通訊約束下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)跟蹤性能極限研究.pdf

1、隨著計算機(jī)、電子和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)指的是將分布于不同地理位置的傳感器、控制器和執(zhí)行器等設(shè)備通過一個有限帶寬的數(shù)字通信網(wǎng)連接起來,形成的一種空間分布實時反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的成本高、可靠性差、故障診斷和維護(hù)難等諸多弊端,并由于具有信息資源能夠資源共享、易于維護(hù)與擴(kuò)展、高可靠性、高效率和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點,在工業(yè)自動化、分布式移動通信和無人機(jī)等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
　　

2、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能,一直是控制領(lǐng)域備受關(guān)注的兩大重要課題。穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的前提,而控制系統(tǒng)性能極限研究的是在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,設(shè)計控制器使得系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。目前相關(guān)研究成果揭示出控制系統(tǒng)的跟蹤性能極限由參考輸入信號和被控對象的本質(zhì)特征共同決定。然而由于網(wǎng)絡(luò)的引入,使得基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng),即網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能極限的研究,面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。本文正是基于此研究通訊約束下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)跟蹤性能極限問題,全文的研究內(nèi)容歸納如

3、下:
　　研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在信道輸入能量約束,以及輸入擾動和高斯噪聲影響下的跟蹤性能極限。得到了系統(tǒng)跟蹤性能極限的精確表達(dá)式。研究結(jié)果表明,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的跟蹤性能極限與被控對象的本質(zhì)特征如非最小相位零點和不穩(wěn)定極點的位置與方向密切相關(guān),并揭示了輸入擾動和高斯白噪聲在一定程度上會惡化系統(tǒng)的跟蹤性能,而信道允許輸入的信號能量越大,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)跟蹤性能越好。
　　研究了數(shù)據(jù)丟包影響下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的跟蹤性能極限。基于二進(jìn)制隨機(jī)過

4、程對數(shù)據(jù)丟包進(jìn)行建模,分別采用單位反饋和雙自由度控制結(jié)構(gòu),得到了系統(tǒng)跟蹤性能的一個下確界和一個精確表達(dá)式。研究結(jié)果揭示了雙自由度控制結(jié)構(gòu)相對于單位反饋控制可在一定程度上消除噪聲等因素對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)跟蹤性能的影響;而數(shù)據(jù)丟包的頻繁發(fā)生,即隨著數(shù)據(jù)丟包概率的增大,系統(tǒng)的跟蹤性能將急劇惡化,嚴(yán)重時會使系統(tǒng)失穩(wěn)。
　　研究了基于編碼-解碼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)跟蹤性能極限。基于通信網(wǎng)絡(luò)中編碼-解碼存在的不同位置(反饋通道或前饋通道),采用雙自

5、由度控制結(jié)構(gòu),跟蹤給定的隨機(jī)參考輸入信號。研究結(jié)果表明系統(tǒng)的跟蹤性能與被控對象的非最小相位零點、不穩(wěn)定極點的位置和方向相關(guān)外,還與編碼器-解碼器的本質(zhì)屬性相關(guān),揭示出編碼器-解碼器的設(shè)計可以在一定程度上提高系統(tǒng)的跟蹤性能。
　　研究了離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在信道輸入能量約束下的跟蹤性能極限,以及在控制能量約束下的調(diào)節(jié)性能極限。提出了新的優(yōu)化性能指標(biāo),基于不等式約束的最優(yōu)化方法,得到了跟蹤性能的下界以及調(diào)節(jié)性能的精確表達(dá)式確定了信道輸入能

6、量約束下達(dá)到跟蹤性能極限,以及控制能量約束下達(dá)到調(diào)節(jié)性能極限的控制器設(shè)計方法。
　　研究了數(shù)據(jù)丟包、輸入擾動和高斯噪聲影響下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于傳遞函數(shù)矩陣的全通分解、控制器的Youla參數(shù)化和不等式約束的最優(yōu)化方法,得到了保證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的信噪比的最小值的表達(dá)式。研究結(jié)果定量地揭示出非最小相位零點和不穩(wěn)定極點對信噪比性能的影響。所得結(jié)果從另一方面理解為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定時,通信基本參量(信噪比等)和通信誘導(dǎo)參量(數(shù)據(jù)丟

7、包等)之間的關(guān)系,從而可為通信信道的設(shè)計提供指導(dǎo)。
　　針對非方陣型被控對象,以及輸入擾動和高斯噪聲影響下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)跟蹤性能極限進(jìn)行了研究。確定了基于非方陣型被控對象的控制器Youla參數(shù)化形式,采用內(nèi)外分解技術(shù),得到了系統(tǒng)跟蹤性能的精確表達(dá)式,并揭示出當(dāng)被控對象中非最小相位零點和不穩(wěn)定極點的位置充分接近時,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的跟蹤性能急劇下降。
　　最后對全文進(jìn)行了歸納總結(jié),并對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能極限的研究和發(fā)展方向進(jìn)行了展望