對存在隨機時延的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的狀態(tài)反饋H∞控制問題?？紤]只在傳感器到控制器之間存在同絡(luò)時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),用一個狀態(tài)有限的馬爾可夫鏈描述該隨機時延,并在單、多包傳輸條件下,分別將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模為離散隨機線性跳變系統(tǒng)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)傳輸采用時間戳技術(shù),即在每個采樣時刻控制器可以獲得當(dāng)前時刻從傳感器到控制器間州絡(luò)時延的大小。著眼于減少控制器設(shè)計的

7、保守性,對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用按隨機時延進行實時切換的狀態(tài)反饋控制策略,給出了閉環(huán)系統(tǒng)隨機穩(wěn)定的充分條件,并用線性矩陣不等式方法和CCL迭代算法給出了單、多包傳輸條件下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)H∞控制器的設(shè)計方法。
　　 最后,對存在數(shù)據(jù)丟包的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣H∞控制問題進行了研究。考慮被控對象為連續(xù)時間系統(tǒng),并且傳感器到控制器和控制器到傳感器兩類數(shù)據(jù)丟包相互獨立并滿足伯努力二項分布。通過引入輸入時延(Input Delay)