基于自由权矩阵的网络控制系统分析与设计

论文摘要

随着计算机技术、网络技术和通信技术的快速发展,网络控制系统在许多控制领域都得到越来越广泛的应用。在网络控制系统中,传感器、执行器和控制器之间通过通信网络相互连接,不可避免地会产生时滞。网络诱导时滞的存在会降低系统的控制性能,甚至会导致系统不稳定。而且网络诱导时滞往往是时变的,这使得网络控制系统的分析与设计更为复杂。如何求得网络控制系统的最大允许时滞上界（MADB）并设计有效的控制器,以确保在MADB的范围内系统的稳定性和控制性能,这是本文的研究目的。借助于Lyapunov稳定性理论和自由权矩阵方法,本文讨论网络控制系统的稳定性分析与镇定控制、保成本控制、鲁棒H∞控制以及鲁棒H∞滤波器的设计等问题。论文的主要研究成果如下：（1）提出网络控制系统的稳定性条件以及状态反馈镇定控制器设计方法。针对带有时变时滞的连续时间网络控制系统,利用Lyapunov-Krasovskii泛函和改进的自由权矩阵方法,通过保留Lyapunov-Krasovskii泛函导数中的所有项,获得网络控制系统的稳定性条件,并推广到带有时变结构不确定性的网络控制系统,在此基础上提出状态反馈镇定控制器的设计方法,并采用基于线性矩阵不等式（LMI）的改进锥补偿算法（ICCL）求解非线性矩阵不等式（NLMI）,获得保证网络控制系统稳定的MADB以及控制器的参数。同时,利用类似的方法获得离散时间网络控制系统的稳定性条件以及镇定控制器设计方法。数值实例表明所提方法的有效性和相比已有方法较低的保守性。（2）提出网络控制系统的保成本控制器设计方法。根据网络控制系统的性能要求,利用Lyapunov-Krasovskii泛函和改进的自由权矩阵方法,研究连续时间网络控制系统保成本控制器的设计方法。通过ICCL算法求解控制器的参数,得到满足给定性能要求的保成本控制器。同时提出离散时间保成本控制器设计方法。数值实例表明所提方法的有效性和相比已有方法更小的保成本性能指标。（3）提出网络控制系统的鲁棒H∞控制器设计方法。针对一类连续时间网络控制系统,利用Lyapunov-Krasovskii泛函和改进的自由权矩阵方法,建立网络控制系统的H∞性能准则,在此基础上提出H∞状态反馈控制器的设计方法,并推广到鲁棒H∞控制器的设计。同时采用类似方法得到离散时间网络控制系统的H∞控制器的设计方法。数值实例表明该方法是有效的并具有较好的H∞性能。（4）提出基于网络的鲁棒H∞滤波器设计方法。针对连续时间网络控制系统,利用Lyapunov-Krasovskii泛函和改进的自由权矩阵方法,通过保留Lyapunov-Krasovskii泛函导数中的所有项,并对系统中不同部分的不确定性进行分别处理,建立基于网络的滤波器误差系统鲁棒H∞性能分析准则,在此基础上得到基于LMI的鲁棒H∞滤波器设计方法。采用类似的方法,获得基于网络的离散H∞滤波器设计方法。数值实例表明该方法的有效性以及相比已有方法的较小保守性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 网络控制系统研究背景
• 1.2.1 网络对控制系统的主要影响因素
• 1.2.2 网络控制系统的基本问题
• 1.3 网络控制系统研究现状
• 1.4 论文构成及研究内容
• 第二章 网络控制系统的稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 连续时间网络控制系统的稳定性分析
• 2.2.1 问题描述
• 2.2.2 稳定性分析
• 2.2.3 鲁棒稳定性分析
• 2.2.4 状态反馈镇定设计
• 2.2.5 镇定控制器参数求解算法
• 2.2.6 数值实例
• 2.3 离散时间网络控制系统的稳定性分析
• 2.3.1 问题描述
• 2.3.2 稳定性分析
• 2.3.3 鲁棒稳定性分析
• 2.3.4 状态反馈镇定设计
• 2.3.5 数值仿真实例
• 2.4 本章小结
• 第三章 网络控制系统的保成本控制
• 3.1 引言
• 3.2 连续时间网络控制系统的保成本控制
• 3.2.1 问题的描述
• 3.2.2 保成本控制器的性能分析
• 3.2.3 保成本控制器的设计
• 3.2.4 保成本控制器参数求解算法
• 3.2.5 数值实例
• 3.3 离散时间网络控制系统的保成本控制
• 3.3.1 问题的描述
• 3.3.2 保成本控制器的性能分析
• 3.3.3 保成本控制器的设计
• 3.3.4 保成本控制器参数求解算法
• 3.3.5 数值实例
• 3.4 本章小结
• ∞控制'>第四章 网络控制系统的鲁棒H_∞控制
• 4.1 引言
• ∞控制'>4.2 连续时间网络控制系统的鲁棒H_∞控制
• 4.2.1 问题描述
• ∞性能分析'>4.2.2 鲁棒H_∞性能分析
• ∞控制器设计'>4.2.3 鲁棒H_∞控制器设计
• ∞控制器参数求解算法'>4.2.4 鲁棒H_∞控制器参数求解算法
• 4.2.5 数值实例
• ∞控制'>4.3 离散时间网络控制系统的鲁棒H_∞控制
• 4.3.1 问题描述
• ∞性能分析'>4.3.2 鲁棒H_∞性能分析
• ∞控制器的设计'>4.3.3 鲁棒H_∞控制器的设计
• ∞控制器参数求解算法'>4.3.4 鲁棒H_∞控制器参数求解算法
• 4.3.5 数值实例
• 4.4 本章小结
• ∞滤波器设计'>第五章 网络控制系统的鲁棒H_∞滤波器设计
• 5.1 引言
• ∞滤波器设计'>5.2 连续时间网络控制系统的鲁棒H_∞滤波器设计
• 5.2.1 问题描述
• ∞滤波器的性能分析'>5.2.2 鲁棒H_∞滤波器的性能分析
• ∞滤波器的设计'>5.2.3 鲁棒H_∞滤波器的设计
• 5.2.4 数值实例
• ∞滤波器设计'>5.3 离散时间网络控制系统的鲁棒H_∞滤波器设计
• 5.3.1 问题描述
• ∞滤波器的性能分析'>5.3.2 鲁棒H_∞滤波器的性能分析
• ∞滤波器的设计'>5.3.3 鲁棒H_∞滤波器的设计
• 5.3.4 数值实例
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果