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网络控制系统的建模、稳定与控制研究

黄剑  
【摘要】:进入21 世纪的控制系统将以网络为主要特征。自动化与控制需要更深层次地渗透通信与网络技术,现场总线等具有实时性的控制网络如今已广泛地进入工业控制领域,以智能网络节点为基础实现传感器、控制器、执行器的网络化控制系统结构将是新一代控制系统形式的大势所趋。网络控制系统由于网络的介入,不可避免地带来了许多问题:如网络传输导致的反馈和控制输入中的时滞、网络带宽的限制使得数据必须分批传送、通信过程失败造成的分组丢失、不同的网络节点之间系统时钟的异步等等。这些问题的存在,不但会降低系统的控制性能,而且还是引起系统不稳定的潜在因素。本文在详细分析这些网络化的不利影响的基础上,利用李亚普诺夫稳定性理论、时滞系统理论、切换系统理论、脉冲系统理论的一些现有结果,对网络控制系统的建模、稳定性和控制方法进行了相关研究。 为确保建模的合理性与实用性,本文首先概括总结了当前网络控制系统的研究文献中关于网络化的影响分析,以及解决这些不利影响的各种现有方法。定性的网络化影响分析对于网络控制系统的建模工作具有重要的指导意义。 网络传输时滞是网络化给控制系统带来的最显著的不利影响,迄今已有的工作多数只针对定常网络传输时滞的研究,关于时变时滞的讨论则非常少见。为填补这个空白,本文对时变传输时滞影响的网络控制系统进行了建模与分析工作。首先在离散系统的框架下为此类系统建立了时变时滞线性区间系统模型,进一步利用离散系统的李亚普诺夫稳定性理论与方法以及矩阵不等式的相关理论,研究了这些模型的鲁棒稳定性问题; 另外,考虑到非线性被控对象在实际系统中具有更广泛的代表性,本文还研究了非线性不确定时变时滞网络控制系统的建模及稳定性分析工作,利用非线性映射的雅各比矩阵等手段得到了简洁的稳定性判据。 除了时滞的影响之外,不可靠的网络通信时常会造成分组信息的丢失,亦即所谓的数据丢包现象。对于数据丢包为主要不利影响的所谓有损网络控制系统,本文分别从连续和离散两种情况使用切换系统模型进行了描述,并首次提出了这类切换系统模型与一类脉冲系统的关于稳定性的等价定理,从而将网络控制系统转换为脉冲系统进行研究。我们将切换系统中关于“慢切换”情况下驻留时间与稳定性关系的结论予以引申应用于脉冲系统之上,得到了此类脉冲系统(含脉冲微


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