网络控制系统的分析与控制研究

论文摘要

利用通讯网络实现地域上分布的现场传感器、控制器及执行器之间的信息相互交换,以实现实时反馈控制的控制系统被称为网络控制系统,近年来,这类新型的控制系统得到了广泛的关注。网络中的延时、丢包、通讯约束等问题使网络控制系统的分析和设计变得异常复杂。本文研究了网络控制系统的建模、分析与控制问题,主要内容如下:（1）研究了短时延网络控制系统模型描述,分析了现有建模方法的不足,提出一种新的方法,将传感器节点时间驱动,控制器节点和执行器节点事件驱动的不确定时延网络控制系统等效为一类具有参数不确定性的离散时间系统;利用Lyapunov稳定性理论和矩阵不等式方法,给出了状态反馈和输出反馈情况下闭环系统渐近稳定的充分条件和控制器的设计方法,保性能控制律存在的充分条件和保性能控制律的设计方法;利用鲁棒预测控制方法设计了状态反馈模型预测控制器。（2）研究了多包传输的短时延网络控制系统（MNCS）的建模与控制问题。在传感器数据多包传输的情况下,在控制器端利用对象的模型来估计不能得到的对象状态,并利用获得的对象状态信息更新模型的相应状态,建立了系统的状态方程。将传感器节点采用静态调度策略的MNCS建模为不确定离散周期系统,将传感器节点采用动态调度策略的MNCS建模为离散切换系统;利用周期系统理论和矩阵不等式方法,给出了不确定离散周期系统渐近稳定的充分条件和控制律的设计方法,研究了不确定离散周期系统的H∞控制和保性能控制问题;利用共同的Lyapunov函数和矩阵不等式方法,给出了切换系统渐近稳定的充分条件和控制律的设计方法;研究了输出反馈多包传输网络控制系统,在控制器端引入状态观测器,分别利用周期系统理论和切换系统理论,给出了闭环系统渐近稳定的充分条件和观测器、控制器的设计方法。（3）研究了具有数据包丢失和长网络诱导时延的网络控制系统的分析和设计问题。针对网络具有输出时延和数据包丢失的网络控制系统,为补偿网络诱导时延和数据包丢失的影响,设计了一种状态预测器,给出了D-稳定的预测器和控制器的设计方法;针对具有控制时延和数据包丢失的网络控制系统,利用接收缓存技术将时变时延转化为固定时延,在此基础上给出了闭环系统渐近稳定的充分条件和控制器的设计方法;针对同时具有控制时延和输出时延以及数据包丢失的网络控制系统,结合状态预测器,将系统建模为具有事件率约束的异步动态系统,当事件发生率已知时,给出了网络控制系统指数稳定的充分条件和控制器的设计方法。（4）研究了具有数据丢包和网络诱导时延的网络控制系统的自适应预测控制问题。采用合理的排队机制来克服控制数据包丢失的影响;充分利用网络传输数据包的大小,并使执行器也具有数据发送功能,执行器和传感器在采样时刻发送一定长度的当前及过去时刻的过程输入和输出序列,控制器端则根据接收到的数据进行对象参数的辨识,利用辨识结果来预测截止到当前时刻的过程输出并进行控制量的计算,同时也研究了该方法在非线性NCS的自适应预测控制中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 网络控制系统的基本问题
• 1.3 网络控制系统的研究现状
• 1.3.1 稳定性分析
• 1.3.2 随机控制方法
• 1.3.3 鲁棒控制方法
• 1.3.4 智能控制方法
• 1.3.5 预测控制方法
• 1.3.6 调度与控制协同设计方法
• 1.4 目前研究中存在的不足
• 1.5 本文的主要内容
• 2 短时延网络控制系统的建模与控制
• 2.1 短时延网络控制系统的模型描述
• 2.1.1 现有文献中建模方法的问题
• 2.1.2 短时延网络控制系统的建模
• 2.2 短时延网络控制系统的镇定
• 2.2.1 状态反馈控制
• 2.2.2 基于状态观测器的输出反馈控制
• 2.2.3 仿真算例
• 2.3 不确定时延网络控制系统的保性能控制
• 2.3.1 状态反馈保性能控制
• 2.3.2 基于状态观测器的输出反馈保性能控制
• 2.3.3 仿真算例
• 2.4 不确定时延网络控制系统的模型预测控制
• 2.4.1 问题描述
• 2.4.2 主要结论
• 2.4.3 仿真算例
• 2.5 本章小结
• 3 多包传输网络控制系统的分析与设计
• 3.1 多包传输网络控制系统的建模
• 3.2 周期MNCS的分析与综合
• 3.2.1 问题描述
• 3.2.2 预备知识
• 3.2.3 系统稳定性分析与综合
• 3.2.4 仿真算例
• 3.3 不确定周期MNCS的分析和综合
• 3.3.1 问题描述
• 3.3.2 系统镇定
• 3.3.3 保性能控制
• 3.3.4 仿真研究
• 3.4 MEF-MNCS的分析与设计
• 3.4.1 问题描述
• 3.4.2 不确定时延MNCS的镇定
• 3.4.3 不确定时延MNCS的H∞控制
• 3.4.4 仿真算例
• 3.5 基于观测器的多包传输网络控制系统的设计
• 3.5.1 基于观测器的多包传输网络控制系统的建模
• 3.5.2 主要结论
• 3.5.3 仿真算例
• 3.6 本章小结
• 4 具有数据包丢失的长时延网络控制系统的研究
• 4.1 具有输出时延和数据包丢失的网络控制系统
• 4.1.1 问题描述
• 4.1.2 状态预测器设计
• 4.1.3 控制器设计
• 4.1.4 仿真算例
• 4.2 具有控制时延和数据包丢失的网络控制系统设计
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 控制器设计
• 4.2.3 仿真算例
• 4.3 有数据包丢失的长时延网络控制系统的控制
• 4.3.1 网络控制系统的建模
• 4.3.2 控制器设计
• 4.3.3 仿真算例
• 4.4 本章小结
• 5 网络控制系统的自适应预测控制研究
• 5.1 自适应广义预测控制的基本原理
• 5.1.1 广义预测控制的基本方法
• 5.1.2 自适应广义预测控制算法
• 5.2 NCS的自适应广义预测控制算法
• 5.2.1 被控对象输入输出数据的获取
• 5.2.2 NCS的自适应广义预测控制
• 5.2.3 仿真算例
• 5.3 基于神经网络的非线性NCS自适应预测控制
• 5.3.1 基于神经网络的非线性预测控制
• 5.3.2 非线性NCS的自适应预测控制
• 5.3.3 仿真算例
• 5.4 本章小结
• 6 回顾与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 作者在攻读博士期间完成的论文
• 参考文献