不确定网络控制系统的稳定性分析与控制器设计

论文摘要

网络控制系统（NCS）是通过实时网络形成闭环的反馈控制系统.网络控制系统具有布线简单、结构灵活、易于安装与维护、有较高的容错与故障诊断能力等优点.然而,由于网络带宽有限以及信息传输过程中的碰撞,不可避免地导致传输时延、数据包丢失、多包传输以及时序错乱等问题.这些问题的存在影响了系统性能,甚至引起系统不稳定.首先,研究了具有短时变时延网络控制系统的状态反馈镇定问题.建立了一种新的线性离散NCS模型,把回路时延的不确定性转化为被控对象系统方程系数矩阵的不确定性.利用Lyapunov理论和线性矩阵不等式（LMI）方法,给出了网络控制系统渐近稳定性和时延上界、时延变化范围之间的数量关系的充分条件,并设计了状态反馈控制器,该控制器可以使得闭环网络控制系统达到渐近稳定.其次,研究了短时延网络控制系统的保性能控制器设计问题.针对网络控制系统中时延不确定因素,将时延的不确定性转换为系统状态方程系数矩阵的不确定性,网络控制系统对象模型为具有时滞的不确定离散模型.在此模型的基础上,将网络控制系统的保性能控制问题转化为研究时滞的不确定离散系统的鲁棒保性能控制问题.利用Lyapunov理论和线性矩阵不等式（LMI）方法,证明了通过状态反馈控制,使网络控制系统保性能控制的充分条件等价于求解LMI.仿真示例验证了该控制方法的有效性.最后,研究了具有网络诱导时延及数据包丢失的网络控制系统也状态反馈控制器设计问题.将NCS视为一个时滞系统,基于网络诱导时延上下界构造出一个新的Lyapunov-Krasovskii泛函,然后利用时滞系统理论,锥补线性化方法和矩阵不等式方法,推导出确保系统鲁棒指数渐近稳定同时满足H∞性能的状态反馈控制器的设计方法.通过求解凸优化问题,获得网络控制系统及具有非线性扰动的网络控制系统的最大允许时延界.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 网络控制系统描述
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 网络控制系统的基本问题
• 1.2.1 网络诱导时延
• 1.2.2 数据包丢失
• 1.2.3 单数据包与多数据包传输
• 1.2.4 数据包的时序错乱
• 1.2.5 网络调度
• 1.3 网络控制系统的研究进展
• 1.3.1 时延的NCS研究
• 1.3.2 数据包丢失的NCS研究
• 1.3.3 多包传输的NCS研究
• 1.3.4 网络调度的NCS研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 短时延NCS状态反馈控制
• 2.1 引言
• 2.2 系统分析与建模
• 2.3 稳定性分析和控制器的设计
• 2.4 仿真算例
• 2.5 小结
• 第3章 短时延NCS的保性能控制
• 3.1 引言
• 3.2 系统分析与建模
• 3.3 NCS的保性能稳定控制
• 3.4 仿真算例
• 3.5 小结
• ∞控制'>第4章 具有时延和数据包丢失的NCS鲁棒H_∞控制
• 4.1 引言
• 4.2 网络控制系统模型的建立
• ∞性能分析和控制器设计'>4.3 闭环系统H_∞性能分析和控制器设计
• 4.4 仿真算例
• 4.5 锥补线性化算法求解步骤
• 4.6 结论
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢