基于LMI技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中,通過網(wǎng)絡(luò)連接傳感器、控制器與執(zhí)行器而形成的閉環(huán)系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有可以實現(xiàn)資源共享、具有較高的容錯與故障診斷能力、安裝與維護(hù)簡單、能有效減少系統(tǒng)的體積、增加系統(tǒng)的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
　　 與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn),但是網(wǎng)絡(luò)的引入也會給系統(tǒng)分析與設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn),如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包時序錯亂、多包傳輸、通信限制、時變采樣周期等。

2、現(xiàn)有文獻(xiàn)中的結(jié)果主要考慮具有時延及丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析,控制器設(shè)計等問題,通過合理的設(shè)計控制器并采用合適的時延及丟包補(bǔ)償方案來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)H∞性能的問題并未得到充分考慮。
　　 本論文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時延及丟包現(xiàn)象,提出了主動變采樣周期方法以充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬,與基于常數(shù)采樣周期的方法相比,該方法既可以保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的充分利用又可以減小發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。提出了時延切換的方法來處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)

3、時變時延,并通過理論推導(dǎo)證明了時延切換的方法比基于參數(shù)不確定性的方法具有更小的保守性;提出了時延切換與參數(shù)不確定性相結(jié)合的方法,該方法的計算量比時延切換方法要小,而保守性比基于參數(shù)不確定性的方法要小。改進(jìn)了現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于預(yù)測控制的方法以補(bǔ)償時延及丟包的負(fù)面影響,改進(jìn)后的方法可有效減小預(yù)測誤差的負(fù)面影響;提出了基于線性估計的方法及基于多通信通道共享的方法來補(bǔ)償時延及丟包的負(fù)面影響,與不考慮補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ啾?可在較大程度上改善系統(tǒng)性能;研究了

4、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能優(yōu)化及控制器設(shè)計問題,即使存在外部擾動,所設(shè)計的控制器仍可以保證系統(tǒng)有較好的跟蹤性能。下面詳細(xì)介紹本文的主要工作。
　　 第一、二章系統(tǒng)地分析和總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)這一前沿研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及研究方法,并給出了與本文相關(guān)的一些預(yù)備知識。
　　 第三章考慮具有被動時變采樣周期及主動變采樣周期網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及H∞控制器設(shè)計問題。對具有被動時變采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),考慮了時延大于一個采樣

5、周期且連續(xù)丟包數(shù)大于一個的情況,也考慮了執(zhí)行器在一個采樣周期內(nèi)收到兩個及兩個以上控制輸入的情況,而這兩種情況現(xiàn)有文獻(xiàn)中很少考慮。提出了一種主動變采樣周期方法,其核心是在網(wǎng)絡(luò)空閑時縮短采樣周期從而改善系統(tǒng)性能,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較大的時候延長采樣周期從而減少網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包的個數(shù)并相應(yīng)地減小發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。對具有被動時變及主動時變采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),首先給出了系統(tǒng)的模型,通過定義適當(dāng)?shù)腖yapunov函數(shù)并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化方法、線性矩陣不等

6、式方法、自由加權(quán)矩陣方法及Jensen不等式方法,給出了系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件并設(shè)計了系統(tǒng)的控制器。仿真結(jié)果表明,本章所提出的方法具有較小的保守性,同時計算復(fù)雜性也比較小(由于Jensen不等式的采用)。
　　 第四章采用時延切換方法及時延切換與參數(shù)不確定性相結(jié)合的方法處理網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的隨機(jī)時延?？紤]到現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于參數(shù)不確定性的方法具有較大保守性,本章提出了時延切換的方法來處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延,并通過理論推導(dǎo)證明了時延切換的方法

7、比基于參數(shù)不確定性的方法具有更小的保守性?？紤]到時延切換方法會增大計算量,本章又提出了時延切換與參數(shù)不確定性相結(jié)合的方法,該方法的計算量比時延切換方法要小,而保守性比基于參數(shù)不確定性的方法要小。由于上一章中提出的主動變采樣周期方法不能避免采樣周期的頻繁切換,本章提出了一個改進(jìn)的主動變采樣周期方法,該方法既可以保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的充分利用又可以避免采樣周期的頻繁切換。
　　 第五章采用預(yù)測控制與基于線性估計的方法來補(bǔ)償時延及丟包的負(fù)面影

8、響,研究了線性時不變系統(tǒng)的H∞性能優(yōu)化及狀態(tài)反饋控制器設(shè)計問題。對基于預(yù)測控制的補(bǔ)償方法而言,在為系統(tǒng)選擇控制輸入時,本文充分考慮了網(wǎng)絡(luò)時延的大小:如果某個控制輸入的傳輸時延小于一個給定的閾值,則使用該控制輸入,如果時延大于該閾值,則使用預(yù)測的控制輸入,這樣可以有效減小預(yù)測誤差的負(fù)面影響。提出了一個新的基于線性估計的方法來補(bǔ)償時延及丟包的負(fù)面影響,與基于預(yù)測控制的補(bǔ)償方法相比,由于該方法無需提前p步估計控制輸入并發(fā)送到執(zhí)行器,因而可以有

9、效地減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。基于以上兩種補(bǔ)償方法,本章給出了兩個新的系統(tǒng)模型,并利用線性矩陣不等式方法給出了系統(tǒng)的H∞控制器設(shè)計方法。仿真例子驗證了所提出的補(bǔ)償方法的優(yōu)越性。
　　 第六章提出一個基于多通信通道共享的方法來補(bǔ)償時延及丟包的負(fù)面影響,研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞性能優(yōu)化及控制器設(shè)計問題。與基于單通信通道的方法相比,對空閑通信通道的共享可以補(bǔ)償時延及丟包的負(fù)面影響,而且不會增加系統(tǒng)的硬件成本。與基于預(yù)測控制或估計的補(bǔ)償方法相比,基

10、于多通信通道共享的方法可以避免預(yù)測誤差或估計誤差可能給系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響。通過定義合適的Lyapunov函數(shù)并結(jié)合線性矩陣不等式方法,研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的風(fēng)控制器設(shè)計及H∞性能優(yōu)化問題。由于在設(shè)計過程中避免了對向量交叉積的放大,因而本章的結(jié)果具有較小的保守性,而仿真例子也驗證了這一點(diǎn)。
　　 第七章研究了具有時延及丟包的離散化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能優(yōu)化及控制器設(shè)計問題。利用基于線性矩陣不等式的方法及離散Jensen不等式

11、,研究了具有常數(shù)采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能優(yōu)化及控制器設(shè)計。對于具有時變采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),采用多目標(biāo)優(yōu)化方法來優(yōu)化系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能,并相應(yīng)的給出了控制器設(shè)計方法。由于采用了離散Jensen不等式,本章所提出的H∞輸出跟蹤控制器設(shè)計方法比基于自由加權(quán)矩陣的方法具有更小的計算復(fù)雜性。即使存在外部擾動,所設(shè)計的控制器仍可以保證受控對象的輸出漸進(jìn)跟蹤給定的參考模型的輸出,數(shù)值例子進(jìn)一步驗證了這一點(diǎn)。
　　 最后