大时滞网络控制系统分析与设计的研究

论文摘要

本论文针对时滞大于一个采样周期的网络控制系统,考虑NCS中存在的网络诱导时滞、数据包丢失和外部扰动等主要问题,以控制网络的服务质量为基础,围绕着NCS的性能指标,研究了NCS的建模、稳定性分析、最优控制、保成本控制、H∞控制等问题,主要研究成果如下:1.针对具有网络诱导大时滞的网络控制系统,通过模糊融合技术对系统进行建模,将具有控制大时滞的系统转化为控制不含时滞的系统。利用时滞出现的概率作为隶属度,构成全局T-S模糊模型。基于模型设计了一种状态观测器,将计算扰动抵消,并对闭环系统进行了稳定性分析,给出了系统渐近稳定的条件。2.针对网络控制系统中网络诱导时滞可能大于一个采样周期的情况,通过模糊融合技术对系统进行建模,将具有控制时滞的系统转化为控制不含时滞的系统。运用Kalman滤波器进行白噪声最优状态估计,解决了最优扰动抑制控制律的物理实现问题,然后给出了前馈-反馈最优控制律的存在唯一性条件,并提出了控制律的具体设计算法。3.针对网络控制系统中同时具有数据包丢失和网络诱导时滞的情况,通过Try-Once-Discarded（TOD）技术对系统进行建模,将随机时滞对系统的影响转化为未知有界不确定项。在网络诱导时滞可能大于一个采样周期的情况下,将网络控制系统建模为具有事件率约束的异步动态系统（ADSs）。利用LMI方法的相关结论,给出网络控制系统指数稳定的充分条件以及数据传输成功率应满足的范围。4.研究受外部持续扰动的一类不确定性非线性网络控制系统的扰动抑制问题。提出了一种状态变量代换,将控制时滞转移到闭环控制回路之外,从而消除了时滞部分对控制系统稳定性的影响。利用内模原理给出了系统的无静差扰动抑制补偿器设计方法。运用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术,证明了保成本控制律的存在条件,并给出了无静差保成本控制器的设计方法。5.研究一类具有控制器增益摄动的大时滞不确定非线性网络控制系统的非脆弱保成本控制问题。首先将具有随机大时滞的网络控制系统模型化为具有不确定系数的时滞离散时间系统模型。然后利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法,设计状态反馈非脆弱保成本控制器,使得闭环系统渐近稳定,并且系统的性能指标不超过某个确定的上界。同时给出非脆弱保成本控制律的存在条件和非脆弱保成本控制器的设计方法。6.研究一类大时滞不确定非线性网络控制系统的H∞保成本控制问题。首先将具有随机大时滞的网络控制系统模型化为具有不确定系数的时滞离散时间系统模型。然后利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法,给出H∞保成本控制律的存在条件和H∞保成本控制器的设计方法。进而通过求解凸优化问题得到最优鲁棒H∞保成本控制器。最后部分总结了论文的主要内容,并对今后进一步的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 引言
• 1.1 网络控制系统的结构
• 1.2 网络控制系统的基本问题
• 1.2.1 通信媒体类型及通信协议
• 1.2.2 网络时滞
• 1.2.3 多率采样
• 1.2.4 节点的驱动方式
• 1.2.5 数据包时序错乱
• 1.2.6 数据丢包
• 1.2.7 单包传输和多包传输
• 1.3 国内外研究的方法与现状
• 1.3.1 基于稳定性分析的设计方法
• 1.3.2 基于系统综合的网络控制设计方法
• 1.3.3 网络控制的联合设计方法
• 1.3.4 网络控制的预测设计方法
• 1.3.5 网络控制系统的量化控制设计方法
• 1.3.6 网络控制系统的滤波器设计方法
• 1.3.7 无线网络控制系统的跨层设计方法
• 1.4 常用的矩阵不等式
• 1.5 本文的主要研究内容和创新点
• 2. 大时滞网络控制系统的建模与状态观测器设计
• 2.1 模型建立
• 2.2 状态观测器的设计
• 2.3 仿真算例
• 2.4 本章小结
• 3. 大时滞网络控制系统的最优扰动抑制
• 3.1 问题描述
• 3.2 前馈-反馈最优控制器的设计
• 3.3 仿真算例
• 3.4 本章小结
• 4. 具有数据包丢失的网络控制系统的稳定性分析
• 4.1 模型建立
• 4.2 稳定性分析
• 4.3 仿真算例
• 4.4 本章小结
• 5. 一类不确定性非线性网络控制系统的扰动抑制
• 5.1 问题描述
• 5.2 主要结果
• 5.3 仿真算例
• 5.4 本章小结
• 6. 一类大时滞非线性网络控制系统的非脆弱保成本控制
• 6.1 问题描述
• 6.2 主要结果
• 6.3 仿真算例
• 6.4 本章小结
• 7. 一类大时滞非线性网络控制系统的H∞保成本控制
• 7.1 问题描述
• 7.2 主要结果
• 7.3 仿真算例
• 7.4 本章小结
• 8. 结论与展望
• 8.1 主要成果
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 符号索引
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间发表论文情况
• 攻读博士学位期间参加科研项目情况