具有信道受限和通信能量约束的网络化系统协同设计

摘要

网络化控制系统的出现，使得多个子系统能够通过无线网络实现资源共享和协调协作。然而，由于带宽等资源限制，在任意时刻只有部分子系统可以同时接入网络并进行数据交换。当子系统接入网络时，由于信道噪声影响，数据在传输过程中会发生丢包。提高节点发送功率可以减少丢包概率，但也会增加系统的通信能耗，缩短节点的使用寿命。因此，为了保证所有子系统的同时稳定，在设计控制器的时候需要兼顾网络的信道接入策略和发送功率的分配策略。
　　针对以上网络化系统中出现的信道受限、丢包和通信能量约束三个问题，本文以线性时不变网络化控制系统为研究对象，通过设计信道接入序列、控制器增益和发送功率分配策略，使得系统在保证理想控制性能的同时满足通信能耗要求。具体研究内容如下。
　　1.针对信道受限下的网络化控制系统，分别以控制器到执行器和传感器到控制器这两部分为例，考虑随机信道接入序列对系统稳定性的影响。利用Lyapunov方法和随机系统理论，建立了数据包成功传输概率、信道转移概率和系统衰减率三者之间的数值关系。以所得结果为基础，分别设计序列相关和序列不相关控制器。为了验证方法的有效性，以车载网络控制系统为应用实例，通过设计序列不相关控制器，使得车队在保证整体稳定性的同时，跟踪误差满足H∞性能指标。
　　2.针对通信能量约束下网络化控制系统的稳定性问题进行研究。通过建立信道丢包模型，得到发送功率和丢包率的数值关系。以此为基础，分别以静态和随机这两种功率分配策略为例，提出了两种发送功率分配和控制器增益的协同设计算法。仿真实验表明，以上两种算法均可以使得系统在满足通信能耗约束的前提下，具有理想的控制性能。
　　3.针对同时存在信道受限和通信能量约束的网络化控制系统，研究了静态和随机这两种信道接入序列下系统的稳定性问题。对静态信道接入序列下的网络化控制系统，利用切换系统理论和凸优化方法，提出了一种信道接入序列、控制器增益和发送功率分配的协同设计算法。对随机信道接入序列下的网络化控制系统，利用随机系统理论和Lyapunov方法，提出了一种信道接入概率、控制器设计和发送功率分配的协同设计算法。理论研究表明，以上两种算法均可保证每个子系统具有理想的衰减率，并且满足系统通信能耗要求。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 网络化控制系统研究现状

1．2．1 信道受限问题研究现状

1．2．2 丢包问题研究现状

1．2．3 通信能量约束问题研究现状

1．3 本文主要研究思路与内容

2 随机信道接入的网络化系统设计

2．1 执行器随机接入信道和丢包的网络化系统设计

2．1．1 问题描述

2．1．2 稳定性分析和控制器设计

2．1．3 仿真算例

2．2 传感器随机接入信道和衰落的网络化系统设计

2．2．1 一般的网络化控制系统

2．2．2 车队控制系统

2．2．3 车队仿真与实验

2．3 本章小结

3 通信能量约束下传感器发送功率与控制器协同设计

3．1 无线信道模型

3．2 静态功率分配与控制器协同设计

3．2．1 问题描述

3．2．2 主要结果

3．2．3 仿真算例

3．3 随机功率分配与控制器协同设计

3．3．1 问题描述

3．3．2 主要结果

3．3．3 仿真算例

3．4 本章小结

4 静态信道接入和通信能量约束下网络化系统协同设计

4．1 单信道调度、功率分配与控制器协同设计

4．1．1 问题描述

4．1．2 主要结果

4．1．3 仿真算例

4．2 多信道调度、功率分配与控制器协同设计

4．2．1 问题描述

4．2．2 主要结果

4．2．3 仿真算例

4．3 本章小结

5 随机信道接入和通信能量约束下网络化系统协同设计

5．1 Markov信道接入下功率分配和控制器协同设计

5．1．1 单系统情况

5．1．2 多系统情况

5．2 随机信道接入概率、功率分配与控制器协同设计

5．2．1 问题描述

5．2．2 主要结果

5．2．3 仿真算例

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介