分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、上世紀(jì)七十年代以來，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無論在科學(xué)界還是工業(yè)界都越來越受到人們的關(guān)注。由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入，傳統(tǒng)的點對點控制的方式正在向網(wǎng)絡(luò)化控制的方式轉(zhuǎn)移。這使得整個系統(tǒng)的控制器可以和對象分離，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加靈活，同時成本也相應(yīng)降低。然而，網(wǎng)絡(luò)的引入也會帶來一些新的問題，例如數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中會產(chǎn)生時延，可能發(fā)生丟包等。同時，由于數(shù)字信道的引入，信號需要經(jīng)過量化編碼器進行量化以后才能在信道中傳輸，這就帶來了量化誤差的問題。為了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，必須

2、解決這些問題。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和物理硬件性能的提升，傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全適應(yīng)信息化的發(fā)展要求。近年來，人們提出了“物聯(lián)網(wǎng)”這一概念。在這一個框架下，生活中的許多物品都能夠接入網(wǎng)絡(luò)，進而組成一種大型復(fù)雜的物-物網(wǎng)絡(luò)?？梢灶A(yù)見，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的集中控制中心已經(jīng)無法滿足這種大規(guī)模多子系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。為了解決這一問題，控制器會被安裝在每一個子系統(tǒng)上，而不是選取一個中心處理所有控制計算需求。這就引入了分布式

3、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的概念。在分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，每一個子系統(tǒng)都與整個系統(tǒng)存在耦合關(guān)系，其自身的子控制器會綜合自身信息和其他耦合子系統(tǒng)的信息來產(chǎn)生控制量。為了獲取其他子系統(tǒng)信息，必須利用通信網(wǎng)絡(luò)，這就會帶來時延、丟包和量化的問題。對于每一個子系統(tǒng)的控制器而言，都能夠獲得自身精確的信息和其他系統(tǒng)非精確的信息。本文主要研究了分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所可能面臨的一系列問題，給出了相應(yīng)的系統(tǒng)模型和控制器設(shè)計方法。具體的研究內(nèi)容包括：
　　1)研究了一

4、類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析設(shè)計問題。通過利用馬爾可夫過程對傳輸時延進行建模，以及利用凸組合理論處理量化誤差，將這類分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題等效為具有擾動和不確定性的魯棒控制問題。提出保證系統(tǒng)在傳輸時延和量化誤差下能夠隨機穩(wěn)定的充分條件及相應(yīng)的控制器設(shè)計方法。最后通過仿真示例對算法進行的測試。
　　2)在多個子系統(tǒng)共同接入同一個通信網(wǎng)絡(luò)的時候，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突和節(jié)約帶寬，會安裝信道選擇器。本文針對分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中涉

5、及到的信道分配的問題，利用馬爾可夫過程對其進行建模，同時考慮了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的時延和量化誤差問題。提出了保證系統(tǒng)在信道隨機分配、數(shù)據(jù)傳輸有時延和量化誤差下能夠隨機穩(wěn)定的充分條件。控制器的設(shè)計方法以雙線性矩陣不等式的形式給出，同時給出了一個錐補方法用于將這些雙線性矩陣不等式轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題。仿真中以具有三個子系統(tǒng)的被控對象為例，對算法進行了測試。
　　3)在大型工業(yè)應(yīng)用中，整個系統(tǒng)的耦合情況受各種因素影響會發(fā)生變化。本文考慮了整個系統(tǒng)

6、運行期間實時調(diào)整各個子系統(tǒng)之間的耦合權(quán)重，甚至在一定時間內(nèi)切斷某些子系統(tǒng)的聯(lián)系的情況。進一步的，考慮了某些子系統(tǒng)的執(zhí)行器可能會由于惡劣環(huán)境而發(fā)生故障的問題。通過利用李雅普諾夫方法和不等式處理技巧，提出了保證系統(tǒng)在存在時變耦合，網(wǎng)絡(luò)時延、丟包、量化誤差，以及執(zhí)行器故障時隨機穩(wěn)定的充分條件，并給出了相應(yīng)的狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計方法。本章所提出的方法在仿真中通過與集中控制對比，驗證了本章方法的性能。
　　4)在研究了分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)

7、定問題的基礎(chǔ)上，進一步研究了分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸出跟蹤問題。整個系統(tǒng)由遠程系統(tǒng)和本地系統(tǒng)兩部分組成?？刂破髦苯优c本地系統(tǒng)相連，而遠程系統(tǒng)上的傳感器會定時將相關(guān)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給本地系統(tǒng)。提出了一種狀態(tài)反饋控制策略，使得本地系統(tǒng)的輸出能夠以魯棒H?性能約束條件下跟蹤遠程系統(tǒng)的輸出。提出了保證開環(huán)不穩(wěn)定的本地系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定并且能夠跟蹤遠程系統(tǒng)輸出的充分條件及狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計方法。最后我們考慮了一種衛(wèi)星系統(tǒng)，通過仿真可以看出其輸出可以有效