网络控制系统的模型化分析与控制算法研究

admin · 发表于 2024-2-9 17:31:49

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自上世纪90年代以来，随着计算机技术、通信技术、网络技术以及控制理论的发展，网络控制技术以及在网络平台上构筑而成的网络控制系统已成为自动化领域技术发展的热点。网路控制系统主要分为网络控制、基于网络的控制、多智能体系统三个研究领域。网络控制是针对网络自身的控制，主要是对通信网络的网络路由、网络流量等的调度与控制，基于网络的控制是对被控系统的控制，网络只是作为一种传输通道，研究时考虑网络自身存在的题目对系统的影响，对整个闭环系统进行建模、性能分析以及控制器的设计等，多智能体系统主要是研究网络的拓扑结构和多智能体之间的相互作用对整个系统行为的影响。本文主要针对基于网络的控制系统中的时延、丢包、多输入多输出题目，基于李雅普诺夫稳定性理论、切换系统理论、马尔可夫跳变系统理论、时滞系统理论、以及线性矩阵不等式方法，对线性系统、非线性系统的网络化控制题目、以及网络控制系统的实际应用进行了深入地研究，主要包括以下内容：（1）针对网络控制系统的单边（从传感器到控制器）随机时延题目，基于跳变系统理论将其建模为含有一个跳变参数马尔可夫跳变系统。运用李雅普诺夫稳定性理论并结合线性矩阵不等式方法，给出马尔可夫跳变系统的稳定性判据，进一步，基于系统稳定性判据，设计出保证系统随机稳定的控制器。从而有效的解决了网络控制系统中从传感器端到控制器端存在随机时延的控制题目。（2）针对网络控制系统的双边（从传感器端到控制器端以及从控制器端到执行器端）随机时延题目，基于跳变系统理论将其建模为含有两个跳变参数多跳马尔可夫跳变系统。运用李雅普诺夫稳定性理论并结合Razumikhin理论给出含有两个跳变参数的马尔可夫跳变系统的稳定性判据，由于稳定性判据以双线性矩阵不等式的形式描述，因此不能直接运用线性矩阵不等式的方法设计控制器。针对这一题目，我们提出一种新的控制器设计方法，从而有效的解决了网络控制系统中从传感器端到控制器端以及从控制器端到执行器端同时存在随机时延的控制题目。（3）针对双通道网络控制系统随机丢包（任意丢包、马尔可夫丢包、准马尔可夫丢包）题目，基于迭代方法建立相应的数学模型，分别针对任意丢包过程、马尔可夫丢包过程、准马尔可夫丢包过程的网络控制系统进行稳定性分析以及控制算法的研究。对于确定性丢包题目，本文将网络视为按一定速率切换的开关，从而将确定性丢包网络控制系统建模为一个切换系统，进一步基于平均逗留时间的方法给出系统指数稳定性的判据和系统稳定与丢包率之间的关系。（4）针对网络控制系统中同时存在时延和丢包题目，基于零阶保持器的工作机制，将同时受时延和丢包影响的网络控制系统建模为输入带有时延的控制系统，根据李雅普诺夫稳定性理论和时滞系统理论得出控制系统的时滞相关稳定性条件，进而提出了二种新的状态反馈控制器的设计方法。从而有效的解决了网络控制系统中同时存在时延和丢包的控制题目。（5）针对非线性网络控制系统的时延题目，运用李雅普诺夫稳定性理论并结合Razumikhin理论，给出其稳定性的判据和控制器设计方法。由于该方法能够减小时滞相关结论的保守性，因此把它应用到解决线性网络控制系统的时延分析题目，结果表明所得到的最大时延界具有较小的保守性。（6）针对多输入多输出网络控制系统，建立相应的标称系统和不确定系统的数学模型，运用奇异系统的方法，并结合线性矩阵不等式技巧，给出标称系统和不确定系统的低保守性稳定性判据。进而给出了标称系统和不确定系统的最大时延界。同时也讨论了时变多输入多输出网络控制系统的指数稳定性。（7）为了验证设计方法的有效性，我们对网络化Furuta摆系统进行控制器设计与实物仿真实验。为此，我们首先建立Furuta摆系统的动力学模型，运用我们所提出的控制算法设计了控制器。进而基于Truetime仿真工具箱进行了网络环境下Furuta摆系统的仿真。最后，在仿真的基础上，实现了网络环境下的Furuta摆的实时控制实验，验证了设计方法和控制算法的有效性。

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