无线网络控制系统的滤波与控制

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无线网络控制系统是一类利用无线通讯网络进行数据传输、实现检测和反馈控制的系统。它是自动控制技术、通信技术和计算机科学发展与融合的产物。由于无线网络控制系统具有易于安装和维护、铺设成本低、灵活性高等优点,无线网络控制系统已经在化工生产、汽车制造、航空航天等领域得到了广泛应用。近十年来,无线网络控制系统的研究受到广大学者的密切关注,成为一个备受瞩目的领域。然而无线通信网络的引入却为控制系统的分析与设计带来诸多的困难,比如时间滞后、数据包丢失、量化误差、功率控制和时变的网络拓扑结构等一系列问题。本论文主要关注无线网络控制系统的分析与综合。研究了无线网络控制系统在网络诱导时滞、数据包随机丢失、传感器非线性等情况下的镇定、H∞滤波等问题。论文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)为了研究网络诱导时滞的特性,首先介绍基于ZigBee技术的无线网络数据传输测试平台的设计和实现。在这个平台上,对三种常见的网络拓扑结构进行了上百小时的数据传输测试,并根据得到的数据对网络诱导时滞的产生原因、组成及规律进行了分析;(2)针对研究采样速率与有限的无线通信带宽之间的矛盾,分别讨论了在三种不同的采样周期切换策略下使得无线网络控制系统获得随机稳定的算法,数值算例验证了所得方法的有效性;(3)针对无线网络控制系统中随机出现的传感器非线性和数据包丢失,利用Lyapunov-Krasovskii方法设计了一种H∞滤波器,该滤波器不但使得滤波误差系统达到随机稳定而且还能满足给定的H∞噪声抑制水平;(4)提出了多重网络环境的概念,并利用Markov跳变矩阵对多重网络环境之间的转换进行描述,使得闭环系统镇定的控制器可以通过求解一系列的双线性矩阵不等式实现;(5)为了减少多重网络环境下控制器之间的切换次数,以及降低求解控制器过程中的计算量,提出了一种以区间为元素的转移矩阵描述方法。该方法通过为多重网络环境设计一个鲁棒控制器从而有效地降低了计算复杂度。相应的控制器参数可以利用锥补线性化(cone complimentary linearization)算法求得。最后对论文的研究进行了简要总结,并结合研究结果对未来的研究内容进行了展望。
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