网络化控制系统的同时稳定及控制

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在实际工业中,一个真实的系统可能运行在不同的模态。这种特性可能导致其具有多个线性对象模型。因此,本文采用一种同时稳定控制策略,设计单一的动态输出反馈控制器,使得系统在各个模态都是渐近稳定的,并且具有较好的系统性能。同时稳定是控制理论的基本问题之一,但是由于其有理不可判定(rationally undecidable),到目前为止,还没有一个标准的解决方案。此外,随着被控对象的日益复杂化,控制性能要求的不断提高,这也给同时稳定问题的处理带来了巨大的挑战。  另一方面,随着网络通信技术的不断进步和发展,控制系统从传统的点对点系统向复杂的分布式网络化控制系统发展和转变。被控对象,传感器,执行器,控制器分散在不同地方,通过网络进行实时通信。网络化控制系统具有集散分布,模块管理,布线成本低,资源共享等诸多优点,但是由于通信信道堵塞,传感器故障,复用异步网络通道等很多原因,也带来了数据丢包,信道衰减等问题。本文针对具有数据丢包,信道衰减这两种网络特性进行建模和分析,建立了新的多通道丢包模型和信道衰减模型,将整体闭环系统转化为了随机参数系统。通过随机控制理论和正交补技术,分析了系统的稳定性。  本文以解决复杂多模系统的同时稳定问题为研究目标,从易到难,分别处理了多模态连续线性系统,具有随机丢包的多模网络化控制系统,具有随机丢包的多模分布式网络化控制系统,具有信道衰减的多模分布式网络化控制系统的同时稳定问题。其主要内容包括:  (1)在实际系统设计时,有时需要考虑多种性能指标,其中H∞和H2性能约束指标是两个常用的指标。H∞指标反映了系统的抗扰动能力,H2指标主要反映系统的暂态性能。混合H∞/ H2控制很好的综合了两种指标的优点。本文基于正交补和线性矩阵不等式技术,设计了一个单一的(固定参数)动态输出反馈控制器,来同时稳定多个连续的线性对象模型,并使其满足混合的H∞/H2性能指标。通过一个仿真例子来验证同时稳定控制器设计方法的可行性。  (2)研究了网络化控制系统中可能导致系统性能下降,甚至不稳定的随机丢包现象。通过一个符合伯努利分布的二进制切换序列,建立了从传感器到控制器,控制器到执行器两个通道内的丢包模型。根据实际考虑对象的多模态特性,设计了基于网络的同时稳定控制器。在发生数据丢包的情况下,该控制器仍然可以使得整体闭环系统在每个模态下都是渐近均方稳定的,并满足H∞性能指标。最后,通过仿真实验说明所提出方法可以有效处理具有丢包的多模网络化控制系统的同时稳定问题。  (3)考虑了由多个互联子系统组成的大规模系统在多个模态下的同时稳定问题。建立了一个新颖的分布式网络化控制框架,在这个框架中,固定参数的分布式控制器不仅接收本地被控对象的测量输出信号,还通过存在随机丢包的网络接收邻居动态控制器的状态信号,以此来实现整体闭环系统在多个模态下的同时渐近均方稳定。基于随机控制理论和正交补技术,提出了迭代的线性矩阵不等式算法来搜索所需的控制器。通过仿真实验验证了所提出方法能够有效解决多模态大系统的同时稳定问题。  (4)建立了一个基于无线通信网络的分布式控制框架。在这个框架中,每一个本地控制器不仅接收本地子系统的测量信号,还可通过无线网络传输,接收邻居控制器的状态信号。由于采用无线网络通信,考虑了通信过程中的信道衰落现象,并将其建模为三阶莱斯模型(Lth-order Rice fading channel),整体的闭环系统因此转化为了随机参数系统。通过迭代的线性矩阵不等式算法,求得了分布式控制器参数。最后,通过仿真实验验证所提出方法的可行性。
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