基于混雜系統(tǒng)理論的網絡化控制分析與設計.pdf

1、隨著計算機網絡技術的快速發(fā)展，以網絡為傳輸介質的網絡化控制系統(tǒng)已成為控制系統(tǒng)的一個很重要的發(fā)展方向。網絡化控制系統(tǒng)是一種基于網絡的分布式控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)點到點的控制系統(tǒng)相比，具有共享信息方便、布線少、易于系統(tǒng)維護和擴展等優(yōu)點。然而，網絡的引入也給控制系統(tǒng)的分析和設計帶來了新的挑戰(zhàn)。在網絡化控制系統(tǒng)領域，雖然目前已經取得了一些重要的研究成果，但是仍然存在很多問題亟待解決。本文主要是運用異步動態(tài)系統(tǒng)和切換系統(tǒng)等混雜系統(tǒng)理論分別從考慮調制的網

2、絡化控制系統(tǒng)、帶有介質接入約束的網絡化控制系統(tǒng)和基于模型的網絡化控制系統(tǒng)等方面開展研究的，取得的研究成果如下:
　　(1)針對考慮調制的網絡化控制系統(tǒng)，提出了將誤碼率考慮為丟包率的策略，填補了目前網絡化控制系統(tǒng)領域處理調制信號錯碼問題的空白。文中分別從二進制調制和多進制調制的角度進行了研究:對于較為簡單的二進制調制，將帶有常時延和錯碼的網絡化控制系統(tǒng)建模為一個異步動態(tài)系統(tǒng)，借助Lyapunov穩(wěn)定性理論進行了穩(wěn)定性分析和狀態(tài)反饋控

3、制器參數(shù)的設計，并得到了使帶有二進制調制的網絡化控制系統(tǒng)穩(wěn)定的誤碼率定理;對于較為實用卻更加復雜的多進制調制，將帶有常時延和錯碼的網絡化控制系統(tǒng)建模為一個異步動態(tài)系統(tǒng)，借助Lyapunov理論進行了穩(wěn)定性分析和動態(tài)輸出反饋控制器的設計，得到了使帶有多進制調制的網絡化控制系統(tǒng)穩(wěn)定的誤碼率定理，并給出了多進制調制的進制選擇定理。
　　(2)針對帶有介質接入約束的網絡化控制系統(tǒng)，首次提出了控制與調度耦合設計的概念，并在分析現(xiàn)有文獻中基于

4、通信序列和最大誤差優(yōu)先-嘗試一次丟棄的控制與調度耦合設計方法的基礎上，提出了基于系統(tǒng)理想動態(tài)的類最小二乘調度策略。在將不含時延的系統(tǒng)的理想動態(tài)嵌入到調度器后，在每個采樣周期內，將當前狀態(tài)與理想動態(tài)的狀態(tài)進行比較，具有較大偏差的狀態(tài)優(yōu)先獲得接入網絡的權限，有效地降低了系統(tǒng)分析和設計的保守性。在所提出的類最小二乘調度算法的基礎上，將含有隨機短時延和介質接入約束的網絡化控制系統(tǒng)建模為一個切換系統(tǒng)，借助切換系統(tǒng)理論和Lyapunov穩(wěn)定性理論進

5、行了類最小二乘調度與控制的耦合設計。此外，進一步改進了所提出的類最小二乘調度算法，將含有時延的理想動態(tài)代替了不含時延的理想動態(tài)，因含有時延的理想動態(tài)能更全面地反映真實的系統(tǒng)，因而改進后的調度策略具有更好的性能。
　　(3)針對用于節(jié)省帶寬的基于模型的網絡化控制系統(tǒng)方法，提出了用切換系統(tǒng)的平均駐留時間方法來進行分析和設計的策略，提高了系統(tǒng)分析和設計的靈活性。通過將基于模型的網絡化控制系統(tǒng)建模為切換系統(tǒng)，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論

6、和切換控制的平均駐留時間方法對基于模型的網絡化控制系統(tǒng)進行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和狀態(tài)反饋控制器的設計。此外，對現(xiàn)有文獻中帶有觀測器的基于模型的網絡化控制系統(tǒng)架構進行了改進，將觀測器由接入網絡前移到控制器中，這種改進不僅節(jié)省了設計成本還避免了因網絡丟包所造成的信號丟失的問題。在將帶有觀測器的基于模型的網絡化控制系統(tǒng)建模成切換系統(tǒng)后，運用Lyapunov穩(wěn)定性理論和切換控制的平均駐留時間方法對基于模型的網絡化控制系統(tǒng)進行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和控制器

7、與觀測器的設計。
　　(4)針對基于模型的網絡化控制系統(tǒng)，提出了用脈沖切換控制的平均駐留時間方法來進行分析和設計的策略，降低了系統(tǒng)分析和設計的保守性。通過分析網絡閉合時系統(tǒng)狀態(tài)存在躍變的現(xiàn)象，將基于模型的網絡化控制系統(tǒng)建模為脈沖切換系統(tǒng)，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論和脈沖切換控制的平均駐留時間方法對基于模型的網絡化控制系統(tǒng)進行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和狀態(tài)反饋控制器的設計。此外，在改進的帶有觀測器的基于模型的網絡化控制系統(tǒng)的基礎上，將帶

8、有觀測器的基于模型的網絡化控制系統(tǒng)建模成脈沖切換系統(tǒng)，運用Lyapunov穩(wěn)定性理論和脈沖切換控制的平均駐留時間方法對基于模型的網絡化控制系統(tǒng)進行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和控制器與觀測器的設計。
　　(5)針對基于模型的網絡化控制系統(tǒng)，提出了脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時間策略，進一步降低了系統(tǒng)分析和設計的保守性。在脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時間策略中，系統(tǒng)的平均駐留時間不僅依賴于系統(tǒng)的切換參數(shù)，還與系統(tǒng)的脈沖矩陣參數(shù)有關。

9、通過在脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時間策略下對基于模型的網絡化控制系統(tǒng)進行分析和設計，得到了使得系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的充分條件和狀態(tài)反饋控制器。此外，利用脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時間策略對帶有觀測器的基于模型的網絡化控制系統(tǒng)進行了分析和設計，給出了使得系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的充分條件和控制器與觀測器的設計。
　　論文通過Matlab和近似網絡環(huán)境的TrueTime工具箱對一些實例進行了數(shù)值仿真，驗證了文中所提出的方法的有效性。最后，