具有網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與仿真.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems,NCSs)是一個(gè)通過(guò)共享網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的空間分布控制系統(tǒng),通過(guò)該共享通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如控制器、傳感器以及執(zhí)行器間的信息交互。作為自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的一種融合,NCSs的研究已囊括控制理論和通信理論等多學(xué)科領(lǐng)域。從控制與網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā),目前有關(guān)NCSs的研究可以分為以下兩個(gè)方面:一是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。即從網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā),通過(guò)設(shè)計(jì)出有效的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、調(diào)度策略、拓?fù)浣Y(jié)

2、構(gòu)等,同時(shí)減小網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包等問(wèn)題對(duì)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響,繼而改善網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(newtorkQuality of Service,簡(jiǎn)稱為QoS)；二是控制設(shè)計(jì)。即從控制的角度出發(fā),考慮通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響,通過(guò)設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制器,保證控制的性能質(zhì)量(control Quality of Performance,簡(jiǎn)稱為QoP)。
　　 與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)比較,NCSs具有易于安裝維護(hù)且成本低、高可靠性以及靈活的系

3、統(tǒng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。然而由于網(wǎng)絡(luò)的引入,使得對(duì)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)也變得越發(fā)復(fù)雜,比如由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入,會(huì)導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)和控制信號(hào)發(fā)生傳輸延時(shí)和丟包,而這些會(huì)使系統(tǒng)的性能下降,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此,在對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合過(guò)程中,考慮網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)及數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題具有很重要的意義。
　　 本文從控制理論的角度出發(fā),圍繞NCSs中的一些基本問(wèn)題,利用Lyapunov-Krasovskii穩(wěn)定性理論以及線性矩陣不等式(LMI)方

4、法考慮一類包含網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)和數(shù)據(jù)丟包的NCSs的穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)以及仿真研究等問(wèn)題。
　　 首先提出一種新的并且對(duì)時(shí)變時(shí)滯有效的時(shí)滯分解方法,對(duì)一類包含網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)和數(shù)據(jù)丟包的NCSs連續(xù)時(shí)間模型進(jìn)行漸近穩(wěn)定性分析。在該模型中,充分考慮傳感器/控制器端、控制器/執(zhí)行器端的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)以及數(shù)據(jù)丟包信息；考慮的延時(shí)為時(shí)變類型,且包含大于一個(gè)采樣周期的情況。該時(shí)滯分解方法的思想在于構(gòu)造合適的Lyapunov—Krasovskii泛函

5、,在對(duì)其導(dǎo)數(shù)中的交叉項(xiàng)進(jìn)行界定時(shí),并沒(méi)有采取傳統(tǒng)的方法,即直接運(yùn)用Jensen不等式,而是將延時(shí)區(qū)間進(jìn)行N等分,并分別在N個(gè)不同的小區(qū)間上分別進(jìn)行討論；在每個(gè)小區(qū)間上對(duì)相應(yīng)交叉項(xiàng)進(jìn)行界定時(shí),并沒(méi)有忽略某些有用的項(xiàng),從而使最終得到的穩(wěn)定性結(jié)果的保守性在一定程度上得到減小,仿真數(shù)例說(shuō)明了該方法的有效性。
　　 其次通過(guò)選擇一個(gè)合適的Lyapunov-Krasovskii泛函,給出該系統(tǒng)的一個(gè)保守性更小的指數(shù)穩(wěn)定性條件。通過(guò)嚴(yán)格的理論

6、證明,證明了目前部分已有結(jié)果被包含在本文提出的穩(wěn)定性條件中,從而進(jìn)一步說(shuō)明本文提出結(jié)果的有效性。
　　 再者通過(guò)提出的時(shí)滯分解方法和Lyapunov—Krasovskii泛函方法,得到保證該系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的一個(gè)有界實(shí)引理(Bounded Real Lemma,BRL),并通過(guò)數(shù)例證明了其有效性。接著,通過(guò)提出一個(gè)基于不等式的迭代算法求解該系統(tǒng)的魯棒H∞控制器,建立一個(gè)魯棒H∞控制器存在的時(shí)滯相關(guān)充分條件。
　　 最后通過(guò)M