广义网络控制系统分析、建模与控制

论文摘要

随着计算机、网络和通信技术的飞跃发展，智能化传感器、执行机构和驱动设备的诞生奠定了网络控制系统(NCS，Networked Control Systems)的物质基础，高速以太网和现场总线技术的不断发展和成功应用解决了NCS的可靠性和开放性问题，推动了NCS的广泛应用。NCS充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势。然而，NCS不确定的数据传输会降低控制系统的性能甚至使系统失稳等问题亟待研究和解决。这篇博士论文针对两类控制对象：线性时不变正常被控对象和线性时不变广义(奇异)被控对象，考虑NCS中存在的网络诱导时延、数据包丢失和外部扰动等主要问题，以控制网络的服务质量为基础，围绕着NCS的性能指标，研究了NCS的建模、鲁棒镇定、H_∞最优控制、保性能最优控制、H_∞状态观测器设计等问题，主要研究成果如下： 1．针对线性时不变正常被控对象，当传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、不确定时延不超过一个采样周期情况下，利用Lyapunov方法和线性矩阵不等式描述，研究了动态输出反馈NCS的建模、鲁棒镇定、保性能最优控制和对于噪声扰动的H_∞最优控制问题以及对于不确定时延的H_∞状态观测器设计和基于状态观测器的NCS鲁棒稳定性问题。将动态输出反馈NCS建模为含有不确定性的离散时变系统。分别给出了动态输出反馈NCS鲁棒稳定的条件和鲁棒镇定律、保性能最优控制律和H_∞最优控制律设计方法；给出了H_∞状态观测器的设计方法和基于状态观测器的NCS鲁棒稳定的条件。 2．针对线性时不变正常被控对象，同时考虑网络诱导时延和数据包丢失以及传感器与控制器、控制器与执行器之间均存在网络的情况，研究了NCS的建模、指数稳定性和控制器设计等问题。将状态反馈和动态输出反馈NCS统一建模为由结构事件率约束的异步动态开关系统，给出了结构事件率和数据包丢失率之间的关系。基于建立的NCS统一模型，给出了系统指数稳定容许的数据包丢失率上界的关系以及系统指数稳定的数据包丢失率和开环系统结构的关系。分别给出了由数据包丢失率约束的状态反馈和动态输出反馈NCS指数稳定的条件和相应的控制律设计方法。 3．针对存在于实际系统中的一类正则、无脉冲的广义(奇异)被控对象，研究了三类基于广义被控对象模型的NCS建模、稳定性分析与控制器设计等问题。(1)将传感器和

论文目录

• 独创性声明
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 网络控制系统的基本问题
• 1.2.1 通信媒体类型及通信协议
• 1.2.2 节点的驱动方式
• 1.2.3 节点时钟同步方式
• 1.2.4 多率采样
• 1.2.5 网络诱导时延
• 1.2.6 单包传输和多包传输
• 1.2.7 数据包时序错乱
• 1.2.8 数据包丢失
• 1.2.9 数据滤除和空采样
• 1.2.10 网络调度
• 1.2.11 网络拥塞
• 1.3 网络控制系统研究的问题、方法与现状
• 1.3.1 控制网络体系构架
• 1.3.2 网络调度方法的研究
• 1.3.3 NCS建模、稳定性与控制器设计
• 2／H_∞控制'>1.3.4 鲁棒控制与H₂／H_∞控制
• 1.3.5 观测器设计
• 1.3.6 多包传输、数据包丢失的研究
• 1.3.7 其它问题研究
• 1.3.8 NCS仿真研究
• 1.4 存在的不足和需进一步研究的问题
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第二章 控制网络技术与时延特性
• 2.1 控制网络及其分类
• 2.2 NCS中典型控制网络
• 2.2.1 以太网
• 2.2.2 设备网
• 2.2.3 控制网
• 2.2.4 实时以太网
• 2.3 时延特性
• 2.3.1 时延产生的原因
• 2.3.2 时延特性分析
• 2.3.3 时延对系统性能的影响
• 2.3.3.1 影响系统的动态性能
• 2.3.3.2 影响系统的稳定性
• 2.4 章末小结
• 第三章 不确定时延NCS分析与控制
• 3.1 动态输出反馈NCS分析与建模
• 3.1.1 NCS描述
• 3.1.2 系统建模
• 3.2 鲁棒镇定
• 3.3 鲁棒镇定律设计
• 3.3.1 鲁棒镇定律存在的条件
• 3.3.2 算例仿真
• 3.4 保性能控制
• 3.4.1 保性能控制律存在的条件
• 3.4.2 最优保性能控制律设计
• 3.4.3 算例
• ∞控制'>3.5 H_∞控制
• ∞次优控制'>3.5.1 H_∞次优控制
• ∞最优控制'>3.5.2 H_∞最优控制
• 3.5.3 算例仿真
• 3.6 基于观测器的NCS控制
• 3.6.1 状态观测器设计
• ∞状态观测器设计'>3.6.2 H_∞状态观测器设计
• 3.6.3 基于观测器的NCS鲁棒稳定性
• 3.6.4 基于观测器的鲁棒控制器设计
• 3.6.5 算例仿真
• 3.7 章末小结
• 第四章 具有控制约束的NCS分析与控制
• 4.1 有界时延多输入多输出NCS分析与建模
• 4.1.1 状态反馈
• 4.1.2 动态输出反馈
• 4.2 时延相关稳定性
• 4.3 时延独立稳定性
• 4.4 不确定时延NCS
• 4.5 章末小结
• 第五章 数据包丢失NCS分析与控制
• 5.1 数据包丢失模型描述
• 5.2 有时延和数据包丢失的NCS建模
• 5.2.1 状态反馈
• 5.2.2 动态输出反馈
• 5.3 系统稳定性分析
• 5.3.1 指数稳定
• 5.3.2 指数稳定的容许数据包丢失率
• 5.4 状态反馈NCS指数稳定性
• 5.4.1 数据包丢失率约束的指数稳定性
• 5.4.2 控制器设计
• 5.5 动态输出反馈NCS指数稳定性
• 5.5.1 数据包丢失率约束的指数稳定性
• 5.5.2 控制器设计
• 5.6 章末小结
• 第六章 广义被控对象的NCS分析与控制
• 6.1 典型广义系统模型
• 6.2 预备知识
• 6.3 基于广义系统对象的NCS分析与建模
• 6.3.1 传感器和控制器时钟驱动、异步采样的MIMO系统
• 6.3.2 传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动的NCS
• 6.3.3 状态反馈NCS
• 6.4 稳定性分析与控制器设计
• 6.4.1 时延相关稳定性
• 6.4.1.1 稳定条件
• 6.4.1.2 算例仿真
• 6.4.2 鲁棒稳定性与鲁棒控制器设计
• 6.4.2.1 鲁棒稳定条件
• 6.4.2.2 鲁棒控制律设计方法
• 6.4.2.3 算例仿真
• 6.5 章末小节
• 第七章 网络控制系统仿真
• 7.1 TrueTime仿真器
• 7.1.1 基本概念
• 7.1.2 TrueTime功能模块
• 7.1.3 TrueTime模块配置、初始化与编译
• 7.2 NCS仿真
• 7.2.1 NCS仿真模型的建立
• 7.2.2 具有时延的NCS仿真
• 7.2.3 具有时延和数据包丢失的NCS仿真
• 7.2.4 具有时延和扰动的NCS仿真
• 7.3 章末小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文主要成果
• 8.2 本文创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士期间完成的论文和从事的课题
• 作者简历