网络化控制系统的介质访问受限问题研究

【摘要】：近几十年来，在快速发展的计算机技术、通信网络技术和智能传感技术的推动下，控制系统经历了从点对点控制模式到网络化控制模式的变革。网络化控制系统（NCSs）以其布线少、成本低、易于扩展和维护以及灵活性高等优点，在工业界得到了广泛的应用。因此，NCSs正在受到越来越多的关注，并成为了当前控制界的热点研究领域之一。 然而，NCSs在带来众多优点的同时也付出了降低测量和控制信号传输实时性的代价。传统的控制理论假设系统中的测量和控制信号实时、不受限制地传输，从而在NCSs中将不再适用。另一方面，网络资源的调度也极大地影响着闭环NCSs的性能。因此，如何设计网络化控制器和资源调度策略以保证闭环NCSs的稳定性和控制性能是NCSs的一个重要研究课题。到目前为止，关于NCSs已有了丰富的研究成果，但大部分都是单独从控制器或者调度策略的角度出发，比如研究时延和丢包，带宽配置等问题的成果。介质访问受限是引起NCSs中时延和丢包的重要原因，同时是网络资源受限的一种重要表现形式。因此介质访问受限问题的研究同时涉及到控制器和调度策略，是NCSs中更为本质和值得研究的问题之一。 本文针对NCSs中的介质访问受限问题，根据介质访问控制（MAC）协议是确定性和随机两种情况，展开了如下几个方面的研究： 1.针对具有确定性MAC协议的NCSs，提出了在一个采样周期内进行多次传输的新型传输策略。首先考虑同时具有确定性MAC协议与分布式传输时延NCSs的控制器与调度策略协同设计问题。基于新型的传输策略，将闭环NCS建模为一个切换信号与调度策略有关的切换系统，采用平均驻留时间方法，给出了闭环NCS指数稳定的充分条件和控制器与调度策略的协同设计方法。其次考虑同时具有确定性MAC协议与随机丢包NCSs的协同设计问题。将闭环NCS建模为一个带有随机变量的切换系统。基于平均驻留时间方法，得到了闭环NCS均方指数稳定的充分条件和协同设计的方法。 2.考虑具有确定性MAC协议的网络化H∞滤波器设计问题。首先提出一种加权补偿策略，将滤波误差系统建模为一个切换信号为通信序列的切换系统，并给出了滤波误差系统指数稳定且具有给定H∞滤波性能的充分条件和最优H∞滤波器的设计方法，所得结果建立了补偿系数与最优H∞滤波性能的关系。其次，加入随机丢包和量化的影响，采用置零补偿策略，则此时的滤波误差系统为一个带有随机变量的不确定切换系统。基于平均驻留时间方法，给出了滤波误差系统均方指数稳定且具有给定H∞性能的充分条件和最优H∞滤波器的设计方法，分别建立了通信序列、丢包率、量化密度与和最优H∞滤波性能的关系。 3.对具有随机MAC协议的NCSs而言，其资源分配方式由介质访问概率描述。首先研究具有随机MAC协议NCSs的保性能控制问题，用一个独立同分布序列描述执行器节点的随机介质访问过程，通过将该序列映射为多个二值随机序列，把闭环NCS建模为一个随机系统，并给出闭环NCS随机稳定且具有二次性能上界的充分条件和保性能控制器的设计方法，建立了节点的介质访问概率与二次性能上界的关系。其次考虑具有随机MAC协议NCSs的网络化H∞滤波器设计问题，采用与保性能控制类似的思想，给出了滤波误差系统随机稳定且具有给定H∞性能的充分条件和最优H∞滤波器的设计方法。建立了节点的介质访问概率与最优H∞滤波性能的关系。 4.由于在实际应用中要得到节点介质访问概率的精确值比较困难，所能得到的往往是与精确值的误差在一定范围内的估计值，因此考虑具有不确定介质访问概率和量化NCSs的H∞滤波问题。滤波误差系统为一个同时带有模型和概率不确定性的随机系统，基于马尔可夫随机切换系统理论得到了滤波误差系统随机稳定且具有给定H∞性能的充分条件和最优H∞滤波器的设计方法。分别建立了概率的不确定界和量化密度与H∞滤波性能的关系。 5.通过具有随机MAC协议的网络控制，比如以太网或者因特网，NCSs所呈现出的是分布式随机时延和丢包特性。针对这一问题，提出了一种改进的处理分布式时延和丢包的网络化预测控制方法，该方法更为有效地利用了测量数据，提高了闭环NCS的性能，并给出了在该方法控制下闭环NCS的稳定性条件。 以上研究结果均通过仿真实例进行了验证，并通过实际的球杆系统实验验证了改进的网络化预测控制方法的有效性。