具有随机丢包与时延的网络控制系统容错控制研究

摘要

随着控制系统的规模日益扩大和计算机网络技术的广泛应用，形成了通过通信网络构成控制回路的网络控制系统(Networked Control System，NCS)。与传统的点对点控制系统相比，NCS可以通过网络实现复杂大系统和远程控制，且具有资源共享、易于安装与维护，系统成本低等诸多优点。然而网络环境的复杂性，给系统的分析和设计带来了困难，也使得针对传统控制系统设计的容错控制算法难以应用到NCS中，因此迫切需要发展NCS的容错控制理论。为此，本文在研究网络控制系统建模、分析与控制问题的基础上，综合考虑被控对象的不确定因素和控制性能需求，研究了NCS的容错控制问题，以期提高NCS的可靠性和安全性，为网络化容错控制系统应用到实际工程中做好理论基础准备。本文的主要研究成果如下：
　　 (1)针对具有外部扰动和马尔可夫丢包的网络控制系统，提出了一种H∞状态反馈控制方法。将NCS建模为马尔可夫跳变线性系统，给出了基于线性矩阵不等式形式的NCS均方稳定且满足H∞扰动衰减指标的充分条件及控制器的设计方法。进一步针对同时存在丢包和网络时延的网络控制系统，提出了H∞状态反馈控制器设计方法。
　　 (2)针对具有有界数据包丢失的网络控制系统，提出了一种完整性设计方法和一种保成本容错控制方法。考虑两种数据包丢失的情况，设计了针对执行器故障和传感器故障的NCS容错控制器；基于马尔可夫丢包模型，构造丢包依赖的Lyapunov函数，推导出了保证故障系统均方稳定且满足保成本性能指标的充分条件，通过求解线性矩阵不等式约束的最小化问题，给出了最优保成本容错控制器的设计方法。
　　 (3)针对基于随机丢包模型的不确定网络控制系统，提出了一种鲁棒控制方法和一种鲁棒容错控制方法。考虑丢包存在于传感器到控制器和控制器到执行器之间的网络通道，并将网络通道建模为开关模型。针对不确定性满足不完全匹配结构的情况，将NCS建模为有四个模态的马尔可夫跳变系统，并分别给出了保证正常系统和故障系统随机稳定的充分条件。基于连续增益故障模型，研究了一类具有外部扰动的随机丢包网络控制系统的H∞容错控制问题，利用锥补线性化方法，设计了H∞容错控制器。
　　 (4)针对一类具有参数不确定性和外部干扰输入的被控对象，提出了连续时间随机时延NCS的鲁棒H∞状态反馈控制方法和鲁棒H∞容错控制器设计方法。构造依赖于网络时延的控制器，将NCS建模为含有两个随机时延参数的连续时间马尔可夫跳变系统，给出了网络控制系统随机稳定且满足H∞性能的充分条件。在考虑执行器连续增益故障情况下，利用Lyapunov-Krasovskii泛函方法，设计了保证故障系统随机稳定且满足H∞性能的容错控制器。
　　 (5)针对一类具有执行器故障和马尔可夫时延的离散时间网络控制系统，提出了一种动态输出反馈容错控制方法。在考虑执行器连续增益故障情况下，通过增广矩阵的方法，将基于动态输出反馈控制器的NCS建模为具有两个马尔可夫参数的随机跳变系统，给出了故障系统随机稳定的充要条件，利用锥补线性化方法提出了容错控制器设计方法。
　　 最后，在总结全文工作的基础上，给出了本文后续需进一步探讨的一些问题。