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网络化控制系统调度与控制协同设计

孙连坤  
【摘要】: 随着计算机、网络和通信技术的快速发展,控制系统的结构正在发生变化,网络化控制系统(Networked Control Systems,NCSs)充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化和节点智能化的发展趋势,因此,在实际中得到广泛应用。同时,网络的引入也给控制系统的设计与分析带来新的挑战,尽管迄今为止NCSs已有许多的研究成果,但这些研究一般是将控制器设计与调度策略设计二者分开考虑,没有能够将二者有机结合进行研究,因而无法保证系统良好的总体性能。NCSs调度与控制协同设计将网络运行性能、带宽资源限制等更多的网络因素融入控制系统设计和性能优化中,在控制系统设计的同时考虑网络实现的问题,有利于系统的总体性能优化。为此,本文针对3类NCSs:基于模型的NCSs、不确定NCSs、多输入多输出(MIMO)-NCSs,重点考虑NCSs的带宽约束问题,进行系统调度与控制的协同设计方法的研究。 主要研究内容和创新是: (1)针对线性时不变被控对象,综合考虑一种基于模型的NCSs的带宽约束与控制性能问题,研究了系统调度与控制的协同设计方法。首先,在智能传感器端,设计了一种全新的基于时倚泊松过程的随机通信逻辑调度策略,系统只需有限次状态更新,从而减少了信息的传送量。然后,证明了随机通信逻辑本质上是一个Markov链,进而将系统转化为一个跳变系统,并给出了系统在状态反馈情况下的稳定性充分条件;最后,在已有随机通信逻辑的基础上,协同设计了基于更新时刻的控制器,控制器可通过求解一个LMI得到,实现了系统调度与控制的协同设计过程。仿真结果表明通过上述方法设计的随机通信逻辑调度策略,能够有效的减少系统对网络的占用;同时基于更新时刻的控制器还能保证一定的系统运行性能。 (2)针对线性时变不确定被控对象NCSs的带宽约束与控制性能问题,研究系统调度与控制的协同设计方法。将一种基于事件的SOD(Send On Delta)调度策略创新性地用于该类NCSs的分析中,设计以输出信息的重要程度作为信息发送依据,从而减少非重要信息对网络资源的占用,达到降低网络需求的目的。将SOD调度策略视为系统输出的不确定,建立了考虑调度策略后的系统模型。在此基础上,给出了系统保成本观测器存在的充分条件,保证系统估计值的获取。最后,在考虑SOD调度策略的基础上,协同设计了保成本控制器,以LMI的形式给出了不仅能使NCS稳定,而且使系统性能指标不超过一个上界的保成本控制器存在的充分条件。上述协同设计过程,在降低网络带宽约束的同时,有效的增强了系统的鲁棒性。仿真实例说明方法的有效性。 (3)针对线性时不变被控对象,考虑MIMO-NCSs的带宽约束与控制性能问题,研究系统调度与控制的协同设计方法。首先,通过在系统的输入输出端设计通信序列,分时占用网络,以降低带宽约束对系统的影响,进而建立了考虑通信序列后的系统模型。然后针对通信序列可能对系统结构特性带来的改变,给出了保证系统可达性和可观性的条件,提出了保证系统可达性和可观性的通信序列构造方法,进一步确定了系统在输出反馈情况下的稳定性充分条件。最后,在使用周期通信序列的基础上,将系统转化为周期系统,利用LQG方法设计了系统的最优控制器,通过动态规划的方法,给出了最优控制增益的参数化表示。仿真结果表明使用上述方法协同设计的MIMO-NCSs,有效地解决了带宽约束对系统的影响,同时,最优控制器也保证了系统在周期通信序列作用下的整体运行性能。


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