时延网络控制系统的稳定性分析与控制器设计

论文摘要

网络控制系统是控制技术、网络通信技术及计算机技术相融合的产物,是一种新兴的分布式实时控制系统,并逐渐成为国际学术界研究的一个热点。它具有信息资源共享、灵活性强、良好的自诊断和维护性能好等优点。但由于控制系统中网络环节的引入,网络通信的带宽有限,信息在传输时要分时占用总线,因此不可避免的存在着信息的传输时延、碰撞、时序错乱,甚至数据包丢失等现象,而这些往往是导致系统不稳定的一个重要因素,并且使得控制系统的分析和综合变得更为复杂。本文针对网络控制系统中的时延对NCS进行了稳定性分析和控制器的设计。首先,对网络控制系统的一些基本概念,NCS的发展及目前的研究现状做了一个比较详细的介绍；讨论了网络控制系统中典型的控制网络,在此基础上对网络诱导时延进行了分析,并以一类连续模型为对象研究了时延对系统稳定性的影响；随后根据时延特性建立了短时延网络控制系统数学模型和长时延网络控制系统数学模型。其次,研究了短时延NCS的稳定性分析与控制器设计,包括：短时延NCS保性能控制、状态反馈H∞控制和动态输出反馈H∞控制。针对闭环NCS的离散化模型,把回路时延的不确定性转化为被控对象状态方程系数矩阵的不确定性,利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法,给出了相应的NCS稳定性的充分条件和鲁棒控制器设计方法,并给出了详细的证明过程。使得闭环NCS鲁棒渐进稳定,并且满足一定的性能指标。最后,研究了一类长时延网络控制系统的控制器设计。文中将输出时延和控制时延分开处理,引入一种观测器,补偿输出时延,基于Lyapunov稳定性理论和切换控制理论,利用LMI方法对系统的稳定性进行了分析,并给出了最优控制律和观测器增益的设计方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 网络控制系统的研究背景
• 1.2 网络控制系统
• 1.2.1 计算机控制系统的发展
• 1.2.2 网络控制系统的特点及影响因素
• 1.2.3 网络控制系统研究的问题与方法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的研究工作和内容安排
• 第二章 网络控制系统的时延分析与建模
• 2.1 NCS中典型的控制网络
• 2.1.1 以太网
• 2.1.2 设备网
• 2.1.3 控制网
• 2.1.4 实时以太网
• 2.2 时延分析
• 2.3 时延对NCS稳定性的影响
• 2.4 网络控制系统的稳定性研究
• 2.4.1 稳定性分析
• 2.4.2 仿真研究
• 2.5 网络控制系统的建模
• 2.5.1 短时延下的NCS的建模
• 2.5.2 长时延下的NCS的建模
• 2.6 小结
• 第三章 基于LMI的短时延NCS稳定性分析
• 3.1 基于LMI的NCS保性能控制器设计
• 3.1.1 保性能控制理论
• 3.1.2 问题描述
• 3.1.3 稳定性分析
• 3.1.4 仿真研究
• ∞控制'>3.2 不确定时延NCS的状态反馈H_∞控制
• 3.2.1 预备知识
• 3.2.2 问题描述
• 3.2.3 稳定性分析
• 3.2.4 仿真研究
• ∞控制'>3.3 不确定时延NCS的动态输出反馈H_∞控制
• 3.3.1 动态输出反馈NCS的建模
• 3.3.2 稳定性分析
• 3.3.3 仿真研究
• 3.4 小结
• 第四章 长时延网络控制系统的设计
• 4.1 系统分析与建模
• 4.1.1 问题描述
• 4.1.2 时延补偿观测器的建模
• 4.1.3 系统建模
• 4.2 观测器的设计
• 4.3 控制器的设计
• 4.4 仿真实例
• 4.5 小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢