具有任意丢包和时延的网络控制系统滤波研究

摘要

控制信号和反馈信号以数据包的形式在系统的多个组件之间通过网络互相传输数据的系统为网络控制系统(NCS)。而通信网络的不稳定特性常常会引起系统数据传输延迟以及多包传输、数据拥塞、时序错乱和丢包等现象，这样就不可避免地影响了控制系统的性能指标，甚至会导致系统不稳定。所以具有时滞和丢包的网络控制系统的研究多年来受到了众多学者的广泛关注。
　　对于含有时延或者丢包的网络控制系统，其稳定性与控制问题至关重要。文中首先研究了一类包含不确定时变时滞的网络控制系统时滞依赖鲁棒稳定性，获得了时滞依赖稳定性判据。其次，本文还研究了一类具有任意丢包的网络控制系统关于丢包补偿的稳定性分析与控制问题，得到系统稳定区域。再次，针对同时包含丢包和时延的网络控制系统进行滤波估计研究，设计最优滤波器。
　　具体研究内容为以下几个方面:
　　(1)针对一类具有范数有界摄动不确定参数和非线性摄动不确定参数的时变时滞网络控制系统，通过构造适当的Lyapunov泛函利用Jensen不等式变换技术导出该系统鲁棒稳定性的充分条件，以线性矩阵不等式来表达。
　　(2)针对一类具有任意丢包的网络控制系统的线性二次型高斯控制(LQG)问题，考虑置零输入和保持输入两种补偿方法，通过Kalman滤波器处理过程噪声和测量噪声，获得相应的临界丢包率，用滤波估计值来设计最优控制器，通过求解最优值函数求得最优控制器增益，对两种丢包补偿方法分别得到最优控制律和控制器/执行器之间的临界丢包率，结论表述为线性矩阵不等式表示。
　　(3)针对一类具有任意丢包和时延的网络控制系统进行Kalman滤波估计的研究，通过Kalman滤波器处理过程噪声和测量噪声，基于最小方差估计的原理，利用射影的性质设计滤波器。
　　论文最后对时滞分段的Lyapunov函数方法在网络控制系统的时滞依赖鲁棒稳定性方面的应用，两种丢包补偿方法在线性二次型高斯控制问题上的应用以及针对同时包含丢包和时延所设计的滤波器的应用做了总结，同时对今后的研究进行了展望。时延

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 网络控制系统研究现状

1．2．1 具有时延的网络控制系统研究

1．2．2 数据包丢失的网络控制系统研究

1．3 本文内容及结构

1．4 本章小结

第二章 数学基础与预备知识

2．1 控制系统稳定性分析

2．2 预备知识

2．2．1 凸函数

2．2．2 线性矩阵不等式

2．2．3 线性二次型最优控制

2．3 滤波处理方法

2．4 本章小结

第三章 具有时延的不确定网络控制系统稳定性分析

3．1 引言

3．2 网络控制系统的建模与分析

3．2．1 问题描述

3．2．2 主要结论

3．3 数值仿真

3．4 结论与注解

第四章 同时具有丢包和时延的网络控制系统滤波

4．1 相关知识

4．2 具有丢包现象的网络控制系统滤波估计

4．2．1 系统建模

4．2．2 置零输入方法的滤波估计

4．2．3 保持输入方法的滤波估计

4．2．4 两种方法下的滤波估计结论

4．3 具有任意丢包的网络控制系统控制律设计

4．3．1 置零输入方法的控制律设计

4．3．2 保持输入方法的控制律设计

4．4 同时具有丢包和时延的网络控制系统滤波

4．4．1 问题描述

4．4．2 滤波估计

4．5 数值仿真

4．6 结论与注解

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果