带有异步特性的网络化控制系统的研究

论文摘要

网络化控制系统(Networked Control System，简称NCS)是指通过公共的连续网络将反馈环连接起来的实时控制系统；或者，通过通信网络将传感器、执行器、控制器互相连接起来的分布式控制系统。由于网络化控制系统中信息的传输是通过通信网络进行的，而网络的带宽总是有限的，因此，网络化控制系统存在网络时延、丢包、多网络通道传输／多包传输等基本问题。除此以外，时变传输周期、网络调度、单包传输、误码与错序等也都是网络化控制系统中要考虑和分析的问题。本论文主要对带有异步特性的网络化控制系统进行研究，并对带有大时延的网络化控制系统进行状态反馈及预测补偿设计。论文首先对同时存在网络时延、丢包、单包／多包传输问题的网络化控制系统建立了三种数学模型(单包传输单通道，单包传输双通道，以及多包传输单通道的网络化控制系统)，将系统建模为带有速率约束的异步动态系统，并进行了稳定性分析。针对以上所建立的网络化控制系统的三种数学模型，论文进行了预估器的设计，以保证控制系统的稳定性。在单包传输情况下，分别讨论了单通道网络和双通道网络两种情况下预估器的设计和系统的稳定性问题；而对于多包传输的网络化控制系统，则重点讨论了单通道网络时预估器的设计和系统的稳定性问题。基于异步动态系统理论，论文对以上所建立的三种网络化控制系统的模型分别进行了完整性设计的容错控制器设计，研究了网络数据信息包在单包传输和多包传输时网络化控制系统的传感器失效和执行器失效的完整性问题，基于线性矩阵不等式的可行解，给出控制器的参数化的表达式。当网络时延大于一个采样周期(称为大时延网络化控制系统)时，网络化控制系统更加复杂和难以处理。因此，讨论具有大时延的网络化控制系统的研究方法就显得尤为重要。论文针对带有大时延的网络化控制系统进行了研究，分别采用状态反馈控制方法和自适应预测补偿控制对大时延网络化控制系统进行了设计。另外，针对网络化控制系统中时延变化跨度大和随不同网络负载呈现不同分布的情况，提出了大时延网络化控制系统的多模型自适应控制的方法。根据时延的不同分布对大时延网络化控制系统建立多个模型，并依照相应的切换控制原则在模型间进行切换，将模型失配的影响降到最低，从而更好地发挥自适应控制的优越性。在论文的每个章节还给出了各个研究结果的实例以及仿真结果，以证明所提出方法的有效性与正确性。在全文的最后，给出了论文的总结以及今后研究工作的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 网络化控制系统综述
• 1.3 网络化控制系统的故障诊断与容错控制
• 1.4 网络化控制系统中大时延的研究
• 1.5 本文的研究工作及主要内容
• 2 网络化控制系统的建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 网络化控制系统的结构
• 2.3 网络化控制系统的数学模型1
• 2.4 网络化控制系统的数学模型2
• 2.5 网络化控制系统的数学模型3
• 2.6 本章小结
• 3 网络化控制系统的预估器设计
• 3.1 引言
• 3.2 单包传输单通道系统的预估器设计
• 3.3 单包传输双通道系统的预估器设计
• 3.4 多包传输单通道系统的预估器设计
• 3.5 本章小结
• 4 网络化控制系统的完整性设计
• 4.1 引言
• 4.2 单包传输单通道系统的完整性设计
• 4.3 单包传输双通道系统的完整性设计
• 4.4 多包传输单通道系统的完整性设计
• 4.5 本章小结
• 5 大时延网络化控制系统的研究
• 5.1 引言
• 5.2 状态反馈控制方法的研究
• 5.3 自适应预测补偿控制的研究
• 5.4 大时延网络化控制系统的多模型自适应控制方法
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文主要工作及创新点
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录B 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系