基于通信约束的网络化控制系统最优性能研究

【摘要】：网络化控制系统(NCSs)广泛应用于各个领域,例如工业自动化,分布式移动通信,无人机等。网络化控制系统受到越来越多的研究重视,但由于其固有通信限制而面临着许多新的挑战。如带宽,信噪比,数据包的丢失,量化精度,延时等都会降低网络化控制系统的性能,甚至导致其不稳定。目前大量研究工作都是研究网络化控制系统的建模以及稳定性的问题,但是在通信约束下,考虑系统的最优跟踪性能和优化设计问题却很少,同时最优性能是控制理论中一个非常重要的研究领域。目前大部分研究成果都指出控制系统的性能极限由输入信号和系统的固有特性共同决定。本文主要基于通信约束研究网络化控制系统最优跟踪性能问题。全文研究内容如下： 分别考虑到控制系统存在测量噪声和扰动影响的情形,针对线性时不变系统跟踪随机信号问题的进行研究。采用双自由度控制器及谱分解方法得到最优跟踪性能的显示表达式。研究表明被控对象的非最小相位零点、零点方向、不稳定极点、参考输入方向、参考输入信号和扰动信号特性决定了控制系统最优跟踪性能。这为控制系统设计提供理论指导。 研究了存在通信带宽约束下的多输入多输出线性时不变离散控制系统的最优跟踪问题,参考输入信号为阶跃信号。跟踪性能指标是通过被控对象的输出与参考信号之间的误差信号的能量来度量,并采用双自由度控制器得到最优跟踪性能的精确表达式。研究表明最优跟踪性能由给定对象的非最小相位的零点、零点方向、参考输入信号的方向、不稳定的极点决定、极点方向以及通信带宽和信道中的高斯白噪声决定。进一步说明了最优跟踪性能是如何受通信带宽和高斯噪声约束的。 针对通信诱导时延影响控制系统性能,甚至导致系统不稳定,提出基于通信诱导时延约束分别研究单输入单输出线性时不变连续控制系统和离散控制系统的最优跟踪问题。采用单自由度控制器,得到最优跟踪性能的精确解。研究表明最优跟踪性能由给定对象的非最小相位零点、不稳定极点和信道诱导时延决定,进一步说明信道诱导时延是怎样的影响控制系统的最优跟踪性能。 由于通信容量直接影响网络化控制系统的性能,而通信的信噪比直接决定容量的大小。基于通信信噪比约束提出研究单输入单输出网络化控制系统的最优跟踪性能问题。跟踪性能指标由对象的输出和参考输入信号间误差的方差能量值来度量。通过H2范数和谱分解技术方法得到最优跟踪性能的显示表达式。研究表明最优跟踪性能由给定对象的不稳定极点、参考信号的功率谱密度和通信的信噪比决定。研究所得到的结论清晰地表明了最优跟踪性能是如何受到通信的信噪比约束的。 网络化控制系统的性能由控制系统本身和网络决定,故提出基于通信约束和通道编码设计研究多输入多输出连续控制系统的最优跟踪问题。采用二自由度控制器控制,进一步考虑网络编码和控制器联合设计问题,最终得到最优跟踪性能的精确表达式。研究表明最优跟踪性能主要取决于给定对象的非最小相位零点、零点方向、不稳定极点、极点方向以及通信信道的带宽和白噪声。这为网络化控制系统设计提供理论指导。 大多数网络传输都是双向的,同时通信编码也严重影响控制系统的性能,故提出基于通信编码和白噪声同时存在前向通道和反馈通道中研究网络化控制系统的最优跟踪问题。性能指标根据跟踪误差的能量来度量的,采用二自由度控制器控制和谱分解的技术获得极限值的显示表达式。研究结果表明最优跟踪性能仅仅由给定对象固有特性和通信参量决定；这将为网络化控制系统的设计提供理论指导。同时也说明给定对象的非最小相位零点、不稳定极点、通信编码和白噪声决定网络化控制系统的最优跟踪性能。