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广义网络控制系统分析、建模与控制

邱占芝  
【摘要】:随着计算机、网络和通信技术的飞跃发展,智能化传感器、执行机构和驱动设备的诞生奠定了网络控制系统(NCS,Networked Control Systems)的物质基础,高速以太网和现场总线技术的不断发展和成功应用解决了NCS的可靠性和开放性问题,推动了NCS的广泛应用。NCS充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势。然而,NCS不确定的数据传输会降低控制系统的性能甚至使系统失稳等问题亟待研究和解决。这篇博士论文针对两类控制对象:线性时不变正常被控对象和线性时不变广义(奇异)被控对象,考虑NCS中存在的网络诱导时延、数据包丢失和外部扰动等主要问题,以控制网络的服务质量为基础,围绕着NCS的性能指标,研究了NCS的建模、鲁棒镇定、H_∞最优控制、保性能最优控制、H_∞状态观测器设计等问题,主要研究成果如下: 1.针对线性时不变正常被控对象,当传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、不确定时延不超过一个采样周期情况下,利用Lyapunov方法和线性矩阵不等式描述,研究了动态输出反馈NCS的建模、鲁棒镇定、保性能最优控制和对于噪声扰动的H_∞最优控制问题以及对于不确定时延的H_∞状态观测器设计和基于状态观测器的NCS鲁棒稳定性问题。将动态输出反馈NCS建模为含有不确定性的离散时变系统。分别给出了动态输出反馈NCS鲁棒稳定的条件和鲁棒镇定律、保性能最优控制律和H_∞最优控制律设计方法;给出了H_∞状态观测器的设计方法和基于状态观测器的NCS鲁棒稳定的条件。 2.针对线性时不变正常被控对象,同时考虑网络诱导时延和数据包丢失以及传感器与控制器、控制器与执行器之间均存在网络的情况,研究了NCS的建模、指数稳定性和控制器设计等问题。将状态反馈和动态输出反馈NCS统一建模为由结构事件率约束的异步动态开关系统,给出了结构事件率和数据包丢失率之间的关系。基于建立的NCS统一模型,给出了系统指数稳定容许的数据包丢失率上界的关系以及系统指数稳定的数据包丢失率和开环系统结构的关系。分别给出了由数据包丢失率约束的状态反馈和动态输出反馈NCS指数稳定的条件和相应的控制律设计方法。 3.针对存在于实际系统中的一类正则、无脉冲的广义(奇异)被控对象,研究了三类基于广义被控对象模型的NCS建模、稳定性分析与控制器设计等问题。(1)将传感器和


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