鲁棒控制在网络控制系统中的应用研究

论文摘要

随着计算机、网络和通信技术的飞跃发展,智能化传感器、执行机构和驱动设备的诞生奠定了网络控制系统(NCS, Networked Control Systems)的物质基础,高速以太网和现场总线技术的不断发展和成功应用解决了NCS的可靠性和开放性问题,推动了NCS的广泛应用。NCS充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势。然而,NCS由于网络的介入,不可避免地带来了许多问题:如网络传输导致的反馈和控制输入中的时延、网络带宽的限制使得数据必须分批传送、通信失败造成的数据包丢失、不同的网络节点之间系统时钟的异步等等。这些问题的存在,不但会降低系统的控制性能,而且还是引起系统不稳定的潜在因素。因此,本文考虑了网络诱导时延、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、鲁棒控制、非脆弱保性能最优控制、H∞最优控制等问题,主要工作如下:研究了短时延NCS的非脆弱保性能控制器设计问题。针对闭环网络控制系统离散化模型,把回路时延的不确定性转化为被控对象系统方程系数矩阵的不确定性,然后利用Lyapunov理论和线性矩阵不等式(LMI)方法,分别给出了具有加性和乘性控制器增益扰动的非脆弱保性能控制器存在的条件和控制器的设计方法。最后,在满足性能指标条件的基础上,将次优保性能控制器的设计问题转化为一组线性矩阵不等式约束下的优化问题。研究了存在有限能量外部扰动时的短时延NCS的鲁棒H∞控制问题。分两个部分内容:(1)针对具有控制约束和网络诱导时延小于一个采样周期的NCS,在建立其数学模型的基础上,利用LMI方法设计了使闭环系统鲁棒稳定的状态反馈H∞控制器。(2)考虑到网络控制系统中状态往往难于被检测的实际情况,研究了具有动态补偿功能的动态输出反馈鲁棒H∞控制问题,给出了H∞控制律存在的条件和和控制器的实现形式。研究了一类长时延网络控制系统的鲁棒H∞控制问题。考虑了网络诱导时延大于一个采样周期的情况,采用状态反馈控制策略设计了使闭环NCS鲁棒稳定的控制器,利用Lyapunov理论和LMI方法,推导出了依赖于网络诱导时延大小的闭环NCS渐近稳定的充分条件,并给出了相应的状态反馈H∞控制器设计方法和网络诱导时延最大值的求解方法。研究了具有时延和数据包丢失的NCS建模、稳定性分析和控制器设计问题。对于给定的数据包丢失率,系统被建模为具有两个结构事件率约束的异步动态系统。随后,利用异步动态系统理论和LMI方法推导出使系统指数稳定的充分条件并且给出了相应的控制器设计方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 网络控制系统的基本问题
• 1.2.1 网络节点的工作模式
• 1.2.2 网络诱导时延
• 1.2.3 单包传送与多包传送
• 1.2.4 数据包的时序错乱和丢失
• 1.2.5 网络调度
• 1.3 网络控制系统的研究现状
• 1.3.1 控制网络体系架构
• 1.3.2 NCS 建模和控制策略的研究
• 2/H_∞ 控制'>1.3.3 鲁棒控制与H₂/H_∞控制
• 1.3.4 观测器设计
• 1.3.5 数据包丢失、多包传输的研究
• 1.3.6 调度算法的研究
• 1.3.7 其它问题研究
• 1.3.8 网络控制系统的仿真研究
• 1.4 需进一步研究的问题
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 短时延NCS 的非脆弱保性能控制
• 2.1 引言
• 2.2 问题描述
• 2.3 非脆弱保性能控制律的设计和优化
• 2.4 仿真算例
• 2.5 本章小结
• ∞控制'>第三章 短时延NCS 的鲁棒H_∞控制
• ∞控制'>3.1 具有控制约束的NCS 的状态反馈鲁棒H_∞控制
• ∞控制'>3.2 NCS 的动态输出反馈鲁棒H_∞控制
• 3.3 本章小结
• ∞控制'>第四章 一类长时延NCS 的鲁棒H_∞控制
• 4.1 引言
• 4.2 系统分析与建模
• 4.3 主要结论
• 4.4 仿真算例
• 4.5 本章小结
• 第五章 具有时延和数据包丢失的NCS 控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 系统分析与建模
• 5.3 稳定性分析和控制器设计
• 5.4 仿真算例
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文