不确定网络控制系统的事件触发通讯与鲁棒控制研究

摘要

随着全数字化通信、开放型互联网络以及通信技术的发展，控制系统中用到的网络技术越来越多，现在，网络控制系统(Networked Control System,简称NCS)已经成为自动化领域学者的研究重点。NCS在传统控制系统的基础上嵌入了通信网络这一环节，它的功能是将闭环系统的各个要素的控制信息和反馈信息打包并进行交换，这一特性使NCS具有成本低、布线少、可靠性高、信息资源共享等优点。但是，通信网络自身所携带的各种弊端对NCS的分析和设计形成了阻碍，从而产生的问题有网络诱导时延、数据包丢失和错序、量化误差以及不同节点驱动方式。这些问题的出现必然会影响控制回路原有的性能，使系统的不确定性增加，甚至导致系统失稳。
　　另外，NCS作为一类复杂多变的采样系统，在运行过程中会受到来自工作环境和随机外界干扰等方面的不同程度的影响，所以存在许多不同类型的不确定性，这种不确定性也会对系统的稳定性造成破坏。因此，针对存在不确定性的NCS，为了兼顾网络品质和控制性能，采用事件触发机制进行系统的鲁棒稳定性分析和鲁棒综合是当前的重要任务。
　　本文主要针对两类不确定线性NCS，研究了系统建模、稳定性分析和事件触发机制与鲁棒控制协同设计方面的内容。主要包括以下几个方面:
　　1.建立多面体不确定的时变时延NCS模型
　　考虑NCS的网络时延具有时变的特性，将其进行线性分段，构造包含时延信息的离散事件触发条件，在状态反馈控制策略的基础上，建立了既包含时变时延也包含事件触发参数的多面体不确定NCS模型。
　　2.建立范数有界不确定的时变时延和数据丢包NCS模型
　　考虑NCS中具有时变时延和连续丢包，把丢包转化为时滞，对总时滞进行线性分割。根据采用的静态输出反馈构造基于输出的事件触发条件；根据采用的基于观测器的状态反馈构造基于状态的事件触发条件，得到具有网络属性和触发条件的范数有界不确定NCS模型。
　　3.基于离散事件触发的多面体不确定NCS鲁棒H∞控制研究
　　根据所建立的不确定NCS模型，利用参数相关的Lyapunov泛函，进一步结合Jensen不等式和Wirtinger不等式对其进行处理。下一步通过求解线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,简称LMI)得到系统渐进稳定的充要条件，并且给出与多面体不确定参数相关的鲁棒H∞控制器的求解步骤。
　　4.离散事件触发的范数有界不确定NCS的鲁棒分析
　　根据所建立的不确定NCS输出反馈模型和观测器模型，构造一种新的Lyapunov泛函，将两个通道的时延和连续丢包数都包含在其中。进一步利用Jensen不等式和Wirtinger不等式以及相关引理推导出线性矩阵不等式。最后在给定控制器、观测器增益的情况下得到时滞相关稳定性判据。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 网络控制系统概述

1.3 网络控制系统研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 预备知识与数学基础

2.1 系统不确定性

2.2 Lyapunov稳定性理论

2.3 相关引理

第3章 多面体不确定NCS的事件触发通讯与鲁棒H∞控制研究

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 NCS建模

3.4 稳定性分析

3.5 控制器设计

3.6 仿真实例

3.7 本章小结

第4章 范数有界不确定NCS的事件触发通讯与鲁棒控制研究

4.1 引言

4.2 问题描述

4.3 基于观测器的NCS的事件触发与鲁棒状态反馈研究

4.4 NCS的事件触发与鲁棒输出反馈控制研究

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

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