若干类网络控制系统稳定性分析及控制器设计

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通过网络构成闭环的反馈控制系统称为网络控制系统。这种网络化的控制模式与传统的点对点连接的控制结构相比,避免了节点间专线的敷设,方便安装与维护,提高系统的诊断能力、增加系统的灵活性和可靠性,并能够实现远程控制,使系统资源通过网络实现共享。目前,网络控制系统已在工业制造、交通系统、电力、无人飞行器等领域获得了广泛的应用。但是网络的引入同时也产生了一些新问题,如:网络时延、数据丢失等。这些问题将不可避免地影响系统的性能,甚至使系统失稳。因此,网络控制系统的分析与设计问题变得非常复杂,网络控制系统已成为控制领域研究的热点之一。本文对存在时延和数据包丢失等因素影响的若干类网络控制系统的稳定性分析及控制器设计等问题进行了深入的研究。利用Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式方法,给出了网络因素影响下的闭环系统稳定条件和控制器设计方法。本文的主要研究成果包括以下几个方面:研究了具有时延和数据包随机丢失的网络控制系统的状态反馈控制问题,将系统建模为一类含有服从伯努利分布的随机变量的控制系统,给出了使闭环系统指数均方稳定的状态反馈控制器存在的充分条件和设计方法。并在此基础之上,分别研究了网络控制系统的H∞控制和保性能控制。所给出的实例仿真说明了所用方法的有效性。针对具有网络时延的网络控制系统,假设传感器由时间驱动,控制器和执行器由事件驱动,设计了基于观测器的状态反馈控制器。所得到的基于观测器的控制器对系统矩阵不要求可逆。实例仿真说明了所用方法的有效性及优越性。对于一类非线性网络控制系统,假设网络只存在于传感器节点和控制器节点之间,在网络环境和传感器故障环境下,设计了观测器,建立了基于观测器的闭环网络控制系统模型,利用Lyapunov稳定理论,及线性矩阵不等式方法并结合自由权矩阵,给出了使闭环系统渐近稳定的充分条件,及观测器和容错控制器协同设计方法。所给出的实例仿真说明了所用方法是有效的及可行的。对于一类正则、无脉冲和线性定常的广义被控对象,研究了网络控制系统的H∞动态输出反馈控制问题。利用Lyapunov和线性矩阵不等式方法,给出了网络控制系统的动态输出反馈H∞控制律存在的充分条件及设计方法。实例仿真说明了所用方法的有效性。把具有时延和马尔科夫丢包特性的网络控制系统建模为具有两个运行模式的马尔科夫线性跳变系统,在不改变系统结构的前提下,给出了闭环系统随机稳定的充分条件及模式依赖的控制器的设计方法。实例仿真说明了所用方法是有效的。最后对全文作出总结,并提出了下一步研究的方向。
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