網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和鎮(zhèn)定策略.pdf

1、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(NCSs)是指通過網(wǎng)絡形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。與基于點對點結構的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，NCSs具有減少電纜使用、便于安裝、調(diào)試、維護和管理等諸多優(yōu)點，特別是互聯(lián)網(wǎng)的普及，隨著各種移動通訊設備接入互聯(lián)網(wǎng)，操作人員可在現(xiàn)場之外，不受時間和空間限制，通過NCSs實現(xiàn)各種遠程控制功能。但是由于NCSs采用分時復用的數(shù)據(jù)傳輸機制，同時也帶來了一些新問題，如時延、丟包、時鐘同步和數(shù)據(jù)包亂序等。這些問題導致傳統(tǒng)控制理論應用的前提——“同步控

2、制、無時延采樣和執(zhí)行”無法滿足。為了科學地分析和綜合NCSs，必須完善和發(fā)展現(xiàn)有控制理論。本文針對具有時變、有界時延和丟包的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，研究了它的穩(wěn)定性分析、控制器設計和魯棒控制等方面的內(nèi)容。
　　為了掌握時延和丟包的典型特征，分析了數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點間傳輸時網(wǎng)絡時延的組成、產(chǎn)生原因以及影響因素等方面內(nèi)容，進而討論了閉環(huán)回路時延和丟包的組成。給出了最大時延上界(MDB)和最大允許時延上界(MADB)這兩個基本概念的明確定義，其中后者

3、是用于評價時滯系統(tǒng)保守性的重要標準。運用線性離散系統(tǒng)理論，用實例分析了具有時延和丟包NCSs的動態(tài)性能，并利用MATLAB/Simulink軟件進行仿真，得到了階躍響應曲線，通過計算和仿真結果的對比，定性地討論了傳輸時延和丟包對控制性能的不同影響，提出了時延比丟包具有更大危害性的觀點。
　　假設傳感器采用時鐘驅動，控制器和執(zhí)行器采用事件驅動，通過引入輸入時延的概念，將具有隨機、有界傳輸時延和丟包的NCSs建模為連續(xù)時間時滯系統(tǒng)模型

4、，并利用Lyapunov-Krasovskii定理推導出具有LMI形式的NCSs漸近穩(wěn)定判據(jù)和控制器設計算法。不同于已有文獻中基于形如牛頓-萊布尼茨公式或系統(tǒng)狀態(tài)方程的零等式的自由權矩陣方法，本文通過引入帶約束的自由權矩陣來消除在計算李雅普諾夫范函導數(shù)時產(chǎn)生的積分項，增加了自由權矩陣個數(shù)，從而使計算結果的保守性得到明顯改善。另外，本文還進一步糾正了在大多數(shù)同類文獻中舍棄李亞普諾夫泛函導數(shù)的某個非正積分交叉項的做法，通過合理的上限約束技術

5、，即利用帶約束的自由權矩陣消除該交叉項，顯著減小了系統(tǒng)保守性。
　　建模誤差和噪聲干擾等因素導致模型不確定性在控制系統(tǒng)中廣泛存在，因此有必要研究系統(tǒng)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的魯棒控制問題。假設系統(tǒng)具有范數(shù)有界型不確定性，利用Lyapunov-Krasovskii定理得出具有隨機、有界時延和丟包的NCSs狀態(tài)反饋魯棒漸近穩(wěn)定判據(jù)和鎮(zhèn)定算法。同時，由于大多數(shù)控制系統(tǒng)的狀態(tài)無法全部測量，采用輸出反饋控制器的NCSs更具有一般性

6、，因此本文還研究了NCSs輸出反饋魯棒穩(wěn)定和鎮(zhèn)定問題?，F(xiàn)有文獻一般先得到狀態(tài)反饋結論，并通過將輸出方程代入狀態(tài)反饋穩(wěn)定判據(jù)，從而得到輸出反饋結論，無法進一步得出具有LMI形式的保守性較小的鎮(zhèn)定算法。本文采取了截然不同的做法，將輸出向量表示為受到輸出方程約束的獨立變量，推導出具有LMI形式的控制器設計算法，可利用MATLAB軟件的LMI工具箱進行求解?？紤]到上述結果均以系統(tǒng)穩(wěn)定性為設計目標，而很多控制系統(tǒng)除了要求穩(wěn)定性之外，還需要達到一定

7、的性能指標，因此本文針對具有參數(shù)不確定性和外部擾動的NCSs，提出了輸出反饋H∞控制器的設計方法，使系統(tǒng)能夠滿足抑制一定擾動的要求。
　　為了進一步減小系統(tǒng)保守性，假設傳感器和執(zhí)行器采用時鐘驅動、控制器采用事件驅動，將具有隨機、有界時延和丟包的NCSs建模為離散時間時滯系統(tǒng)模型。在構造李亞普諾夫泛函時，通過增加帶時延下限參數(shù)的子項，推導出與輸入時延上下限分別相關的漸近穩(wěn)定條件和鎮(zhèn)定算法，由于時延下限大于零時，會相應地縮小輸入時延的

8、變化范圍，因此這里得到的結論可以在一定程度上改善保守性。另外，對于具有時延和丟包NCSs的分析和綜合問題，現(xiàn)有文獻都采取了將時延和丟包簡單疊加后轉變?yōu)檩斎霑r延的做法，沒有區(qū)分兩者對系統(tǒng)性能的不同影響，因而保守性比較大。本文通過分析丟包數(shù)的變化規(guī)律，得出連續(xù)丟包數(shù)具有遞增的數(shù)學特性，然后根據(jù)該性質構造了全新的帶最大丟包數(shù)參數(shù)的李亞普諾夫泛函子項，推導出與傳輸時延和連續(xù)丟包數(shù)分別相關的漸近穩(wěn)定條件和鎮(zhèn)定算法，通過實例仿真可知，系統(tǒng)保守性得到