网络控制系统的比例积分输出反馈控制器设计

论文摘要

网络控制系统是通过传感器与控制器,控制器与执行器之间的网络形成闭环的反馈控制系统,是一种分布式的控制系统,它的主要特征是通过网络中的节点(传感器、控制器和执行器)交换信息。现代工业和商业系统的发展就是将计算机、通讯和控制与机器设备和信息结合的过程,网络的发展提高了应用的效率、灵活性和可依赖性,降低了系统的安装、重构和成本。因此,网络机制在网络控制系统的稳定和性能上都起到了很大的作用。网络控制系统具有资源共享、降低系统成本、使用灵活、易于维护等优点,但同时网络传输也会产生时间延迟、数据包丢失等问题。这不仅给网络控制系统的分析带来了困难,而且使得许多传统的控制理论不能直接应用到网络控制系统的设计当中。首先,本文简要介绍了网络控制系统的概念、特点及其国内外研究现状,分析了本文所关注的网络控制系统中的基本问题。第二,研究了网络控制系统的建模问题,给出了在各种情况下网络控制系统的数学模型,然后选取时延小于一个采样周期,单包传输并且带有数据包丢失的数学模型为主要研究对象。第三,研究了网络控制系统分别在短时延和存在数据包丢失情况下的稳定性,主要研究的是只在传感器与控制器之间存在数据包丢失的模型的稳定性问题。第四,利用估计器构造出一个与原来被控对象相近似的被控对象,以达到可以设计控制器的目的,然后给出了一种同时考虑时延和数据包丢失的网络控制系统模型,并给出了解决方案。第五,针对一类传感器与控制器,控制器与执行器之间均存在时延和数据包丢失的网络控制系统,在比例积分输出反馈控制下将系统建模为具有结构事件率约束的异步动态系统,利用Lyapunov稳定性理论分别研究了在定常时延和时变时延下的网络控制系统的指数稳定性条件,并通过线性矩阵不等式的方法给出了控制器的设计问题。最后,对本文的主要贡献进行了总结,指出了网络控制系统有待进一步研究的问题。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 网络控制系统的研究背景
• 1.2 网络控制系统的研究现状
• 1.3 PID控制的研究背景
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 网络控制系统的模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 不同驱动方式下网络控制系统的建模
• 2.2.1 控制器节点与执行器节点均为时间驱动
• 2.2.2 控制器节点为时间驱动,执行器节点为事件驱动
• 2.2.3 控制器节点为事件驱动,执行器节点为时间驱动
• 2.2.4 控制器节点与执行器节点均为事件驱动
• 2.3 存在数据包丢失的网络控制系统的建模
• 2.3.1 仅存在数据包丢失的网络控制系统的建模
• 2.3.2 存在时延的数据包丢失的网络控制系统的建模
• 2.4 小结
• 第3章 网络控制系统的稳定性分析
• 3.1 存在时延的网络控制系统的稳定性
• 3.1.1 一类定常短时延的网络控制系统的稳定性
• 3.1.2 一类时变短时延的网络控制系统的稳定性
• 3.2 存在数据包丢失的网络控制系统的稳定性
• 3.3 小结
• 第4章 网络控制系统中时延补偿的研究
• 4.1 引言
• 4.2 延迟补偿方法分析
• 4.2.1 利用系统状态进行估计
• 4.2.2 利用系统输出进行估计
• 4.3 带有丢包的网络控制系统的补偿器设计思路
• 4.4 小结
• 第5章 网络控制系统的比例积分输出反馈控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 模型建立
• 5.3 稳定性分析
• 5.4 控制器设计
• 5.5 数值例子
• 5.6 小结
• 第6章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果