带有非确定丢包与时延的网络化控制系统研究

摘要

网络化控制系统(NCS)是一种可以通过数字通信网络进行数据和命令传输的闭环反馈控制系统。与传统的点对点式的控制系统相比,NCS可以大大减小系统的布线数,并且易于扩展和维护。然而,随着数字网络介入反馈控制循环,NCS的分析设计变得更为复杂。由于共享数据网络中存在着不可避免的网络诱导时延和数据丢包等问题,如果在设计控制系统时不加考虑,网络时延和丢包可能降低系统的稳定性甚至导致系统不稳定。因此,这种非理想网络状况下的NCS设计一直作为国内外控制理论与应用领域的一个研究热点。本文对非理想网络状况的NCS的建模、分析及控制器设计问题进行了新的尝试。
　　 首先,本文概要地介绍了NCS的研究背景、国内外研究现状、NCS中存在的主要问题,以及NCS的研究意义。同时,从计算机网络MAC层传输协议基本理论的角度详细地分析了网络诱导时延和数据包丢失两个主要问题产生的原因。
　　 针对带有随机时延的NCS,研究了一种通过网络中间件对原有控制器的输出进行外部增益调整的方法,以实现不改变现有控制器的前提下,动态补偿随机网络时延对控制系统的影响。利用离散二次型最优规划算法设计了二次型最优增益参数序列,建立了与随机时延序列相对应的二次型最优增益参数序列查询表,并介绍了利用查表法进行在线调整增益策略的步骤。通过仿真实例验证了这种外部增益调整策略可以有效地补偿随机时延对控制系统的影响。
　　 同时,本文还研究了带有Markovian丢包的NCS的建模及随机稳定控制问题。本文考虑的Markovian丢包更具一般性,即丢包的转移概率矩阵中存在若干未知或不可获得元素。首先,利用离散化方法将丢包NCS建模为马尔可夫跳变系统。其次,结合马尔可夫跳变系统理论和依赖于丢包的李亚普诺夫函数方法,给出了闭环NCS随机稳定的充分条件。同时,利用线性矩阵不等式方法,给出了基于丢包的随机稳定控制器的设计方法。最后,通过对比两种不同方法得到的数值仿真结果,验证了本文所述方法的有效性。
　　 最后,研究了同时带有随机丢包和网络时延的NCS的建模与随机稳定控制问题。本文将网络化控制系统NCS建模为带有时延的马尔可夫跳变系统。另外,在没有采用增广向量方法的情况下,利用依赖于模态的Lyapunov函数分析方法,获得了保证闭环NCS随机稳定的充分条件。并且利用Shur补理论设计了依赖于模态的状态控制器。最后,给出了一个数值仿真算例说明了所述方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 网络化控制系统概述

1.2 网络化控制系统研究背景

1.3 网络化控制系统研究目的与意义

1.4 网络化控制系统的研究现状

1.5 网络化控制系统中存在的问题

1.5.1 网络信道带宽限制引起的通信约束

1.5.2 网络诱导时延

1.5.3 数据包丢失

1.5.4 单包传输与多包传输

1.5.5 网络化控制系统中的故障检测

1.5.6 网络化控制系统中的采样

1.6 本文的主要内容及结构

第2章 网络化控制系统相关问题介绍及时延和数据包丢失分析

2.1 网络拓扑结构分类

2.2 几种常见控制网络协议标准介绍

2.2.1 以太网络(CSMA/CD)

2.2.2 控制网络(Controlnet)

2.2.3 设备网络(CAN Bus)

2.3 网络时延分析

2.4 数据包丢失分析

2.5 本章小结

第3章 随机时延网络化控制系统的动态增益调度策略

3.1 增益调度策略

3.2 网络中间件

3.3 增益调度中间件

3.4 TRUETIME仿真平台概述

3.5 随机时延网络化控制系统的动态增益调度策略建模

3.6 建立二次型最优β增益参数序列查询表

3.7 利用τi-(β)(τ)查询表进行在线增益调整

3.8 仿真实例

3.9 本章小结

第4章 带有丢包的网络化控制系统建模及随机稳定控制

4.1 线性矩阵不等式相关基础知识

4.1.1 马尔可夫跳变系统基础

4.1.2 线性矩阵不等式基本理论

4.1.3 Matlab线性矩阵不等式(LMI)工具箱

4.2 带有丢包的网络化控制系统建模

4.3 网络化控制系统的随机稳定性

4.4 网络化控制系统的随机稳定控制

4.5 仿真实例

4.6 本章小结

第5章 带有随机时延和丢包的网络化控制系统的建模及稳定控制

5.1 带有随机时延和丢包的网络化控制系统的建模

5.2 随机稳定基本概念

5.3 带有丢包和时变时延NCS的随机稳定控制

5.4 数值仿真

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢