一类网络控制系统的随机模型及控制

论文摘要

网络控制系统是控制科学与飞速发展的计算机网络及通讯技术相结合的产物。网络控制系统由于网络的介入,不可避免地带来了许多问题:如网络传输导致的反馈和控制输入中的诱导时延、通信过程失败造成的数据包丢失、网络带宽的限制使得数据必须分批传送、不同的网络节点之间系统时钟的异步等等。这些问题的存在,不但会降低系统的控制性能,而且还是引起系统不稳定的潜在因素。网络传输时延是网络化给控制系统带来的最显著的不利影响,迄今已有的工作多数只针对定常网络传输时延的研究,关于时变随机时延的讨论则非常少见。除了时延的影响之外,不可靠的网络通信时常会造成分组信息的丢失,亦即所谓的数据丢包现象。所以本文主要从建模、稳定性分析和控制器设计三个方面对既具有随机传输时延,又具有数据丢包的网络控制系统进行研究。本文将系统中的网络诱导时延定义为由马尔可夫链控制的区间变量,将有数据丢包的网络看成是不定时关断的开关,即如果在当前时刻发生数据丢包,则该时刻系统的状态用前一时刻系统的状态替代,提出用有界不确定性的离散马尔可夫跳跃系统来建立网络控制系统的模型。基于这个模型,用李亚普诺夫稳定性理论给出了使系统随机稳定的充分条件,并且通过一系列线性矩阵不等式构建输出反馈控制器。Matlab仿真实验验证了在存在一定的随机时延和丢包率时系统的稳定性。然后用卡尔曼滤波方法对数据丢包时的状态进行估计,建立了在丢包时刻采用滤波估计状态反馈的网络控制系统模型,给出了系统的控制器。Matlab仿真实验表明,用卡尔曼滤波得出的控制效果,比用丢包前一时刻的系统状态代替丢包时刻的系统状态得出的控制效果好,验证了用卡尔曼滤波估计状态在具有数据丢包的网络控制系统中进行反馈是有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 研究动机
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 网络控制系统
• 2.1 网络控制系统概述
• 2.2 网络控制系统的研究现状
• 2.3 影响网络控制系统控制性能的主要因素
• 2.3.1 网络诱导时延
• 2.3.2 数据包丢失
• 2.3.3 数据包的时序错乱
• 2.3.4 节点驱动方式
• 2.3.5 时钟同步
• 2.4 随机控制方法的研究现状
• 第三章 马尔可夫过程和卡尔曼滤波
• 3.1 随机过程
• 3.1.1 随机过程的定义
• 3.1.2 随机过程的分类和研究范围
• 3.2 马尔可夫过程
• 3.2.1 马尔可夫过程的定义
• 3.2.2 马尔可夫链
• 3.2.3 转移概率
• 3.3 卡尔曼滤波
• 3.3.1 离散系统卡尔曼滤波
• 3.3.2 卡尔曼滤波递推公式
• 第四章 具有数据丢包和随机时延的随机模型和镇定
• 4.1 系统建模
• 4.2 系统的随机稳定性
• 4.3 系统的控制器设计
• 4.4 仿真实验
• 4.4.1 无数据包丢失时系统的响应
• 4.4.2 有数据包丢失时系统的响应
• 第五章 基于卡尔曼预估的控制
• 5.1 网络控制系统中的卡尔曼滤波递推公式
• 5.2 网络控制系统和控制器描述
• 5.3 仿真实验
• 5.3.1 使用同一控制器时的系统响应
• 5.3.2 使用不同控制器时的系统响应
• 5.4 连续丢包时用卡尔曼预报去控制时存在的问题
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢