信息不完整情形下网络化系统的PID控制

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本论文以网络化系统为研究对象,探讨在几类信息不完整情形影响下的比例积分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制问题。关注的信息不完整情形主要包括一些常见的网络诱导现象(信道衰减和时滞)、随机发生的网络攻击、以及为了降低通信负担而引入的事件触发协议和Round-Robin协议。针对带有上述信息不完整情形的网络化系统的PID控制问题,分别设计PID输出反馈控制器和基于观测器的PID控制器。在此基础上,对偶地研究网络化系统的比例积分观测器(proportional-integral observer,PIO)设计问题。此外,在上述问题的研究中,采用/提出一些新颖的概念和性能指标来平均期望的系统性能,如指数均方输入到状态稳定性、均方输入到状态稳定性、均方安全性等。具体地,本文的研究内容主要分为三个部分:第一部分主要研究信息不完整情形下网络化系统的PID输出反馈控制问题。首先,针对由信道衰减现象造成的信息不完整情形设计PID输出反馈控制器。利用Lyapunov稳定性理论和随机分析技术,建立保证闭环系统的指数均方稳定性和H∞性能的充分条件。基于该条件,利用基于线性矩阵不等式的正交分解技术,给出PID输出反馈控制器参数的具体求解方法。接下来,利用类似的分析手段,研究一类带有时变时滞的线性时不变系统的PID输出反馈控制问题,并设计满足l2-l∞性能约束的PID输出反馈控制策略。此外,针对静态事件触发协议造成的信息不完整情形,给出满足H∞性能约束的PID输出反馈控制器的具体设计方案。第二部分研究信息不完整情形下网络化系统的基于观测器的PID控制问题,其中考虑的信息不完整情形主要由随机发生的网络攻击、网络诱导现象、静态/动态事件触发协议所致。首先,在静态事件触发协议的影响下,针对网络化控制系统,设计基于观测器的PID控制器。接着,针对遭受网络攻击的离散时滞系统。借助两组符合Bernoulli分布的随机变量刻画网络攻击的随机特性,建立分析闭环系统的输入到状态稳定性的理论框架,在此基础上,获得保证系统容许安全水平的一个充分条件以及二次代价泛函的上界。此外,针对带有动态事件触发协议和欺骗攻击的网络化系统,利用均方意义下输入到状态稳定性理论,分析随机发生的欺骗攻击和动态事件触发协议对系统性能的影响,并设计满足系统安全需求的基于观测器的PID安全控制器。第三部分将研究的PID控制问题进行对偶地推广,考虑信息不完整情形下网络化系统的PIO设计问题。为了防止数据传输冲突的发生,引入Round-Robin协议来调度传感器到观测器的信号传输,并提出一种增益依赖于数据传输顺序的PIO。构造与传输权限相关的Lyapunov函数,建立保证估计误差动态指数稳定性和l2-l∞性能的充分条件,揭示了 Round-Robin协议的调度行为对于系统性能和观测器设计的影响。通过求解依赖于传输权限的LMI,得到相应的PIO参数。
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