事件触发网络控制系统的若干联合设计研究

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网络控制系统(Networked Control Systems,NCSs)是控制、计算机和通信(Control,Communication and Computer,3C)技术相互融合、相互渗透的产物,其广泛应用在国民经济重大关键领域,如电力石油化工等能源行业,航空和铁路等交通行业,水处理、供暖和环境监测等市政服务基础设施。与此同时,NCSs的内在特质与应用需求使其面临着日益突出的系统资源约束问题。事件触发机制(Event-Triggered Schemes,ETSs),能够根据控制任务的实际需要动态地调整控制信号的更新频率,从而在节省系统资源(网络带宽、计算资源和节点电能等)方面更具优越性,将为系统资源受限下的NCSs的分析与综合提供一个崭新的解决方案。然而,ETSs的引入也使得NCSs面临着控制器和ETSs的联合设计问题。因此,近几十年来,事件触发NCSs的联合设计问题得到了控制界专家学者的广泛关注,一系列相关研究成果发表在公开文献中。然而,现有文献中的相关研究结果仍存在诸多不足。例如,第一、如何根据被控对象状态/输出的变化、控制系统的性能要求、应用场景等因素设计一个合适的ETS来灵活地节省系统资源仍需要进一步研究;第二、存在一类控制器增益矩阵需要提前给定的文献,也就是说,控制器和ETS不是联合设计的。因此,需要系统地提出控制器和ETS的联合设计算法;第三、报道了有限的研究成果,需要进一步研究若干联合设计问题。针对现有文献的不足,本文首先设计ETSs,其用于在保证控制系统稳定性和期望性能的前提下节省系统资源的使用,进而基于时滞系统建模方法建立起表征了网络服务质量(Quality of Service,Qo S)和所设计ETS行为特征的闭环控制系统数学模型,采用理论分析与数值仿真相结合的方法,基于Lyapunov稳定性理论、时滞系统的分析方法和线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)技术等,系统地研究事件触发NCSs的若干联合设计问题。本文主要研究内容如下:(1)针对混合ETSs的附加阈值将导致闭环控制系统的渐近稳定性无法保证这一问题,在事件触发NCSs的框架下研究一类具有模型不确定性的线性变参数(Linear Parameter-Varying,LPV)系统的输出反馈控制器和混合ETS的联合设计。理论分析得到输入到状态实用稳定(Input-to-State Practically Stable,ISp S)意义下的联合设计算法,并通过数值仿真验证其有效性。(2)针对静态ETSs不能很好地适应被控对象状态/输出的变化这一问题,基于区间二型(Interval Type-2,IT2)Takagi-Sugeno(T-S)模糊系统模型,在事件触发NCSs的框架下研究一类具有参数不确定性的非线性系统的故障检测(Fault Detection,FD)滤波器和自适应ETS(Adaptive ETS,AETS)的联合设计。理论分析得到渐近稳定意义下的联合设计算法,并通过数值仿真验证其有效性。(3)针对异步且不完全匹配隶属度函数阻碍了系统的分析与设计这一问题,基于IT2 T-S模糊系统模型,在事件触发NCSs的框架下研究一类具有参数不确定性的非线性系统的∞模糊滤波器和AETS的联合设计。在滤波误差系统的建模过程中,利用滤波器模糊权重函数的性质,将具有异步且不完全匹配隶属度函数的滤波误差系统模型有条件地表示为一个更方便分析的形式。然后,理论分析得到渐近稳定意义下的联合设计算法,并通过数值仿真验证其有效性。(4)针对实际工程中普遍存在随机采样现象这一问题,在事件触发NCSs的框架下研究一类线性时不变(Linear Time Invariant,LTI)系统的状态反馈控制器和随机采样下的AETS的联合设计。理论分析得到随机渐近稳定(Stochastically Asymptotically Stable,SAS)意义下的联合设计算法,并通过数值仿真验证其有效性。(5)针对拒绝服务(Denial of Service,Do S)攻击影响控制信号的更新这一问题,在事件触发NCSs的框架下研究一类随机系统的状态反馈控制器和Do S攻击下的AETS的联合设计。理论分析得到随机指数稳定(Stochastically Exponentially Stable,SES)意义下的联合设计算法,并通过数值仿真验证其有效性。
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