论文题目: 网络控制系统分析、建模及控制研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 电力电子与电力传动
作者: 方来华
导师: 吴爱国
关键词: 网络控制系统,时延,模型,稳定性,模糊免疫,不确定性,李亚普诺夫函数,线性矩阵不等式
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 网络控制系统(NCS)是控制科学、计算机技术及网络通讯等技术发展和综合的产物。NCS具有连线少、灵活性强、便于故障诊断和信息资源共享等众多优点,但控制系统引入网络后,由于带宽有限、分时复用、数据传输路径不确定等都会导致信息传输中的等待、阻塞及丢包等现象,不可避免地产生时延。这些受负载、通信协议等影响的时延,无论固定或时变还是有界或无界,都会不同程度影响控制系统性能,甚至导致系统失稳,这给NCS分析、设计和控制带来很大困难。因此,如何针对NCS自身特点,应用已有控制理论分析设计方法或建立新的理论和方法来解决NCS中存在的问题,成为人们研究的一个热点。本文对NCS中实时性、采样选择、时延等问题进行了分析,讨论了影响实时性因素和改善实时性方法,研究了采样和时延对系统性能影响。在考虑系统扰动基础上,建立了更具一般性的多输入多输出线性NCS连续时间模型。研究了四种不同驱动模式下,信息传输的时序以及具有任意有界时延NCS的离散模型和统一模型,建立了任意有界时延的MIMO网络控制系统离散模型,拓展了模型的适用范围。针对确定时延NCS,给出了基于输出反馈的状态观测器和控制器设计,以保证闭环NCS稳定性和良好的控制性能。给出了滑模变结构时滞补偿控制算法,提出了一种具有补偿控制时延的滑模面,所设计的滑模控制器保证了闭环系统的稳定性,得到了使系统稳定的最大允许网络时延,仿真表明了方法的有效性。针对具有不确定性闭环NCS,推导了时延相关和时延独立的稳定性条件,得到在时延相关情况下使不确定性闭环NCS稳定的允许时延上界。针对时变时延NCS,将其视为离散跳变系统,利用离散跳变系统分析方法给出NCS稳定的充要条件。针对变采样和时延NCS,基于区间代数和矩阵集合稳定性理论,通过构建一个更宽松的区间系统来分析原系统的稳定性,所给稳定性分析方法简单有效。为抑制时延对NCS性能影响,提出了模糊免疫自调整PID控制方法,所设计控制器具有较强的适应性,可使NCS获得更好动态特性。在时变时延仅存在反馈通道和时延同时存在反馈通道及前向通道这两种情况下,对具有不确定性的闭环NCS稳定性进行了分析,以线性矩阵不等式的形式给出了系统稳定性条件。对于存在丢包和变时延的NCS,在信息单包传输时,推导了时延无界/有界情况下闭环NCS渐进稳定的条件;在多包传输情况下,得到了时延变化率在不同情况下的NCS的渐进稳定的充分条件。
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 网络控制系统研究现状
1.1.1 NCS 结构、协议研究
1.1.2 NCS 稳定性分析和控制
1.1.3 NCS 通讯约束研究
1.1.4 NCS 数据包传送问题
1.1.5 NCS 网络调度研究
1.2 本文的研究工作及内容安排
1.2.1 本文的研究工作
1.2.2 内容安排
第二章 网络控制系统的基本问题研究
2.1 NCS 实时性
2.1.1 实时性和实时系统概念
2.1.2 影响实时性的因素
2.1.3 减少负载改善实时性的方法
2.2 NCS 时延分析
2.3 时延和采样对性能的影响及采样周期的选择
2.3.1 时延对NCS 的影响
2.3.2 稳定性和采样的关系
2.3.3 时延、采样对系统性能影响实例研究
2.3.4 采样周期的选择
2.4 本章小节
第三章 网络控制系统建模
3.1 具有扰动的MIMO 网络控制系统连续模型
3.2 任意有界时延NCS 离散模型
3.2.1 控制器和执行器均为时间驱动
3.2.2 控制器时间驱动、执行器事件驱动
3.2.3 控制器事件驱动、执行器时间驱动
3.2.4 控制器和执行器均为事件驱动
3.3 MIMO 网络控制系统离散模型
3.4 本章小节
第四章 确定时延网络控制系统
4.1 随机时延确定化
4.2 NCS 输出反馈控制
4.2.1 状态观测器和控制器设计
4.2.2 实例研究
4.3 NCS 滑模时滞补偿控制
4.3.1 滑模理论基础
4.3.2 离散准滑模变结构控制算法
4.3.3 控制时延补偿滑模变结构控制
4.3.4 实例研究
4.4 不确定性闭环网络控制系统稳定性分析
4.4.1 时延独立稳定性分析
4.4.2 时延相关稳定性分析
4.4.3 实例研究
4.5 本章小节
第五章 时变时延网络控制系统
5.1 基于离散跳变系统的NCS 分析
5.1.1 NCS 建模为离散跳变系统
5.1.2 具马尔可夫时延NCS 系统稳定性分析
5.2 时变采样和时延NCS 稳定性分析
5.2.1 理论基础
5.2.2 区间模型
5.2.3 稳定性分析
5.2.4 实例研究
5.3 NCS 的模糊免疫PID 控制
5.3.1 常规PID、模糊控制及免疫系统的特点
5.3.2 免疫机理
5.3.3 模糊免疫PID 控制
5.3.4 基于状态估计的模糊免疫PID 控制
5.3.5 实例研究
5.4 变时延不确定性NCS 稳定性分析
5.4.1 反馈通道单时延
5.4.2 多时变时延
5.5 存在丢包的变时延网络控制系统稳定性分析
5.5.1 单包传输
5.5.2 多包传输
5.5.3 实例研究
5.6 本章小节
第六章 总结与展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
发布时间: 2007-04-17
参考文献
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- [10].网络控制系统的建模、稳定与控制研究[D]. 黄剑.华中科技大学2005
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