一类NCSs中丢包与时延的积极作用及其应用

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由于网络技术和自动化的飞速发展,网络化控制系统(NCSs)这一国际前沿性热点课题从现代工业系统中发展起来。与传统的控制系统相比,NCSs具有不可替代的优势,如信息共享、远程控制、高灵活性和低成本等。但是,在控制回路中引入网络会带来一些不可避免的约束,如数据包丢失和网络诱导时延,使得NCSs的建模、分析和设计更加复杂,更加具有挑战性。现有的大多数关于NCSs的文献通常认为数据包丢失和网络诱导时延会引起性能降低、资源浪费甚至导致系统崩溃。然而,本文将从不同的角度出发,针对一类能被时延的静态输出反馈控制器镇定,但不能被非时延的静态输出反馈控制器镇定的系统,研究数据丢包和网络诱导时延对网络化H∞控制的积极作用及其在抗震建筑的网络化主动振动控制中的应用。本文主要研究内容包含以下两个部分:(i)数据包丢失对一类系统的积极作用;(ii)数据包丢失和网络诱导时延对一类抗震结构系统的网络化主动振动控制的积极作用。第一部分,首先,在被控系统和控制器之间插入一个能够引起数据包丢失的网络,并且在执行器端嵌入一个能够主动产生一些丢包的逻辑数据包选择算法,将该NCS建模为一个区间时延系统,它在具有一些非零时变时延时是稳定的,而在没有时延时是不稳定的。然后,构造一个新的完全Lyapunov-Krasovskii泛函(LKF),并且充分利用时延上下界的分割信息,以线性矩阵不等式(LMIs)的形式给出基于丢包积极作用的保守性较小的时滞依赖的H∞性能判据和控制器设计方法。数值例子证明所提设计结果能够有效地完成一个满意的控制效果。第二部分,首先,主动引入通讯网络来连接受地震干扰的建筑结构和一个远程控制器,考虑网络诱导时延和数据包丢失等通讯约束,并且在执行器端嵌入一个逻辑数据包选择算法,将该结构系统建模为一个具有区间时变时延的系统。然后,通过构造一个包含一些不连续项和时延上下界分割信息的新的完全LKF,得到一个时滞依赖的判据,使得闭环系统在一定的H∞性能下是渐近稳定的。基于所得到的判据,分别采用锥补线性化(CCL)算法和最小化算法来寻找反馈控制增益和最小H∞性能。仿真例子证明所设计的正速度反馈控制器能够通过较小的控制力实现较好的系统振动抑制效果。本文的主要贡献如下所列:(1)不同于现有文献中丢包的消极作用的研究,揭示了丢包对网络化控制的积极作用。提出了一个逻辑数据包选择算法对数据包的传输进行调度并主动丢弃一些数据包。(2)构造一个新的完全LKF,并且充分利用时延上下界的分割信息,得到了保守性较小的时滞依赖的H∞性能判据和控制器设计方案。(3)主动引入通讯网络来连接受地震干扰的建筑结构和一个远程控制器,考虑网络诱导时延和丢包等通讯约束,构造了一类基于网络的主动振动控制器,建立了新颖的网络化建筑控制系统模型。(4)给出了在反馈控制环路中合理引入丢包和网络诱导时延的算法,使得设计的网络化控制器可以通过较小的控制力实现较好的系统振动抑制效果。
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