具有时变采样周期和丢包的网络控制系统输出反馈控制问题研究

摘要

网络化控制系统(Networked Control Systems,NCS)是一种以网络为介质,形成闭环反馈的控制系统,是控制技术与现代网络技术相互结合的产物,其拥有低成本,低功耗,安装简单,维护便捷等一系列优点,已经在工业控制、运动控制、楼宇自动化、航天等领域获得了广泛应用.然而,NCS在利用网络给系统带来便捷环境的同时,也不可避免的引入了一些新问题,包括网络诱导时延、数据包丢失、时序错乱等,这些问题极有可能降低系统的稳定性.此外,较大的负载变化也会使系统出现采样周期不稳定的现象.本文首先考虑同时包含不确定时延和丢包的输出反馈控制器设计问题;在此基础上,考虑原系统采样周期时变不确定的情况,设计对应输出反馈保性能控制器;最后考虑系统参数同时受时变采样周期以及时变时延的影响,设计具有抗扰动的输出反馈保性能控制器.本文研究内容主要如下: (1)针对一类同时具有不确定时延以及丢包的网络化控制系统,设计动态输出反馈控制器.考虑小于等于一个采样周期的网络诱导总时延,使用Bernoulli随机序列描述数据包丢失,且数据丢失概率已知,将动态输出反馈网络化控制系统建模为具有不确定项的离散时变系统.根据李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性原理,结合线性矩阵不等式(LMI)方法,给出并证明了所设计输出反馈控制器存在的充分条件,并将控制器设计问题转换为求解线性矩阵不等式可行解的问题.最后给出了Matlab仿真实例,验证了采用的设计控制器方法是可行有效的. (2)针对一类具有时变采样周期以及丢包的网络化控制系统,设计动态输出反馈保性能控制器.考虑采样周期时变有界,使用Bernoulli随机序列描述数据包丢失,且数据丢失概率已知,固定短时延小于最小采样周期,将时变采样周期分解为有限区间连续变化的值和系统短时延的和,把系统建模为具有不确定项的离散时变系统.根据李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性原理,给出并证明了所设计输出反馈控制器存在的条件,同样结合线性矩阵不等式(LMI)方法,将控制器设计问题转换为求解线性矩阵不等式可行解的问题.最后给出了Matlab仿真实例,验证了所设计控制器方法的有效性以及可行性. (3)针对一类具有时变采样周期、时变时延和有界扰动的网络化控制系统,设计对应输出反馈H∝保性能控制器.考虑时变采样周期有界,时变短时延小于等于一个采样周期,丢包满足Bernoulli随机序列且概率已知,系统参数同时受到时变时延和时变采样周期的影响,此外考虑有限能量扰动对系统的干扰.根据区间系统的原理,建模时将时变采样周期以及时变时延的不确定性转化为离散系统的不确定项,采用Lyapunov稳定性原理与LMI方法,证明系统的稳定性条件,求解得到输出反馈H∝保性能控制器律,最后给出了Matlab仿真实例,验证了所设计控制器的有效性.

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