具有时延和数据丢包的网络控制系统分析与控制

论文摘要

随着科技的迅猛发展,网络控制系统(networked control system, NCS)随之产生。网络控制系统是一种以通信网络为传输介质,实现传感器,控制器以及执行器之间数据交换的分布式实时反馈控制系统。由于网络控制系统具有资源共享,远程分布控制等优势,因此,网络控制系统应用于众多领域中。然而系统通过网络交换数据时,往往会因为系统各个节点共享有限的网络带宽以及通信机制等因素而造成数据传输延迟,数据丢包等问题,从而降低系统性能,严重时可能导致系统工作不稳定。本文针对网络控制系统中存在的基本问题,主要做了如下三个方面的研究工作：(1)针对时延网络控制系统,将系统时延分为固定时延及任意时变时延两种情形,通过对时延黄金分割以及引入改进自由权矩阵,基于李雅普诺夫稳定性理论,给出一种讨论时延网络控制系统稳定性的新方法,得到了保守性较小的渐近稳定性判据。根据两个稳定性判据,建立利于LMI工具箱求解的凸优化问题,进而对最大允许时延进行设计。(2)考虑时延网络控制系统的控制律设计问题。在设计状态反馈控制律中,把时延分为由传输时延的下界和一个时变时延两部分,在证明过程中,引入一个等式约束条件,避免了双线性矩阵变量的出现,从而简化了求解状态反馈控制律的条件,且通过传输时延下界的引入,获得具有较小保守性的结果。最后,基于时滞依赖方法设计输出反馈控制律和计算最大允许时延,依据李雅普诺夫稳定性理论和改进自由权技术,并且不放大任何交叉项,给出保守性较小的求解输出反馈控制律和计算最大允许时延的条件。(3)针对丢包网络控制系统,考虑系统中存在状态延迟的情形。把系统等价成切换系统。依据李雅普诺夫稳定性理论和切换系统理论设计基于观测器的状态反馈控制律,获得利用Matlab工具箱求解的线性矩阵不等式条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 网络控制系统的概述
• 1.2.1 网络控制系统的组成与结构
• 1.2.2 网络控制系统中存在的基本问题
• 1.3 网络控制系统研究现状
• 1.3.1 时延网络控制系统的研究现状
• 1.3.2 丢包网络控制系统的研究现状
• 1.4 数学预备知识
• 1.4.1 数学知识
• 1.4.2 线性矩阵不等式
• 1.4.3 线性矩阵不等式工具箱介绍
• 1.5 论文的主要内容和安排
• 2 时延网络控制系统的稳定性分析
• 2.1 问题描述
• 2.2 固定时延网络控制系统的最大允许时延设计
• 2.3 时变时延网络控制系统的最大允许时延设计
• 2.4 数值算例
• 2.5 本章小结
• 3 网络控制系统的控制律设计
• 3.1 时延网络控制系统的状态反馈控制律设计
• 3.1.1 时延网络控制系统的问题描述
• 3.1.2 时延网络控制系统的渐近稳定性条件
• 3.1.3 时延网络控制系统的状态反馈控制律设计
• 3.2 时延网络控制系统输出反馈控制律设计
• 3.2.1 时延网络控制系统的问题描述
• 3.2.2 时延网络控制系统的渐近稳定性条件
• 3.2.3 时延网络控制系统的输出反馈控制律设计
• 3.2.4 时延网络控制系统的最大允许时延设计
• 3.3 数值算例
• 3.3.1 设计状态反馈控制律的数值算例
• 3.3.2 设计输出反馈控制律的数值算例
• 3.4 本章小结
• 4 基于观测器的状态反馈控制律设计
• 4.1 问题描述
• 4.2 基于观测器的状态反馈控制律设计
• 4.3 数值算例
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢