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《华北电力大学(北京)》 2010年
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网络控制系统的稳定性研究及调度策略

陈文颖  
【摘要】: 近年来,随着控制技术、网络技术和计算机应用技术的飞速发展,网络控制系统(networked control system, NCS)受到了越来越广泛的关注,并成为国际控制领域的一个研究热点,其具有信息资源共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性及灵活等优点。然而由于闭环控制中网络的引入,网络控制系统中的很多基本问题有待于深入研究,如网络控制系统的稳定性问题及网络资源的调度问题。本文针对网络控制系统中存在的基本问题,从系统的建模、控制和网络资源的调度等方面进行了研究,主要的研究内容及结论如下: 本文首先针对只有传感器到控制器为网络连接的一类网络控制系统,考虑系统的被控对象仅输出量可以测量的情况,设计了适合于网络环境的状态观测器,并利用状态观测器对丢包和时延进行了适当补偿。然后分别应用离散时间和离散与连续相结合的方法建立了包括状态观测器在内的整个系统的闭环模型,分析了网络控制系统的稳定性,并给出了仿真结果,证明了离散与连续相结合建模方法的优点。 进而,对传感器、控制器和执行器均为网络连接的一类网络控制系统,在传感器、控制器和执行器分别为不同的节点驱动组合模式下,根据不同驱动组合模式下网络控制系统的特点,选择前面提出的两种建模方法,通过数据丢包率,将包括状态观测器的整个闭环系统建立为受事件发生率约束的异步动态系统,最后分析了使系统指数稳定的充要条件。并通过仿真实验,对所提出的方法进行了验证和比较。 在所研究的网络控制系统中,网络时延为随机时延时,将随机时延看作是被控对象的不确定性因素,并将其转化为具有不确定性的线性离散系统,研究了网络控制系统的鲁棒H∞稳定性问题。然后同时考虑随机的网络时延和数据丢包,将网络中数据包传输的丢包过程看作是由结构事件组成的随机过程,给出了系统的鲁棒H∞稳定性的充分条件。进而结合前面给出的指数稳定性和鲁棒H∞稳定性的分析方法,给出了使系统指数收敛的鲁棒H∞稳定性的充分条件,并通过仿真验证了该方法的优越性。 控制系统分析及控制器设计与通信调度策略是网络控制系统研究的两个重要分支,针对具体控制问题需协调考虑两方面的因素。基于此,最后对由多个控制回路组成的网络控制系统分析了其调度策略。对可调度的情况,采用了一种基于网络传输误差和LQG最优理论的控制系统调度设计方法。对不可调度情况,提出使用网络监测得到网络传输误差,通过调整传感器的采样周期和在控制器进行数据包补偿的调度方法。最后通过仿真实验验证了调度方法的有效性。
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