论文摘要
在现代工业系统中,通过网络连接传感器、控制器与执行器而形成的闭环系统称为网络控制系统。与传统的点对点结构的控制系统相比,网络控制系统具有可以实现资源共享、具有较高的容错与故障诊断能力、安装与维护简单、能有效减少系统的体积、增加系统的可靠性等优点。与传统的控制系统相比,网络控制系统虽然有诸多优点,但是网络的引入也会给系统分析与设计带来新的挑战,如网络诱导时延、数据包丢失、数据包时序错乱、多包传输、通信限制、时变采样周期等。现有文献中的结果主要考虑具有时延及丢包的网络控制系统的稳定性分析,控制器设计等问题,通过合理的设计控制器并采用合适的时延及丢包补偿方案来优化网络控制系统H∞性能的问题并未得到充分考虑。本论文在总结前人工作的基础上,针对网络控制系统中的时延及丢包现象,提出了主动变采样周期方法以充分利用网络带宽,与基于常数采样周期的方法相比,该方法既可以保证网络带宽的充分利用又可以减小发生网络拥塞的可能性。提出了时延切换的方法来处理网络诱导时变时延,并通过理论推导证明了时延切换的方法比基于参数不确定性的方法具有更小的保守性；提出了时延切换与参数不确定性相结合的方法,该方法的计算量比时延切换方法要小,而保守性比基于参数不确定性的方法要小。改进了现有文献中基于预测控制的方法以补偿时延及丢包的负面影响,改进后的方法可有效减小预测误差的负面影响；提出了基于线性估计的方法及基于多通信通道共享的方法来补偿时延及丢包的负面影响,与不考虑补偿的方法相比,可在较大程度上改善系统性能；研究了网络控制系统的H∞输出跟踪性能优化及控制器设计问题,即使存在外部扰动,所设计的控制器仍可以保证系统有较好的跟踪性能。下面详细介绍本文的主要工作。第一、二章系统地分析和总结了网络控制系统这一前沿研究领域的发展现状及研究方法,并给出了与本文相关的一些预备知识。第三章考虑具有被动时变采样周期及主动变采样周期网络控制系统的稳定性分析及H∞控制器设计问题。对具有被动时变采样周期的网络控制系统,考虑了时延大于一个采样周期且连续丢包数大于一个的情况,也考虑了执行器在一个采样周期内收到两个及两个以上控制输入的情况,而这两种情况现有文献中很少考虑。提出了一种主动变采样周期方法,其核心是在网络空闲时缩短采样周期从而改善系统性能,在网络负载比较大的时候延长采样周期从而减少网络上数据包的个数并相应地减小发生网络拥塞的可能性。对具有被动时变及主动时变采样周期的网络控制系统,首先给出了系统的模型,通过定义适当的Lyapunov函数并结合多目标优化方法、线性矩阵不等式方法、自由加权矩阵方法及Jensen不等式方法,给出了系统渐进稳定的充分条件并设计了系统的控制器。仿真结果表明,本章所提出的方法具有较小的保守性,同时计算复杂性也比较小(由于Jensen不等式的采用)。第四章采用时延切换方法及时延切换与参数不确定性相结合的方法处理网络控制系统中的随机时延。考虑到现有文献中基于参数不确定性的方法具有较大保守性,本章提出了时延切换的方法来处理网络诱导时延,并通过理论推导证明了时延切换的方法比基于参数不确定性的方法具有更小的保守性。考虑到时延切换方法会增大计算量,本章又提出了时延切换与参数不确定性相结合的方法,该方法的计算量比时延切换方法要小,而保守性比基于参数不确定性的方法要小。由于上一章中提出的主动变采样周期方法不能避免采样周期的频繁切换,本章提出了一个改进的主动变采样周期方法,该方法既可以保证网络带宽的充分利用又可以避免采样周期的频繁切换。第五章采用预测控制与基于线性估计的方法来补偿时延及丢包的负面影响,研究了线性时不变系统的H∞性能优化及状态反馈控制器设计问题。对基于预测控制的补偿方法而言,在为系统选择控制输入时,本文充分考虑了网络时延的大小：如果某个控制输入的传输时延小于一个给定的阈值,则使用该控制输入,如果时延大于该阈值,则使用预测的控制输入,这样可以有效减小预测误差的负面影响。提出了一个新的基于线性估计的方法来补偿时延及丢包的负面影响,与基于预测控制的补偿方法相比,由于该方法无需提前p步估计控制输入并发送到执行器,因而可以有效地减小网络负载。基于以上两种补偿方法,本章给出了两个新的系统模型,并利用线性矩阵不等式方法给出了系统的H∞控制器设计方法。仿真例子验证了所提出的补偿方法的优越性。第六章提出一个基于多通信通道共享的方法来补偿时延及丢包的负面影响,研究了网络控制系统的H∞性能优化及控制器设计问题。与基于单通信通道的方法相比,对空闲通信通道的共享可以补偿时延及丢包的负面影响,而且不会增加系统的硬件成本。与基于预测控制或估计的补偿方法相比,基于多通信通道共享的方法可以避免预测误差或估计误差可能给系统带来的负面影响。通过定义合适的Lyapunov函数并结合线性矩阵不等式方法,研究了网络控制系统的H∞控制器设计及H∞性能优化问题。由于在设计过程中避免了对向量交叉积的放大,因而本章的结果具有较小的保守性,而仿真例子也验证了这一点。第七章研究了具有时延及丢包的离散化网络控制系统的H∞输出跟踪性能优化及控制器设计问题。利用基于线性矩阵不等式的方法及离散Jensen不等式,研究了具有常数采样周期的网络控制系统的H∞输出跟踪性能优化及控制器设计。对于具有时变采样周期的网络控制系统,采用多目标优化方法来优化系统的H∞输出跟踪性能,并相应的给出了控制器设计方法。由于采用了离散Jensen不等式,本章所提出的H∞输出跟踪控制器设计方法比基于自由加权矩阵的方法具有更小的计算复杂性。即使存在外部扰动,所设计的控制器仍可以保证受控对象的输出渐进跟踪给定的参考模型的输出,数值例子进一步验证了这一点。最后对全文所做的工作进行了总结,并指明了下一步研究的方向。
论文目录
相关论文文献
标签：网络控制系统论文; 时延论文; 丢包论文; 时变采样周期论文; 时延切换方法论文; 参数不确定性方法论文; 补偿论文; 预测控制论文; 线性估计论文; 多通信通道共享论文; 输出跟踪控制论文; 线性矩阵不等式论文; 控制论文; 多目标优化论文; 稳定性分析论文; 控制器设计论文;