網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延、丟包與錯序問題研究.pdf

1、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(Networked Control System，簡稱NCS)是一種集通信網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)于一體的全分布式、網(wǎng)絡化實時反饋控制系統(tǒng)，其所有信息在傳感器、控制器和執(zhí)行器之間的交換都是通過網(wǎng)絡進行的。相對于傳統(tǒng)點對點的連接方式，網(wǎng)絡化控制模式的引入有很多優(yōu)點，如低成本，重量輕，易于安裝和維護，具有高可靠性和靈活性等。目前，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)已被廣泛用于多個領域，如交通系統(tǒng)、航天系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等等。但是，網(wǎng)絡傳輸?shù)慕槿胍矔?/p>

2、一些新的問題，如網(wǎng)絡時延、數(shù)據(jù)丟包和數(shù)據(jù)包錯序等。本文針對這些網(wǎng)絡問題，運用積分不等式法、基于模型法、線性估計法和預測法，研究網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并設計穩(wěn)定化的控制器，以減少這些網(wǎng)絡因素造成的影響。主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　 (1)研究具有時變時延的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與狀態(tài)反饋控制器設計。首先，運用牛頓萊布尼茲公式對已有的積分不等式進行改進，并給出時滯系統(tǒng)穩(wěn)定的充分判據(jù)和控制器設計方法。然后，將所得結(jié)果運用到具有時變時延的

3、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，根據(jù)網(wǎng)絡誘導時延的不同特性，分類建立區(qū)間時延系統(tǒng)，結(jié)合凸組合理論給出了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充分性判據(jù)和控制器設計策略。最后，通過數(shù)值仿真證明本文方法的有效性。
　　 (2)研究具有隨機Markov丟包網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與狀態(tài)反饋控制器設計。針對具有短時延和隨機Markov丟包的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，運用切換Lyapunov函數(shù)法設計了依賴于丟包數(shù)的可調(diào)控制器。然后，針對僅在網(wǎng)絡反饋傳輸通道中存在數(shù)據(jù)丟包的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，運

4、用模型對丟失的數(shù)據(jù)信息進行估計，根據(jù)丟包的不同可能性建立切換系統(tǒng)模型，再運用切換Lyapunov函數(shù)法研究任意丟包模式和隨機Markov丟包模式影響下網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出依賴于丟包數(shù)的控制器設計方法。當信號傳輸中發(fā)生數(shù)據(jù)丟包時，不同于零階保持器(ZOH)使用上一個成功傳送的數(shù)據(jù)信號，模型將對丟失的數(shù)據(jù)包進行動態(tài)補償，從而減小數(shù)據(jù)丟包對網(wǎng)絡的影響。
　　 (3)研究具有網(wǎng)絡長時延和數(shù)據(jù)丟包的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和H∞控制器

5、設計。運用線性估計法對發(fā)生時延和丟包的數(shù)據(jù)信號進行補償，再根據(jù)時延發(fā)生的不同長短分類建立切換系統(tǒng)模型。選取相應的切換Lyapunov函數(shù)，結(jié)合錐補線性化(CCL)給出了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分性判據(jù)和H∞控制器設計方法。文章考慮了時延發(fā)生的各種情形（一個周期內(nèi)、一個周期到兩個周期內(nèi)、兩個周期到三個周期內(nèi)…），運用依賴于丟包數(shù)的線性估計法對丟失的數(shù)據(jù)包進行補償，使系統(tǒng)穩(wěn)定，具有較好的H∞干擾抑制能力。
　　 (4)研究具有網(wǎng)絡時延和錯序

6、的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和H∞輸出跟蹤控制器設計。首先，針對具有網(wǎng)絡時延和錯序的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，研究時延和錯序的關(guān)系，根據(jù)建立的多時延參數(shù)不確定性網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模型，分析錯序網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和H∞控制。然后，運用在控制器端添加預測補償器的方法，對時延和錯序影響下無法準時到達的數(shù)據(jù)信號進行預測補償，并根據(jù)相鄰預測數(shù)的三種不同情形建立切換系統(tǒng)模型。運用切換Lyapunov函數(shù)法，給出了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分性判據(jù)和H∞輸出跟蹤控制器設計方法。由于預