广义网络控制系统分析、建模与控制

摘要

随着计算机、网络和通信技术的飞跃发展，智能化传感器、执行机构和驱动设备的诞生奠定了网络控制系统(NCS，NetworkedControlSystems)的物质基础，高速以太网和现场总线技术的不断发展和成功应用解决了NCS的可靠性和开放性问题，推动了NCS的广泛应用。NCS充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势。然而，NCS不确定的数据传输会降低控制系统的性能甚至使系统失稳等问题亟待研究和解决。这篇博士论文针对两类控制对象：线性时不变正常被控对象和线性时不变广义(奇异)被控对象，考虑NCS中存在的网络诱导时延、数据包丢失和外部扰动等主要问题，以控制网络的服务质量为基础，围绕着NCS的性能指标，研究了NCS的建模、鲁棒镇定、H∞最优控制、保性能最优控制、H∞状态观测器设计等问题，主要研究成果如下： 1.针对线性时不变正常被控对象，当传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、不确定时延不超过一个采样周期情况下，利用Lyapunov方法和线性矩阵不等式描述，研究了动态输出反馈NCS的建模、鲁棒镇定、保性能最优控制和对于噪声扰动的H∞最优控制问题以及对于不确定时延的H∞状态观测器设计和基于状态观测器的NCS鲁棒稳定性问题。将动态输出反馈NCS建模为含有不确定性的离散时变系统。分别给出了动态输出反馈NCS鲁棒稳定的条件和鲁棒镇定律、保性能最优控制律和H∞最优控制律设计方法；给出了H∞状态观测器的设计方法和基于状态观测器的NCS鲁棒稳定的条件。 2.针对线性时不变正常被控对象，同时考虑网络诱导时延和数据包丢失以及传感器与控制器、控制器与执行器之间均存在网络的情况，研究了NCS的建模、指数稳定性和控制器设计等问题。将状态反馈和动态输出反馈NCS统一建模为由结构事件率约束的异步动态开关系统，给出了结构事件率和数据包丢失率之间的关系。基于建立的NCS统一模型，给出了系统指数稳定容许的数据包丢失率上界的关系以及系统指数稳定的数据包丢失率和开环系统结构的关系。分别给出了由数据包丢失率约束的状态反馈和动态输出反馈NCS指数稳定的条件和相应的控制律设计方法。 3.针对存在于实际系统中的一类正则、无脉冲的广义(奇异)被控对象，研究了三类基于广义被控对象模型的NCS建模、稳定性分析与控制器设计等问题。(1)将传感器和控制器时钟驱动、异步采样、执行器事件驱动、网络诱导时延是分布的但有上界的多输入多输出动态输出反馈NCS建模为由时延特性决定的线性时变离散正常系统。(2)将传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、网络诱导时延不确定但不超过一个采样周期的动态输出反馈NCS建模为含有不确定性的线性离散时变正常系统，并研究了该系统的鲁棒稳定性和鲁棒镇定问题，给出了鲁棒稳定条件和鲁棒镇定律设计方法。(3)将具有控制输入约束、网络诱导时延有上界的状态反馈NCS建模为线性时变连续广义系统，并研究了无输入控制约束时系统的时延相关渐近稳定性，给出了时延相关渐近稳定的条件和系统稳定容许的最大允许时延的求取方法。 4.针对具有控制输入约束的线性时不变正常被控对象，研究了两类NCS的建模和稳定性问题。(1)将具有控制输入约束、有界分布时延的状态反馈和动态输出反馈多输入多输出NCS分别建模为连续时变系统。基于建立的NCS模型，研究了多输入多输出状态反馈NCS时延相关稳定性，给出了该系统渐近稳定的条件和系统稳定的最大允许时延求取方法；研究了多输入多输出动态输出反馈NCS时延独立稳定性，给出了系统时延独立稳定的条件。(2)将具有控制输入约束和不确定时延的状态反馈NCS建模为具有不确定性的离散时变系统。基于建立的系统模型，研究了系统的鲁棒稳定性和鲁棒镇定问题，给出了系统鲁棒稳定的条件和鲁棒镇定律设计方法。 5.利用基于Matlab/Simlink的实时仿真工具TrueTime，研究了传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、采用比例-微分控制器的输出反馈NCS的仿真问题。建立了NCS仿真模型，并针对三种情况分别进行了仿真研究：(1)有时延；(2)有时延和数据包丢失(恒定丢包率、随机丢包率)；(3)有时延、数据包丢失和扰动，并给出了相应情况下系统输出和控制输入的仿真曲线，同时阐明了稳定性与网络诱导时延、数据包丢失率、网络负载扰动和数据通信率等因素的关系。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究的目的与意义

1.2网络控制系统的基本问题

1.3网络控制系统研究的问题、方法与现状

1.4存在的不足和需进一步研究的问题

1.5本文的主要研究工作

第二章控制网络技术与时延特性

2.1控制网络及其分类

2.2 NCS中典型控制网络

2.3时延特性

2.4章末小结

第三章不确定时延NCS分析与控制

3.1动态输出反馈NCS分析与建模

3.2鲁棒镇定

3.3鲁棒镇定律设计

3.4保性能控制

3.5 H∞控制

3.6基于观测器的NCS控制

3.7章末小结

第四章具有控制约束的NCS分析与控制

第五章数据包丢失NCS分析与控制

5.1数据包丢失模型描述

5.2有时延和数据包丢失的NCS建模

5.3系统稳定性分析

5.4状态反馈NCS指数稳定性

5.5动态输出反馈NCS指数稳定性

5.6章末小结

第六章广义被控对象的NCS分析与控制

6.1典型广义系统模型

6.2预备知识

6.3基于广义系统对象的NCS分析与建模

6.4稳定性分析与控制器设计

6.5章末小节

第七章网络控制系统仿真

7.1 TrueTime仿真器

7.2 NCS仿真

7.3章末小结

第八章总结与展望

参考文献

致谢

作者攻读博士期间完成的论文和从事的课题

作者简历