基于混杂系统理论的几类网络控制系统建模、分析与控制

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随着控制系统规模的扩大和计算机及通信技术的迅猛发展,尤其是智能传感器、控制器和执行机构作为独立的节点直接与网络相连,实现了控制系统的集成化、分布化和网络化。这种完全分布式的结构实现了远程操作与控制,具有资源共享、诊断能力高、便于安装与维护、廉价等优点。这种网络化的控制系统结构是新一代的控制系统的大势所趋。然而,网络介入给控制系统带来了许多问题,如网络传输导致的传感信号和控制信号的传输延时、网络带宽受限使得数据多包多通道传输、通信链路的不可靠或缓存溢出等引起的数据丢包以及不同网络节点的异步动态行为等。这些问题必然导致数据的不确定传输,是降低系统性能引起系统不稳定的重要因素,也使得传统的控制系统理论无法直接应用于网络控制系统。本文针对网络化的线性、非线性及切换系统等被控对象,考虑信号传输中的网络诱导延时、数据丢包、信道干扰等问题,基于混杂系统理论、Lyaponov稳定性理论、时滞系统理论,采用采样控制系统方法和切换系统控制方法等混杂控制方法对几类网络控制系统的建模、稳定性及控制问题进行了研究。 本文首先概括地总结了网络控制系统研究的基本问题、研究方向和基本方法。指出网络控制系统是典型的混杂系统,概述了混杂系统理论尤其是切换系统理论的研究进展,为网络控制系统的研究提供理论基础。 第二章,在网络环境下,针对线性的被控对象,研究了具有双边网络传输的NCS在动态输出反馈控制作用下的稳定性问题。将具有网络诱导延时的NCS建模成一类混杂系统,通过混杂系统分析方法得到了保证系统指数稳定的充分条件。 第三章,考虑网络诱导延时,针对一类网络化的仿射非线性控制系统,利用采样控制系统的方法得到了保证系统一致渐近稳定的充分条件。 除了网络诱导延时之外,数据丢包也是不可靠的网络通信导致的重要现象之一。 第四章,针对可以实时检测的数据包丢失问题,考虑网络化的线性控制系统,采取开/闭环估计器间切换实现丢失信号的补偿,分别在连续时间域和离散时间域上建立了网络控制系统的切换系统模型。考虑了切换瞬间切换脉冲的影响,研究了带有脉冲的切换系统指数稳定性。通过线性矩阵不等式(LMI)给出了切换控制器的可行解。 第五章,在第四章基础上,进一步考虑了信道噪声和干扰。建立了具有丢包和信道噪声的统一的切换系统模型,并研究了带有脉冲的切换系统的指数镇定和干扰抑制问题。 第六章,针对难以实现实时检测到的网络传输中的数据包丢失情形,在“丢包”与“不丢包”事件交替发生的规律下,根据统计意义的最大丢包事件发生率仍然采用开闭环估计器间的切换控制,定性地研究了“慢切换”或平均意义即“平均驻留时间”意义下闭环系统的指数镇定问题。另外,也得到了具有最大网络丢包率的非线性网络控制系统在“平均”意义下的指数镇定条件。 第七章,提出了“网络化切换控制系统”的概念,考虑网络诱导延时和数据丢包的影响,建立了网络化切换控制系统的切换时滞系统模型,适当选取Lyapunov-Krasovskii范函,利用奇异系统的方法得到了“平均驻留时间”切换律下系统的网络依赖指数稳定条件。采用线性矩阵不等式形式给出了切换控制器的设计方法。并将结果推广到了一类具有非线性摄动的网络化切换系统的鲁棒指数镇定问题。 论文的第八章是结论与对下一步研究工作的展望。
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