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不完全信息下网络化系统的鲁棒滑模控制方法研究

张红旭  
【摘要】:随着互联网技术的兴起和广泛应用,网络化系统已逐渐渗透到生活中的各个领域。到目前为止,基于网络化系统的控制与测量已经被广泛应用到组合导航系统、电液伺服系统、遥感测量以及风力发电系统等诸多领域中去。与此同时,网络环境的引入使得信息的测量和传输等也带来了诸多的不确定性,如:传感器测量丢失、信息调度、设备故障、输入非线性、网络攻击等带来的不完全信息情形。利用滑模控制对扰动的不敏感特性,解决上述不完全信息情形的问题尚未得到学者的足够关注,仍存在许多亟待解决的重难点问题。本文重点研究测量丢失、信息调度(随机通信协议和事件触发机制)、执行器故障、网络攻击(Do S攻击和欺骗攻击)等几类不完全信息情形,致力于解决不完全信息下几类网络化系统的鲁棒滑模控制问题。本文拟从以下几个方面进行深入系统的研究:1.针对测量丢失引发的不完全信息情形,研究具有混合时滞的网络化系统鲁棒滑模控制问题。引入服从Bernoulli分布的随机变量刻画测量丢失现象,并利用名义概率与概率误差描述丢失概率的不确定性。借助名义概率信息构造合适的滑模面,给出滑动模态方程。运用等效变换技术提出易于求解的保证滑动模态渐近稳定性的判别依据。结合可获得的测量数据信息,提出依赖于名义概率的鲁棒滑模控制新方法,解决一类测量丢失下网络化系统的滑模控制问题。2.针对信息调度引发的不完全信息情形,研究随机通信协议下网络化系统的鲁棒H_∞滑模控制问题。利用二阶Markovian链对测量丢失现象进行数学建模。为了提高网络通信质量、避免节点数据传输冲突,在控制器-执行器信道中引入随机通信协议。借助测量丢失对应的Markovian链转移概率信息构造滑模面,并建立依赖于丢包模态与随机通信协议模态的新型Lyapunov-Krasovskii泛函,进而分析滑模面的可达性以及闭环系统的H_∞性能,提出随机通信协议模态依赖的滑模控制律设计方法,解决一类随机通信协议调度下网络化系统的鲁棒滑模控制问题。3.针对设备故障引发的不完全信息情形,研究一类具有执行器故障的离散时滞系统的滑模容错控制问题。引入容错控制注入信号并采用增广技术手段,基于测量信息构造增广系统的观测器。通过设计容错控制注入信号信息,保证跟踪误差能在有限时间内收敛至“测量输出误差-滑模面”并具有满意的H_∞性能。为进一步分析系统性能,分解增广观测器,重新构造一个基于状态观测信息的滑模面。分析输入非线性以及执行器特点、采用自适应技术,提出一个能有效解决执行器故障问题的新型鲁棒自适应滑模控制方法,保证滑动模态的渐近稳定性和滑模面的可达性。4.针对网络攻击与输入死区特征引发的不完全信息情形,探讨一类事件触发机制下网络化系统的保安全滑模控制问题。着重考虑传感器输出阶段的事件触发机制及其在网络传输时遭遇的攻击情形,通过引入两个相互独立且服从Bernoulli分布的随机变量刻画两类网络攻击。对于选定的滑模面,基于时滞分割思想给出保证滑动模态满足均方“(?)-安全”性能的充分性条件。结合输入死区特征与测量信息、采用自适应技术,提出能有效抑制网络攻击的保安全自适应滑模控制方法,并保证滑模面的可达性。5.研究一类风力发电系统的最大功率点滑模跟踪控制问题。根据风力机输出功率与风速等参数之间的关系表达式,通过最大功率点跟踪策略,获得最佳叶尖速比与桨距角,并结合风机转速与风速和叶尖速比之间的关系给出风机转子转速的理想表达式。建立发电机组传动系统模型,并利用欧拉离散化方法得到其离散化数学模型,基于滑模容错控制方法,构建离散传动系统的观测器,给出容错控制注入信号并保证滑模面的有限时间收敛性。采用二阶滑模技术,提出制动转矩鲁棒滑模容错控制新方案。


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