存在时延和数据丢包时网络控制系统分析及设计

论文摘要

本文针对网络诱导时延和数据包丢失两大基本问题为研究对象,研究了网络控制系统在数据包丢失和诱导时延下的最优控制及稳定性分析。首先,研究了存在数据包丢失的网络控制系统稳定性分析及最优控制。针对同时存在前向通道和反馈通道数据包丢失的离散时间系统,分别将数据包丢失作为独立的贝努利过程进行建模,通过对量化器量化水平参数的约束条件,确保状态估计在均方差意义下的稳定,并基于约束条件获得前向通道的最大丢包率的一个上界。与此同时,基于线性二次型最优控制(LQG)性能指标和状态估计,给出了具有数据包丢失的系统最优控制律,运用线性矩阵不等式(LMI)技术和二分法进行优化设计,并给出了反馈通道最大丢包率的一个优化算法。最后通过仿真实例验证了理论结果。其次,研究了存在时延网络控制系统的补偿算法和最优控制律设计。针对系统存在的随机时延,分别设计出在全状态反馈方式和输出反馈方式下的状态观测器,通过状态观测器的算法补偿来实现对时延的补偿,从而获得更准确的预测估计。与此同时,基于LQG性能指标,给出了随机时延系统的最优控制律,减弱了网络时延和系统噪声对控制系统稳定性的影响,从而保证了系统的稳定性。最后,通过了实例仿真,证实了提出状态观测器进行时延补偿算法和最优控制律设计的有效性。随后,针对同时存在数据包丢失和网络诱导时延的一类网络控制系统,将其建模为由结构事件率约束的异步动态系统(ADS),针对无数据包丢失时稳定的网络控制系统,在数据包丢失率已知时,利用线性矩阵不等式算法和李亚普诺夫方法,给出了系统指数稳定的充分条件、系统指数稳定的容许数据丢包率和系统开环状态及闭环结构的关系,最终得到了状态反馈控制律和最大容许数据丢包率,仿真结果表明了理论分析的正确性。最后,针对数据包丢失和时延同时存在的的这类系统建立了带有补偿估计器的NCS模型,当数据包发生丢失时,通过设计数据包丢失估计补偿器,利用估计补偿器的信息来更新控制器的输出,对被控对象进行控制。由仿真结果表明,带补偿器和估计器的网络控制系统能有效降低时延和丢包对系统的影响,最终来提高系统稳定性能。从而证实了此设计方法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 网络控制系统中的几个基本问题的分析
• 1.2.1 数据包丢失
• 1.2.2 网络诱导时延
• 1.2.3 单包传输与多包传输
• 1.2.4 节点的驱动方式
• 1.3 网络控制系统的研究现状
• 1.3.1 数据包丢失的研究
• 1.3.2 网络传输诱导时延的研究
• 1.3.3 单包/多包传输的研究
• 1.4 网络控制系统稳定的研究策略
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 数据包丢失的网络控制系统分析及最优控制
• 2.1 引言
• 2.2 数据丢包NCS 建模
• 2.3 丢包下的状态估计与最优控制律设计
• 2.3.1 数据丢包下的状态估计
• 2.3.2 最优控制律设计
• 2.4 闭环系统稳定性分析
• 2.5 仿真示例
• 2.6 本章小结
• 第三章 时延网络控制系统的补偿算法和最优控制器计
• 3.1 引言
• 3.2 时延NCS 建模
• 3.3 网络时延的补偿算法设计
• 3.3.1 全状态反馈下的时延补偿
• 3.3.2 输出反馈下的时延补偿
• 3.4 时延系统的随机最优控制律设计与稳定性分析
• 3.4.1 随机最优控制律设计
• 3.4.2 时延NCS 的稳定性分析
• 3.5 仿真示例
• 3.6 本章小结
• 第四章 数据包丢失和时延同时存在的NCS 分析及设计
• 4.1 引言
• 4.2 丢包网络控制系统模型描述
• 4.3 NCS 的指数稳定性分析
• 4.3.1 系统指数稳定性分析
• 4.3.2 系统容许最大丢包率与系统稳定性关系分析
• 4.3.3 仿真示例
• 4.4 采用包丢失补偿估计器的NCS 的建模与分析
• 4.4.1 数据包丢失补偿估计器的NCS 设计
• 4.4.2 NCS 的稳定性分析
• 4.4.3 仿真示例
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文主要研究工作
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文