具有通信约束的网络化系统的鲁棒控制研究

摘要

计算机技术、通信网络技术的迅猛发展，推动控制系统实现了前所未有的跨越。日益复杂的控制系统结构及其日益宽广的空间分布，致使点对点控制模式无法符合系统发展的需求。在这一背景下，系统组件间的信息传输模式出现根本性变革，点对点控制模式向网络化控制模式转变，使得网络化控制系统（Networked Control Systems，简称NCSs）应运而生。NCSs所具有的资源共享、成本低、系统灵活性强等特点，使其在众多领域得到应用。不过，通信网络也给NCSs带来了传统系统所无需考虑的通信约束，如网络时滞、丢包和量化等。虽然上述问题已取得了丰硕的研究成果，但仍有许多问题尚需解决，这样使得控制系统面临前所未有的挑战。基于此，本文在考虑网络存在丢包、数据量化等通信约束情况下，研究网络化系统的鲁棒问题。主要研究工作如下： (1)考虑到共享网络中量化的控制输入，给出了一种网络化不确定系统的鲁棒预测控制器设计方法。首先，采用对数量化器表征控制器-执行器间的量化作用，并利用一种扇形有界方法，建立了具有量化作用的网络化不确定系统模型。其次，基于预测控制策略，推导出系统鲁棒镇定的充分条件。最后，所设计的鲁棒预测控制器的控制效果由数值仿真加以验证。 (2)针对具有随机丢包和量化的网络化分布式时滞系统，提出了一种基于状态观测器的鲁棒H∞输出反馈控制器设计方法。其中，随机丢包满足伯努利分布规律，而量化作用采用对数量化器予以表征。同时，假定时滞系统的测量输出先量化，再通过共享网络传输时出现随机丢包。基于扇形有界法及对数量化器，建立了增广网络化误差系统模型，并给出了保证系统稳定且具有H∞控制性能的充分条件。其次，基于锥补线性化方法，求解这个鲁棒H∞控制的优化问题。最后，所设计的鲁棒控制器的控制效果由数值仿真加以验证。

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