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概率约束下网络控制系统的滤波与控制

李鹃  
【摘要】:网络控制系统的研究涉及电子、通讯及控制多个领域,其“传感—控制—驱动—被控体”之间的因果关系异常复杂。当系统的物理变量存在约束时,其重难点在于如何合理准确的建立模型,分析、解决滤波器/控制器的设计等。另外,实际的网络化控制系统中还存在诸多的干扰因素,此时如何合理准确的对系统进行建模以刻画系统的内在机理、如何设计合理的滤波器/控制器使系统符合约束条件并满足预期性能、如何建立一套有效的设计算法,都是一项具有挑战性的研究工作。在实际系统中,系统的物理变量往往存在各种变量约束,本文所研究的概率约束是变量约束中的一类。概率约束是指系统变量以一定的概率满足约束条件或者约束区域,换一种说法就是指系统变量可以以很小的概率违反约束条件或者偏离约束区域。本文提出一种基于概率约束的滤波/控制方法,并且在此基础上考虑网络控制系统的连续丢包,传感器饱和,乘性噪声,随机非线性等因素,建立新型的网络化控制系统的模型,分析解决对应的滤波与跟踪控制问题。首先,本文研究了一类含有连续数据丢失和乘性噪声的网络化控制系统的最优滤波器设计问题。本研究利用多维切比雪夫边界来处理概率约束不等式的确定性条件转化,并考虑到网络环境的随机噪声及乘性噪声的存在,建立一种新型网络化控制系统及滤波器模型。然后,通过随机分析方法及线性矩阵不等式分析方法,得到网络化控制系统的最优滤波器存在的充分条件及其设计算法。最后用一个仿真算例验证了所用方法的有效性。其次,考虑到实际系统大多具有非线性的特性,在前面的研究基础上,考虑了随机非线性以及传感器饱和。研究了一类具有传感器饱和的离散时变系统的最优滤波器设计问题。本研究通过加入随机非线性的考量,提出了一种新的网络化控制系统模型,并且给出最优滤波器满足概率约束的充分条件,以及最优滤波器的设计算法。最后用实例验证了该方法的有效性。最后,在概率约束的研究基础上,本文对基于事件触发方法的网络化控制系统的跟踪控制问题进行了深入研究。考虑到网络环境的乘性噪声以及随机非线性的影响,本研究提出了一种新的网络化控制系统模型,并在此基础上设计了一个方差约束最优估计器(滤波器)。然后,利用与分析方差约束最优估计器相似的方法,设计了一种概率约束下的跟踪控制器,继而给出估计误差满足方差约束且跟踪误差满足概率约束的跟踪控制器,最终用实例验证了该方法的有效性。


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