资源受限网络控制系统控制与调度方法研究

摘要

网络控制系统(NCS)是将传感器、控制器、执行器等部件通过实时网络形成闭环的反馈控制系统，是基于网络的全分布式控制系统。这类新型的控制系统近年来得到了广泛关注。与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具有系统连线少、可靠性高、易于系统扩展以及能够实现信息资源的共享等优点。因此，在众多领域得到了广泛地应用。但实际网络控制系统中，常常受到网络有限带宽资源、网络通信协议等各种网络条件制约，使得网络控制系统中存在如网络诱导时延、数据包的多包传输及丢失、网络通信约束、网络调度等许多新的问题。这些问题的存在使网络控制系统的分析和设计变得异常复杂。 本文主要以受带宽约束或通信协议约束的NCS，统称为资源受限的NCS为研究对象。从系统的建模和控制、网络资源的调度与控制协同设计等方面展开了研究。主要研究内容如下： 对于具有通信约束的NCS，应用通信序列的概念，同时考虑不确定短时延的影响，通过将时延的不确定性等效为系统参数的不确定性，建立了一类具有参数不确定的集成信息调度与控制的离散周期切换系统。得到了这类系统信息可调度的条件和闭环系统渐近稳定的条件，并基于LMI方法给出了在一定的周期通信序列下的控制器参数化设计方法。 针对具有短时延的多包传输网络控制系统，研究了数据包传输采用动态调度策略时系统的建模与控制问题。首先假定数据包传输具有Markov特性，其中数据包的传输考虑了丢包的情况，建立了集时延、丢包及多包传输多问题综合的模型。并获得了使系统随机稳定的条件和控制器的设计方法。其次，在数据包传输顺序随机不确定的情况下，引入了补偿器来补偿多包传输中部分数据包丢失对系统性能的影响，对多包传输中未能更新的数据用补偿器的预估状态来代替。在此基础上建立了一类离散随机切换系统模型，并对其稳定性进行了分析。 针对NCS的信息速率约束问题，提出一种基于误差阈值的确定性通信调度策略来控制网络节点数据的发送，并将其应用于基于模型的网络控制系统(MB-NCS)中，建立了具有通信调度功能的MB-NCS模型。进一步对该系统的稳定性进行了分析，给出了系统中被控对象状态的稳定域范围。仿真表明该方法在保证系统获得较好性能的同时，数据包的传送次数大大减少了，有效减轻了带宽约束对系统性能的影响。 研究了具有时变有界采样周期和时延的NCS的建模与控制问题，将其建模成一类离散动态区间系统。在此基础上，分别研究了系统的镇定、保性能控制及H∞控制问题，并给出了各控制器的设计方法。为变采样调度方法的研究提供了很好的理论依据和支持。 针对带宽受限及负载可变的动态工作环境，设计了一个动态反馈调度器，基于LS_SVM方法实现对网络可用带宽资源的预测；建立了一个基于模糊逻辑的回路控制性能评价指标；带宽管理器和优先级配置器以该性能指标为依据对预测到的可用带宽资源进行动态分配。通过与基于误差的带宽及优先级分配方法比较，结果表明本文提出方法优化了系统的控制性能，并在不确定运行环境中具有更好的适应性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、符号及缩写说明

声明

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 网络控制系统概述

1.2.1 网络控制系统的描述

1.2.2 NCS的典型结构

1.3 NCS的基本问题

1.3.1 网络通信协议

1.3.2 网络诱导时延

1.3.3 NCS的数据包传输

1.3.4 网络通信约束

1.3.5 网络调度

1.4 资源受限NCS的主要研究内容及现状

1.4.1 网络通信约束下的NCS的控制与调度

1.4.2 数据包传输问题的研究

1.4.3 网络调度方法的研究

1.4.4 控制与调度协同设计

1.5 本文的研究工作

第2章 具有通信约束和时延的NCS的反馈镇定

2.1 引言

2.2 基于状态反馈的系统建模与控制

2.2.1 系统的状态反馈模型

2.2.2 状态反馈镇定

2.2.3 仿真示例

2.3 基于输出反馈的系统建模与控制

2.3.1 系统的输出反馈模型

2.3.2 输出反馈镇定

2.3.3 仿真示例

2.4 小结

第3章 不确定多包传输网络控制系统的分析与设计

3.1 引言

3.2 具有Markov特性的MT_ NCS的建模与控制

3.2.1 Markov系统模型

3.2.2 均方稳定性

3.2.3 仿真示例

3.3 具有补偿功能的MT_NCS的建模与控制

3.3.1 具有补偿功能的MT_ NCS建模

3.3.2 系统稳定性分析

3.3.3 仿真示例

3.4 小结

第4章 基于误差阈值的网络控制系统通信调度

4.1 引言

4.2 问题描述

4.3 NCS建模

4.4 NCS的稳定域分析

4.5 仿真示例

4.6 小结

第5章 变采样网络控制系统的分析与设计

5.1 引言

5.2 系统建模

5.2.1 问题描述

5.2.2 动态区间系统模型

5.3 系统镇定

5.4 保性能控制器设计

5.4.1 主要结果

5.4.2 仿真示例

5.5 H∞控制器设计

5.5.1 主要结论

5.5.2 仿真示例

5.6 结论

第6章 动态环境下NCS调度与控制协同设计

6.1 引言

6.2 动态反馈调度器的设计

6.2.1 问题描述

6.2.2 动态调度器的结构和工作机理

6.2.3 基于LS_ SVM的可用带宽预测原理

6.2.4 基于模糊逻辑的系统性能评价

6.2.5 网络带宽的分配算法

6.2.6 优先级配置算法

6.3 仿真示例

6.3.1 仿真设置

6.3.2 性能分析

6.4 结论

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文