網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與綜合.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，21世紀(jì)的控制系統(tǒng)將以網(wǎng)絡(luò)為主要特征。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)NCSs)是控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，它可以應(yīng)用于幾乎任何帶有控制器的分布設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)合，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、節(jié)點(diǎn)智能化的發(fā)展趨勢(shì)，NCSs是當(dāng)前控制系統(tǒng)發(fā)展的新階段。由于具有成本低、連接線數(shù)少、易于擴(kuò)展維護(hù)、高效

2、、高可靠性和信息資源共享等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得NCSs已在工業(yè)自動(dòng)化、智能交通、機(jī)器人、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，NCSs中由于網(wǎng)絡(luò)的引入，不可避免地帶來(lái)了許多問(wèn)題：如網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)滯、數(shù)據(jù)丟包、多包傳輸、時(shí)鐘異步等等。這些問(wèn)題的存在，不但會(huì)降低控制系統(tǒng)的性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而使得對(duì)NCSs的分析和設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜。因此，對(duì)NCSs的分析與綜合是當(dāng)前控制理論研究的重要內(nèi)容，也已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

3、　　 本文從控制理論及算法的角度出發(fā)，圍繞NCSs中的一些基本問(wèn)題，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論、時(shí)滯系統(tǒng)理論、隨機(jī)系統(tǒng)理論及線性矩陣不等式(LMIs)方法、奇異系統(tǒng)方法、自由權(quán)矩陣方法等的一些現(xiàn)有結(jié)果對(duì)NCSs的建模、穩(wěn)定性和控制進(jìn)行了相關(guān)研究，在對(duì)NCSs的分析與綜合過(guò)程中給出了這些基本問(wèn)題的研究結(jié)果。
　　 首先，本文介紹了NCSs的產(chǎn)生背景、發(fā)展歷程、基本概念特點(diǎn)等，詳細(xì)闡述了其基本內(nèi)容。從控制和網(wǎng)絡(luò)通信兩個(gè)角度較全

4、面地對(duì)國(guó)內(nèi)外NCSs主要研究?jī)?nèi)容、典型研究方法進(jìn)行了概括總結(jié)，指出了存在的問(wèn)題及本文待研究的內(nèi)容。
　　 由于控制網(wǎng)絡(luò)是NCSs中的重要組成部分，而時(shí)滯問(wèn)題是NCSs中的核心問(wèn)題之一，因此本文系統(tǒng)闡述了控制網(wǎng)絡(luò)的基本概念和基本內(nèi)容，重點(diǎn)討論和分析了以太網(wǎng)(Ethernet)、控制網(wǎng)(ControlNet)和CAN總線三種典型控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和性能。同時(shí)還對(duì)NCSs中的時(shí)滯問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析，討論了時(shí)滯的組成、定義及其對(duì)NCSs的影

5、響等。這些定性的分析和討論對(duì)于研究NCSs的建模、穩(wěn)定性分析與控制具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。
　　 針對(duì)現(xiàn)有的研究結(jié)果大多局限于單回路NCSs的建模與分析，分別建立了多時(shí)滯NCSs和一類(lèi)不確定多時(shí)滯MIMO的NCSs的各種模型，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論和LMIs方法研究了多時(shí)滯NCSs的時(shí)滯相關(guān)穩(wěn)定性和鎮(zhèn)定性問(wèn)題，給出了基于廣義Lyapunov矩陣方程(不等式)和LMIs形式的較小保守性的穩(wěn)定和鎮(zhèn)定判據(jù)，并設(shè)計(jì)了無(wú)記憶

6、狀態(tài)反饋控制器。
　　 針對(duì)一類(lèi)MIMO的NCSs模型，在考慮常時(shí)滯、時(shí)變時(shí)滯和系統(tǒng)不確定性等情形下，分別利用時(shí)滯系統(tǒng)理論、LMIs方法、奇異系統(tǒng)方法以及引入自由權(quán)矩陣等方法分析了這類(lèi)不確定多時(shí)滯NCSs的魯棒穩(wěn)定性問(wèn)題，給出了基于LMIs形式的與時(shí)滯相關(guān)/無(wú)關(guān)、與時(shí)滯導(dǎo)數(shù)相關(guān)/無(wú)關(guān)的穩(wěn)定判據(jù)。同時(shí)還給出了相應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)論。與其它文獻(xiàn)結(jié)論相比，這些結(jié)論保守性較小且更具有廣泛性和一般性。數(shù)字實(shí)例和仿真表明了這些方法的有效性

7、。
　　 考慮到系統(tǒng)的不確定性及外界干擾，建立了具有丟包和時(shí)滯的NCSs模型，將其等效為一個(gè)不確定馬爾可夫切換時(shí)滯系統(tǒng)。針對(duì)此模型，構(gòu)造出一種新型的Lyapunov-Krasovskii泛函，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論、隨機(jī)時(shí)滯系統(tǒng)理論并結(jié)合LMIs技巧和自由權(quán)矩陣等方法，研究了該系統(tǒng)與時(shí)滯相關(guān)的魯棒穩(wěn)定性、鎮(zhèn)定性及具有一定干擾抑制水平的控制器設(shè)計(jì)等問(wèn)題。給出了一系列基于LMIs的較小保守性的魯棒隨機(jī)穩(wěn)定和鎮(zhèn)定條件，這些結(jié)論

8、與現(xiàn)有文獻(xiàn)相比保守性更小且更具有廣泛性，同時(shí)還給出了相應(yīng)最大允許時(shí)滯邊界(MADB)的求解算法。實(shí)例仿真說(shuō)明了方法的有效性。
　　 針對(duì)NCSs可能存在的隨機(jī)擾動(dòng)，研究了具有時(shí)變時(shí)滯和不確定性的線性、非線性隨機(jī)擾動(dòng)NCSs的魯棒穩(wěn)定性和均方指數(shù)穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用Lyapunov穩(wěn)定性理論、隨機(jī)時(shí)滯系統(tǒng)理論并結(jié)合LMIs技巧和自由權(quán)矩陣等方法，得到了一系列基于LMIs的保守性較小的魯棒隨機(jī)穩(wěn)定、均方指數(shù)穩(wěn)定的判據(jù)，這些結(jié)果對(duì)于確