网络控制系统的量化反馈控制研究

论文摘要

随着科技的迅速发展,网络控制系统（NCSs）已经推进到各行各业,人们对NCSs的研究也在不断的深入。本文以控制网络的稳定性为基础,以NCSs的最小性能指标为目标,考虑NCSs中存在的量化、信道损失、时延、丢包以及系统未建模动态和外部扰动等主要问题,研究了NCSs的建模、量化器设计、信道建模、鲁棒稳定性分析、H∞最优控制及保性能最优控制等问题。首先,对NCSs的研究背景及各个研究分支进行了综述性回顾,并对研究现状做了总结,而后,就如下几个问题进行了深入的探讨：①同时考虑量化、时延、丢包及未建模动态等网络特性的NCSs建模问题；②在NCSs中,其上行链接和下行链接中均存在量化器和网络时的系统建模及最优控制问题；③系统、网络信道与编码/解码器协同设计问题。利用Lyapunov函数,分别讨论了连续和离散情况下具有量化及时延的NCSs建模与稳定性分析问题。通过构造新的动态时变Lyapunov函数,给出了基于线性矩阵不等式（LMI）的鲁棒稳定性条件和相应的控制器设计。采用Lyapunov-Krasovskii函数,考虑系统具有未建模动态、量化以及时延等特征的NCSs,得到了基于LMI的不依赖于时延的鲁棒稳定性条件、保性能控制律以及H∞最优控制律的设计方法。针对网络信道和量化器在NCSs中所处的位置,考虑上行链接和下行链接网路中均配置了量化器并经网络信道传输,利用随机Lyapunov-Krasovskii泛函和矩阵不等式工具,获得了NCSs的随机稳定性条件和基于估计器的控制器设计方法。将量化器分解为编码／解码器并结合信道模型,分别从经典和Youla型控制框架下的NCSs出发,以信噪比约束和系统最小方差为指标,讨论了两类NCSs的最优性能指标,并基于此分别设计了融合信道特征于内的最优编码／解码器。作为理论探讨的应用,针对船舶自动舵控制系统,融网络量化因素于自动舵的设计之中,分别研究了饱和量化约束下的舵减摇和航向保持控制器的设计问题。最后对本文的研究进行了总结,并对今后的研究工作做了进一步的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 网络化控制系统的基本问题
• 1.3 船舶控制系统研究现状
• 1.4 网络化控制系统的典型研究方法
• 1.4.1 网络化控制系统中的量化器设计
• 1.4.2 信噪比约束的网络信道模型设计
• 2/H_∞控制'>1.4.3 鲁棒控制与H₂/H_∞控制
• 1.5 本文主要的研究内容及结构
• 第2章 量化反馈NCSs的建模与稳定性分析
• 2.1 连续系统的量化反馈NCSs建模
• 2.1.1 稳定性分析
• 2.1.2 控制器设计
• 2.2 离散系统的量化反馈NCSs建模
• 2.2.1 稳定性分析
• 2.2.2 控制器设计
• 2.3 仿真验证
• 2.3.1 连续系统仿真算例
• 2.3.2 离散系统仿真算例
• 2.4 小结
• 第3章 不确定网络量化反馈控制系统的稳定性分析
• 3.1 问题描述
• 3.2 稳定性分析
• ∞性能分析及控制器设计'>3.3 鲁棒H_∞性能分析及控制器设计
• 3.4 仿真算例
• 3.5 小结
• 第4章 具有量化和丢包特征的NCSs随机稳定性及性能分析
• 4.1 问题描述
• 4.2 稳定性分析及控制器设计
• 4.3 保性能量化控制及其控制器设计
• 4.4 仿真算例
• 4.5 小结
• 第5章 有限信噪比约束下NCSs最优编码/解码器设计
• 5.1 问题描述
• 5.2 经典控制与Youla型控制框架
• 5.3 经典网络控制框架下的最优编码/解码器设计
• 5.4 Youla型网络控制框架下的最优编码/解码器设计
• 5.5 仿真算例
• 5.6 小结
• 第6章 舵减摇及航向保持的网络量化反馈控制
• 6.1 船舶航向控制及横摇控制系统简介
• 6.1.1 减摇装置简介
• 6.1.2 舵减摇及航向保持控制
• 6.2 饱和量化舵减摇控制器设计
• 6.2.1 饱和量化舵减摇控制系统描述
• 6.2.2 舵减摇控制器设计
• 6.2.3 仿真算例
• 6.3 航向保持网络量化反馈控制器设计
• 6.3.1 系统建模及稳定性分析
• 6.3.2 量化反馈控制器设计
• 6.3.3 仿真算例
• 6.4 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 图表目录
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢