网络控制系统H_∞性能分析及控制器设计

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随着计算机技术和网络通信技术的发展,网络控制系统在工业控制领域得到越来越广泛的应用。通过网络将传感器、控制器和执行器连接起来形成的闭环系统称为网络控制系统。网络控制系统利用通信信道将地理位置不同、功能相对独立的多个系统联系起来实现一定功能,具有很高的研究价值和应用价值。网络控制系统可以实现资源共享、安装和维护简单、具有较高的容错能力和故障诊断能力、可靠性高等优点,因而受到了越来越多的关注。然而,将网络引入控制系统不可避免地带来数据包丢失、网络诱导时延、通信限制、多包传输、数据包时序错乱等挑战,这些挑战将会严重影响系统性能并可能导致系统崩溃。同时,经由网络传输的受控对象采样状态和控制输入不可避免地受到外部扰动的影响,研究如何去除外部扰动的负面影响具有非常重要的意义。H∞性能分析是去除外部扰动负面影响的一个不错选择,近年来,H∞性能分析问题得到越来越多的关注。在具有外部扰动的网络控制系统中,考虑以上网络诱导特性的基础上,通过合理地设计控制器来优化网络控制系统H∞性能具有十分重要的理论意义和研究价值。在总结前人研究工作的基础上,本论文针对网络控制系统中的网络诱导时延和数据包丢失现象,提出了具有非均匀分布时延的离散时间网络控制系统控制器设计方法。针对网络带宽限制导致采集的数据长度超过网络容许的最大数据包长度的问题,提出了具有非均匀分布时延及丢包的多包传输网络控制系统控制器设计方法。建立了基于通信信道共享的连续时间网络控制系统模型,为补偿网络诱导时延和丢包所导致的负面影响,提出了新的控制器设计方法。建立了一种同时考虑传感器到控制器通信信道存在时延和丢包,控制器到执行器存在时延的动态输出反馈网络控制系统的增广闭环模型,该模型解决了连续时间动态输出反馈控制的建模问题,基于该模型给出了网络控制系统动态输出反馈控制器设计方法。考虑传感器到控制器通信信道存在时延和丢包,控制器到执行器存在时延的连续时间网络控制系统,提出了基于观测器的控制器设计方法。本文的主要工作包括:研究了一种同时存在丢包和非均匀分布时延的离散时间网络控制系统的控制器设计问题。通过构造具有丢包和非均匀分布时延的离散时间网络控制系统模型,提出新的Lyapunov泛函并利用线性矩阵不等式方法,给出了网络控制系统H∞控制器设计方法。不同于现有文献中将时延中点作为时延分界点的方法,给出了时延分界点优化选取算法,优化了系统性能。针对传感器到控制器通信信道和控制器到执行器通信信道中分别存在非均匀分布时延和丢包的网络控制系统,建立了两种基于多包传输的连续时间系统模型。基于建立的模型,利用Jensen不等式,给出了具有非均匀分布时延和丢包的多包传输网络控制系统镇定控制器设计准则。研究了基于双通信信道共享的连续时间网络控制系统的控制器设计问题。通过引入基于双通信信道共享的补偿方法,建立了一种在一个更新周期可收到多个控制输入的网络控制系统模型。基于该模型,给出了一种有效的控制器设计准则,优化了系统的H∞性能。即使对于未采用时延和丢包补偿的网络控制系统,提出的控制器设计准则依然可行。给出了线性连续时间网络控制系统动态输出反馈控制器设计准则。考虑传感器到控制器通信信道存在时延和丢包,控制器到执行器通信信道存在时延,且控制器为时钟驱动的情况,建立了一种新的动态输出反馈控制网络控制系统增广闭环模型。通过把控制器是否将同一时刻采集的系统量测输出作为控制器输入定义为一个事件,并考虑该事件的非均匀分布特性,定义新的Lyapunov泛函并引入线性估计方法补偿网络时延,给出了动态输出反馈控制器的设计方法。研究了基于观测器的线性连续时间网络控制系统控制器设计问题。针对传感器到控制器通信信道存在时延和丢包,控制器到执行器通信信道存在时延的网络控制系统,考虑量测输出到达时刻的非均匀分布特性,建立了基于观测器的增广闭环网络控制系统模型。为减少由于量测输出等待而产生的保守性,引入基于线性估计的量测输出估计方法,通过定义新的Lyapunov泛函,给出了基于观测器的控制器的设计方法。
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