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网络控制系统中控制与调度的协同设计

雷必成  
【摘要】: 随着网络控制系统研究的深入,网络控制系统中的网络调度逐渐受到研究者的重视,研究网络控制系统调度的目的是改善网络的QoS,减少冲突、阻塞等不利因素的发生,从而减小网络诱导时延,减少数据包丢失的发生,对于改善网络控制系统的性能具有重要的意义。但是网络和控制两方面存在着相互影响、相互制约的内在联系,解决上述问题应考虑控制与调度的协同设计,以保证网络的服务质量QoS和控制系统的控制质量QoC。 控制与调度的协同设计过程,需要从理论上研究调度对于控制系统性能的影响,从而为调度方法的确定提供依据。为了分析控制系统的各种性能,建立了输入、输出端都具有通信约束的通用NCS调度模型,并利用通信序列来表示调度情况,然后将其转化为离散切换系统。 在研究NCS调度模型的能控性、能观性时,利用循环不变子空间理论及其相关的性质,给出了静态调度下网络控制系统能控性、能观性的充要条件,并给出了原有控制系统与经由网络静态调度后系统之间能控性、能观性的关系。 利用切换系统中的多Lyapunov函数方法,对状态反馈下的NCS调度模型的稳定性、鲁棒性进行分析,并以LMI形式给出系统满足鲁棒性能的充要条件,及其鲁棒H∞控制器的设计方法;然后,对多系统调度的网络控制系统进行建模,将其也转化为离散切换系统,并将得到的鲁棒性相关结论,扩展到多系统调度中。 在状态反馈下对NCS调度模型展开保性能分析,以LMI形式给出系统保性能的充要条件,及其保性能控制律的求解;在此基础上,进一步得出最优保性能控制律的求解条件;然后将得到的结论推广到多系统调度中。 针对NCS中的调度,提出基于RM和EDF的二维调度策略,能够实现优先级与带宽的二级分配,具有较高的灵活性;并利用RM与EDF方法的任务可调度性条件,得出二维调度中的带宽可调度性条件;二维网络调度策略可以在同一个网络中,用RM及EDF调度方法来分别对不同的任务进行调度。 采样周期是QoC与QoS之间的纽带,在控制与调度协同设计中起到重要的作用,所以有必要从理论与实际应用两个角度出发对NCS中变采样进行研究。首先将NCS中的变采样建模为离散切换系统,再应用上面得到的鲁棒性能的有关结论就可以得出相关变采样H∞控制器的设计;其次在应用上,提出基于LS-SVM的在线网络预测控制,在LS-SVM的基础上,利用训练数据窗及训练数据阈值,推导出适合NCS的在线训练方法,结合GPC方法得到在线LS-SVM预测控制量的方程解。仿真结果显示,该方法可以很好的应对NCS中出现的时延、丢包以及变采样周期问题,且具有较好的鲁棒性。


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