随机网络控制系统的性能分析与鲁棒控制

摘要

网络控制系统(Networked Control Systems,NCS)是以串行通信网络把传感器、控制器和执行器相连接而构成反馈闭环的特殊分布式控制系统。与传统的点对点的控制系统相比,这种网络化的控制模式避免了控制节点间专线的敷设,减少布线,易于系统的诊断和维护,增加系统结构的灵活性,有效的降低了系统成本。目前,网络控制系统已在工业制造、交通系统、电力、航空航天等领域获得了广泛的应用。但是,网络传输的介入,也带来了许多新问题,如:网络时延、数据丢包、网络带宽的波动以及网络的通信约束使得数据必须多包传输、不同的网络节点之间系统时钟的异步等等。这些因素将不可避免的影响到控制系统的性能,甚至使系统不稳定,这使网络控制系统的分析和设计问题变得复杂。因此,针对网络化控制系统的研究具有重大的理论和应用价值,正日益成为目前控制理论界研究的热点。本文结合随机控制和鲁棒控制理论,对存在网络环境因素(数据丢包、带宽的限制和扰动、网络时延)影响的网络控制系统的建模,稳定性分析、鲁棒控制设计等问题进行了深入的研究。利用Lyapunov稳定性理论以及线性矩阵不等式方法,给出了各个网络因素影响下闭环系统的稳定性条件和控制器设计方法；通过引入随机网路控制系统的最优保性能和最优H∞性能等鲁棒性能指标,对系统的性能与网络环境之间的关系进行了分析研究。本文的内容主要包括以下几个方面:
　　 首先,针对一类存在随机数据丢包的离散网络控制系统,研究其保性能控制问题。设传感器到控制器和控制器到传感器之间存在的两类数据丢包相互独立并满足伯奴利二项分布。分别在单、多包传输的条件下,把被控对象连同存在数据丢包的通信网络建模为一个增广系统对象,其中原被控对象的控制输入作为一个增广系统的状态。通过设计该增广系统的状态观测器,实现了系统状态和控制输入的同时估计。在此观测器基础上,提出了一种基于观测器的保性能控制策略,给出了闭环系统随机均方指数稳定的充分条件,并用线性矩阵不等式技术和锥补线性化(ConeComplementarity Linearization,CCL)迭代算法给出了最优保性能控制器的设计方法。
　　 针对存在网络通信约束的离散网络控制系统,研究了基于状态观测器的H∞控制问题。设网络的带宽容量有限并且带宽的变化满足某个已知的概率分布的条件下,对单包和多包传输情形下的网络控制系统分别进行了建模。在不同的网络通信约束和带宽分配条件下,分别给出了网络控制系统均方稳定的充分条件。通过引入最优H∞性能指标,对通信约束条件和控制系统H∞性能之间的关系进行了深入研究,并用线性矩阵不等式和CCL迭代算法给出了具有最优H∞性能的带宽分配方案和控制器设计方法。
　　 针对存在随机时延的离散网络控制系统,研究了网络控制系统的状态反馈H∞控制问题。考虑只在传感器到控制器之间存在同络时延的网络控制系统,用一个状态有限的马尔可夫链描述该随机时延,并在单、多包传输条件下,分别将网络控制系统建模为离散随机线性跳变系统。假设网络传输采用时间戳技术,即在每个采样时刻控制器可以获得当前时刻从传感器到控制器间州络时延的大小。着眼于减少控制器设计的保守性,对网络控制系统采用按随机时延进行实时切换的状态反馈控制策略,给出了闭环系统随机稳定的充分条件,并用线性矩阵不等式方法和CCL迭代算法给出了单、多包传输条件下的网络控制系统的最优H∞控制器的设计方法。
　　 最后,对存在数据丢包的连续网络控制系统的数据采样H∞控制问题进行了研究。考虑被控对象为连续时间系统,并且传感器到控制器和控制器到传感器两类数据丢包相互独立并满足伯努力二项分布。通过引入输入时延(Input Delay)方法,将同时存在连续对象、离散传输信号以及数字控制器的网络控制系统转化为一类含随机参数的连续时滞系统,给出了闭环网络控制系统随机指数稳定的一个充分条件,并用线性矩阵不等式方法给出了最优H∞控制器的设计方法。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 网络控制系统概述

1.2.1 网络环境不确定影响因素

1.2.2 网络环境的确定性影响因素

1.3 网络控制系统国内外研究现状

1.3.1 基于QoS网络调度方法研究

1.3.2 基于QoP的网络控制研究

1.4 论文的主要内容与结构

第2章 存在数据丢包的离散网络系统的保性能控制

2.1 引言

2.2 存在数据丢包的单包传输网络系统的保性能控制

2.2.1 模型描述

2.2.2 稳定性分析

2.2.3 保性能控制器设计

2.3 存在数据丢包的多包传输网络系统的保性能控制

2.3.1 模型描述

2.3.2 稳定性分析

2.3.3 保性能控制设计

2.4 数值仿真

2.4.1 例2.1:单包传输情形

2.4.2 例2.2:多包传输情形

2.5 结论

第3章 存在通信约束的离散网络系统的H∞控制

3.1 引言

3.2 存在通信约束的单包传输网络系统的H∞控制

3.2.1 系统模型描述

3.2.2 稳定性和H∞性能分析

3.2.3 带宽约束条件下的最优H∞控制设计

3.2.4 数值仿真

3.3 存在通信约束的多包传输网络系统的H∞控制

3.3.1 系统模型描述

3.3.2 稳定性和H∞性能分析

3.3.3 通信约束条件下的最优H∞控制设计

3.3.4 数值仿真

3.4 结论

第4章 离散随机时延网络系统的H∞控制

4.1 引言

4.2 网络随机时延的Markov性

4.3 单包传输的随机时延网络系统的H∞控制

4.3.1 问题描述

4.3.2 稳定性分析

4.3.3 H∞控制器设计

4.4 多包传输时延网络系统的H∞控制

4.4.1 问题描述

4.4.2 稳定性分析

4.4.3 H∞状态反馈控制设计

4.5 仿真研究

4.5.1 例4.1:单包传输情形

4.5.2 例4.2:多包传输情形

4.6 结论

第5章 存在数据丢包的连续网络系统的H∞采样控制

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 稳定性分析

5.4 H∞控制器设计

5.5 仿真研究

5.6 结论

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位论文期间的主要学术成果