一类具有错序的网络控制系统的建模与控制

论文摘要

随着计算机技术、网络技术的迅猛发展以及控制系统规模的日益扩大,基于高速通信网络的网络控制系统(Networked Control Systems,简称NCSs)的研究正在迅速成为当前国际控制领域的一个前沿课题,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。与传统的控制系统相比,这种网络化的控制系统具有信息资源共享,可远程操作,并具有省时、易于维护等优点。在现代工业和商业各个领域中已经广泛应用实时网络来交换信息和控制信号,网络控制系统发挥着重要作用,网络控制系统已成为研究热点。但是,网络控制系统中由于网络的引入,不可避免地带来了许多问题：如网络传输时延、数据包丢包、数据包错序,多包传输、时钟异步等等。这些问题的存在,不但会降低控制系统的性能,甚至导致系统的不稳定,从而使得对网络控制系统的分析和设计变得十分复杂。因此对网络控制系统国内外都予以高度的重视,尤其基于网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统的研究已取得了一些成果。但是对数据包错序问题的研究成果却不多,随着网络的普及,网络中的错序现象呈现为日趋普遍的现象。在实际控制系统中,由于数据包错序问题的发生大大地降低系统的性能指标,因此,有必要研究网络控制系统中的错序问题。本文基于网络控制系统中各种问题的理解,仔细分析数据包错序产生的原因,基于网络中普遍的长时延前提下,针对一类被控对象是离散系统的情况,运用两种概率方法,给出了两个离散错序模型,在这两个模型中能直接看出错序现象,然后对模型予以分析以及设计控制器,最后给出算例仿真验证结论的有效性。在模型的构造中,主要从正态分布预测时延以及Markov随机稳定性两个角度进行建模。首先,针对一般离散的被控对象,通过正态分布来预测时延,由预测出来的诱导时延进行偏移值计算,在获得每个数据包的具体偏移值后,进行错序模型的建立,模型中可以明显体现出错序现象,接着给出模型的稳定性分析和控制器的设计,最后通过算例仿真验证结论的正确性。其次,根据网络诱导时延的Markov特性,建立了网络控制系统的Markov跳变系统,建立了一个大系统模型,模型中多个子系统之间的控制输入的选择可以明显体现网络中的错序问题,然后根据线性跳变系统理论分析了系统的稳定性,给出了状态反馈控制器的设计方法,最后通过数值算例验证了结论的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 网络控制系统的基本问题
• 1.2.1 网络诱导时延
• 1.2.2 数据包时序错乱
• 1.2.3 数据包丢失
• 1.2.4 网络拥塞
• 1.3 网络控制系统的优势与应用领域
• 1.4 网络控制中错序问题的研究背景
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 预备知识
• 2.1 控制理论相关基础知识
• 2.1.1 系统的稳定性
• 2.1.2 状态反馈镇定
• 2.1.3 正态分布相关概念
• 2.1.4 节点驱动方式
• 2.1.5 单包传输和多包传输
• 2.2 Markov跳变线性系统相关基础知识
• 2.2.1 Markov链
• 2.2.2 Markov跳变线性系统
• 2.3 相关定义及引理
• 第3章 一类时延满足正态分布的错序模型建立与分析
• 3.1 引言
• 3.2 时延满足正态分布错序模型的建立与控制
• 3.2.1 问题的描述与模型的建立
• 3.2.2 稳定性分析
• 3.2.3 控制器设计
• 3.2.4 算例仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 一类满足马尔可夫链的错序模型的建立与分析
• 4.1 引言
• 4.2 满足马尔科夫链的错序模型的建立与控制
• 4.2.1 问题的描述和模型的建立
• 4.2.2 稳定性分析与控制器设计
• 4.2.3 算法介绍及算例仿真
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢