基于极点配置的网络控制系统分析与设计

摘要

网络控制系统(Networked Control Systems，NCSs)是结合控制理论、传感器、网络通信、计算机及电力电子等学科于一身的控制系统。易于安装维护、增加扩展便捷、成本相对较小等优点。NCSs也不可避免的存在一些问题，诸如:网络随机时延，数据丢包、数据乱序等，情况严重时会导致系统不稳定，所以有必要研究解决上述问题。本文主要对存在随机短时延和丢包的网络控制系统进行分析研究，具体工作如下:
　　首先，介绍了NCSs基本概念并阐述该课题研究目的和意义，概述了国内外NCSs发展历程及相关的研究现状，并对本文所涉及的矩阵不等式及相应定理、方法做了介绍或简单证明。
　　其次，将存在随机短时延的NCSs描述为在有限个子系统间切换模型。根据极点配置和特征根连续变化原理，确定时延与增广矩阵最大特征根模长之间的关系，选择适当的控制器参数并安排执行器工作周期。该方法简化了分析求解过程，控制器的设计较为灵活。
　　然后，针对双边存在随机短时延和数据丢包的NCSs进行建模，基于异步动态系统稳定性理论，对比了线性矩阵不等式方法和极点配置方法。
　　最后，通过仿真和实验两种方式，验证了极点配置方法的简单有效性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 网络控制系统结构特点及发展

1．3 国内外研究现状

1．3．1 NCSs随机时延研究现状

1．3．2 NCSs数据丢包研究现状

1．3．3 鲁棒控制、容错控制在NCSs中的应用

1．4 本文工作和结构安排

第2章 基本理论知识

2．1 基本知识

2．1．1 离散系统Lyapunov稳定性

2．1．2 线性矩阵不等式

2．1．3 极点配置原理

2．1．4 特征值连续原理

2．1．5 基本的矩阵不等式引理

2．2 本章小结

第3章 基于极点配置的随机时延网络控制器设计方法

3．1 引言

3．2 执行器时间驱动工作方式与系统建模

3．3 系统控制器设计

3．4 系统稳定性分析与执行器工作周期选择

3．4．1 系统稳定性分析

3．4．2 执行器工作周期选择

3．5 数例仿真

3．6 本章小结

第4章 随机时延和丢包的网络控制系统稳定性分析

4．1 引言

4．2 基于异步动态系统的NCSs控制器设计和稳定性分析

4．2．1 存在随机时延的NCSs建模

4．2．2 存在随机丢包的NCSs建模

4．2．3 系统指数稳定控制器设计

4．2．4 数例仿真

4．3 基于极点配置的NCSs稳定性分析

4．3．1 基于极点配置的NCSs具有时延与丢包情况下的稳定性分析

4．3．2 数例仿真

4．4 本章小结

第5章 基于Qube实验平台的算法验证

5．1 Quanser Qube-servo2系统介绍

5．2 极点配置方法下的NCSs时延实验

5．3 极点配置方法下的NCSs时延与丢包实验

5．4 本章小结

6．1 本文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

附录