论文摘要
网络控制系统位于控制理论和通讯理论的交叉点.随着近些年来通讯网络技术的发展,控制系统的网络化设计也受到越来越多的关注.由于通讯网络的引入,网络控制系统与传统的“点对点”直接相连的控制系统相比具有很多优点,例如布线简单,结构灵活,易于安装维护等.然而,通讯网络自身的一些特性,例如延时,丢包,带宽约束等,同样会给控制系统的设计带来许多新的问题.这些问题不仅破坏了控制系统的性能,而且使得网络控制系统的分析和设计变得异常复杂.因此,如何通过有效的控制理论方法来解决这些问题,已经成为控制领域内的一个研究热点.本文针对网络控制系统的优化建模以及控制方法进行了深入的分析和研究,其主要工作如下：1.针对一类带有分段常数广义采样保持函数(PCGSHF)的网络控制系统,研究了其建模及综合设计问题.考虑到网络传输过程中的时滞和丢包现象,提出了一个具有PCGSHF的网络控制系统的模型.通过使用一个多基准点参数方法,所获得的模型被划分为两个部分,一个与给定的多基准点相关,另一个与有界不确定的多基准点相关.这种划分实现了通过给定有限个多基准点来设计无穷多个满足稳定性条件的PCGSHF.提出了一个基于PCGSHF段数的范数有界方案用于处理模型中由网络诱导时滞引起的非线性扰动问题.利用Lyapunov理论和LMI技术,得到了系统的稳定性判据,并且设计了反馈控制器以及PCGSHF.2.针对一类具有输入时滞的采样系统,不仅研究了其周期反馈控制问题,而且将所得到的理论结果直接应用在了具有广义采样保持函数的网络控制系统当中.根据周期信号的傅里叶级数表达式,提出了一个非线性分段周期函数(NPPF)用于构造广义采样保持函数(GSHF).通过将NPPF的频率参数与系统的输入时滞之间建立一种函数关系,得到了一个混杂的非线性时滞系统模型.基于Lyapunov理论和LMI技术,得到了系统的渐近稳定性判据.此外,通过提出确保GSHF为全局光滑的广义采样保持函数(GSGSHF),消除了GSHF自身的跳变切换性质,从而增加了其在实际应用当中的可靠性.3.针对一类有限带宽约束条件下的网络控制系统,研究了其建模以及综合设计问题.提出了一个压缩补偿策略,解决了由于丢包现象而造成的信息传递的完整性问题.基于此方案,将带有网络诱导时滞和丢包现象的网络控制系统建模成一个非线性切换系统.根据Lyapunov理论和LMI技术,提出了该模型的稳定性判据以及控制器的设计方法.4.针对一类具有随机时延的网络控制系统,研究了周期反馈控制问题.建立了马尔可夫(Markov)随机时滞系统模型。该模型包括一个分段常数广义采样保持函数(PCGSHF)以及一个用于描述网络诱导时延和数据包丢失的马尔可夫链.应用Lyanunov理论和LMI技术得到了闭环NCSs随机稳定的充分条件,并给出了状态反馈控制器和PCGSHF的设计方法.5.针对一类基于随机事件驱动的网络控制系统,研究了稳定性分析和控制器的设计问题.网络控制系统的工作流程被划分为两种独立的状态：一种是具有网络诱导时延的成功传递状态,另外一种是无法在指定时间内到达的丢包状态.两种状态的区分就在于数据包的传递耗时是否超过规定的最大允许时滞.一个基于事件划分的马尔可夫链用于描述系统每次成功传递之间的跳变并且包含了网络诱导时延和丢包两种情形.相应的网络控制系统可以被建模为一个混杂的非线性随机切换系统.针对模型中由于内采样行为引起的非线性扰动,提出了两个范数有界策略.根据Lyanunov理论和LMI技术,得到了确保系统稳定的充分条件以及控制器的设计方法.最后,指出了目前网络控制理论研究中存在的一些问题和进一步的发展方向,并对未来的研究工作进行了展望.
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