網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定與濾波.pdf

1、在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中,通常對象和控制器通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,該網(wǎng)絡(luò)可能同時也為其他應(yīng)用提供信息傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低,重量輕,可靠性高,易于安裝維護(hù)等。因此,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用,如移動傳感器網(wǎng)絡(luò)、制造系統(tǒng)、遙操作機(jī)器人、航天系統(tǒng)等等?？墒?引入網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)一些新問題:例如網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟包和信號量化等。本文主要針對存在網(wǎng)絡(luò)時延和(或)數(shù)據(jù)丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),對它的分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討和研究。
　　

2、研究了具有隨機(jī)丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可鎮(zhèn)定性和可檢測性問題,其中隨機(jī)丟包建模為當(dāng)前常用的獨(dú)立同分布伯努利序列。考慮了兩種常用補(bǔ)償丟失信號的方法:用“零信號”和用“最新收到的信號”。首先討論了用“零信號”的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),給出了此類網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可鎮(zhèn)定的幾個充要條件。并提出了可鎮(zhèn)定程度的概念,它有助于進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)傳輸概率與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可鎮(zhèn)定性之間的關(guān)系。由于鎮(zhèn)定和檢測之間的對偶性,這些結(jié)果或概念可方便地推廣到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可檢測問題。對于單

3、輸入單輸出(SISO)系統(tǒng),給出了保證系統(tǒng)可鎮(zhèn)定或可檢測所需要的最小網(wǎng)絡(luò)傳輸概率的解析結(jié)果,結(jié)果表明鎮(zhèn)定或檢測同一個(SISO)系統(tǒng),所需要的最小傳輸概率相等,并且最小傳輸概率只與被控對象的不穩(wěn)定極點(diǎn)有關(guān)。從理論上證明了最小傳輸概率與系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度呈嚴(yán)格的正相關(guān),即系統(tǒng)越不穩(wěn)定,鎮(zhèn)定或觀測它所需要的傳輸概率越大。隨后給出了用“最新收到的信號”的SISO網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可鎮(zhèn)定的必要條件。從理論上證明了,用“最新收到的信號”補(bǔ)償丟包對系統(tǒng)穩(wěn)定

4、性的影響不比用“零信號”的效果更好。另外,研究了基于狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器在網(wǎng)絡(luò)中最佳位置設(shè)定問題。當(dāng)這類控制器配置在最佳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上時,通過選擇適當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù),可以使閉環(huán)系統(tǒng)在保證穩(wěn)定的情況下,能容忍的整個網(wǎng)絡(luò)的丟包率最大。通過仿真例子驗(yàn)證了所提結(jié)果的有效性。
　　 對同時存在網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)包丟失的離散時間網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,提出了新的時延相關(guān)的穩(wěn)定判據(jù)。與現(xiàn)有的一些結(jié)果相比,本文提出的穩(wěn)定判據(jù)主要優(yōu)點(diǎn)是具有較低

5、的保守性,這主要是在推導(dǎo)過程中利用了凸集上凸函數(shù)的性質(zhì),不需要像現(xiàn)有一些方法那樣把時變時延和其上下界的差同時放大為時延的上下界之差,因此減少了保守性的引入。本交通過理論證明和例子比較都驗(yàn)證了所提穩(wěn)定判據(jù)的優(yōu)越性。在提出的穩(wěn)定判據(jù)基礎(chǔ)上,還給出了狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)方法。并對當(dāng)前求解控制器常用的CCL算法提出了改進(jìn)。最后,通過仿真示例驗(yàn)證了所提出的控制器設(shè)計(jì)方法也具有較低的保守性。
　　 對于同時存在網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)包丟失的離散時間

6、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制方法。和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制方法相比,本文提出網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制方法具有如下優(yōu)點(diǎn):本文方法能同時有效補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時延和隨機(jī)丟包的影響,利用本文方法所得到的閉環(huán)系統(tǒng)可鎮(zhèn)定的條件大大降低；實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)反饋控制器和狀態(tài)預(yù)測器滿足分離原理,從而可以方便地設(shè)計(jì)保閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器。通過理論證明和仿真例子驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。
　　 考慮了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的H∞濾波問題。在這種情形下,系統(tǒng)的測量信號通過存

7、在隨機(jī)時延的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖V波器,濾波器通過受到網(wǎng)絡(luò)時延的測量信號估計(jì)系統(tǒng)的被估輸出,這里隨機(jī)時延滿足獨(dú)立同分布的伯努利序列。首先提出了一種新的濾波誤差系統(tǒng)表示形式,其優(yōu)點(diǎn)是把具有時滯狀態(tài)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為無時滯的隨機(jī)參數(shù)系統(tǒng),從而避免利用Lyapunov-Krasovskii泛函推導(dǎo)系統(tǒng)的H∞濾波性能,減少了保守性的引入,并且證明了提出的性能分析判據(jù)比現(xiàn)有的結(jié)果保守性低。在濾波器的設(shè)計(jì)方法上,提出了一種新的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,從理論上和例子對比都驗(yàn)