网络控制系统调度与稳定性的若干问题研究

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随着计算和通信技术的发展,利用通信网络可以实现地域上分布的现场传感器、控制器及执行器之间的信息交互,从而达到被控制对象的实时反馈控制。网络控制系统是传统的控制方法在信息技术支持下,向分布式自治控制发展的一个重要方向,也是当前信息网络化的必然趋势。与传统点对点控制系统相比,面向工业的网络控制系统能够实现复杂大系统和远程控制、资源共享,具有较高的诊断能力、交互性好、减少系统布线、增加系统柔性和可靠性等诸多优点。本文对这一领域的若干问题进行了较为深入的研究,主要研究成果如下:   (1)提出了网络控制系统动态死区反馈调度(DDFS)的方法。DDFS方法的目标是实现控制与调度的协同设计,在带宽限制和有网络负载变化的情况下,用在线动态的死区控制和控制质量管理来调度网络控制系统的数据包发送任务。设计了将死区控制与节点优先级分配结合的调度器。死区控制可以在不严重影响控制质量以及不改变系统采样率的情况下节省网络资源。结合优先级的合理分配,可以在网络负载较轻的时候充分利用可用资源,在网络重负载的时候实现控制质量的逐渐降低。   (2)研究了基于模型网络控制系统反馈调度结构(MB-NCSs)。MB-NCSs使用一个被控对象的模型来预测被控对象的输出,在对象信息不能通过网络传送至控制器的时候,可以用模型的信息为控制器提供精确的测量信号。其主要的思想是尽量利用对被控对象动态特性的知识,以减少完成控制所需要的网络带宽。当对象的模型足够精确的时候,基于模型的网络控制系统可以在很小的网络带宽的情况下,实现对系统的镇定并保证一定的控制质量。每隔一定的时间间隔,传感器都通过网络传送被控对象的状态信息,更新模型中的状态,而在其他的时间里,系统的控制是基于模型的,也就是开环控制的状态,直至下一个周期模型的状态被对象的实际状态更新。这样做的好处是可以大量节省网络带宽的消耗,实现了开环控制和闭环控制之间的平衡。   (3)证明了具有相加性时滞的离散系统的稳定性,并给出了其H∞性能分析。在网络控制系统中,从传感器传送到执行器的信号,可能要经历数个网络段,由于每段网络的负载情况可能不同,这会导致数个特性不同的连续时滞。因此,将这些不同的时滞合并考虑,是不合理的,本文研究拥有相加性时滞部分的离散时滞系统。通过使用新的Lyapunov-Krasovskii泛函和新的处理时滞的技术,得到了时滞依赖的稳定性定理。对于拥有多个时滞的离散时滞系统,给出了稳定性定理和H∞性能分析定理。最后,将获得的稳定性定理推广到网络控制系统中,设计了拥有H∞性能的控制器。   (4)研究了离散时滞系统的弹性控制,提出了弹性H∞自适应控制器的设计方法。如何设计一个控制器,使其能容忍一定程度的控制器增益误差,是值得研究的问题。而拥有此种性能的控制器,就称为弹性的控制器或非脆弱的控制器。在本文中,通过使用新的Lyapunov-krasovskii泛函和新的处理时滞的手段,实现了时滞相关H∞控制器的设计。给出的定理都以线性矩阵不等式的形式给出,可以很方便地利用Matlab LMI工具箱求解。所设计的弹性控制器不仅可以应对控制器增益的不确定性,还可以将H∞范数限定在一定的干扰等级γ之内。
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