基于通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)控制及濾波問題研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的控制和濾波問題是當(dāng)今控制領(lǐng)域的主流研究方向之一。隨著網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（如環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化、智能電網(wǎng)和移動通信），針對網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的研究吸引了國內(nèi)外大量學(xué)者的興趣。在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，所有系統(tǒng)元件都以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的形式接入一共享的通信網(wǎng)絡(luò)，并利用基于網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。為了防止基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，通信網(wǎng)絡(luò)通常都配備了相應(yīng)的通信協(xié)議。在通信協(xié)議的規(guī)范下，網(wǎng)絡(luò)中僅有一個（或有限個）節(jié)點能獲得網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán)限。

2、典型的通信協(xié)議有Round-Robin（RR）協(xié)議、Weighted Try-Once-Discard（WTOD）協(xié)議和隨機通信協(xié)議（Stochastic Communication Protocol，SCP）。目前，基于通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)分析與綜合研究主要是針對線性系統(tǒng)和確定性系統(tǒng)。然而，對于非線性隨機系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、時滯系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)，相應(yīng)的基于通信協(xié)議的控制和濾波問題尚未得到充分研究，并存在許多亟待解決的重難點問題。
　　

3、本論文旨在探討幾類網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)在協(xié)議影響下的控制和濾波問題，如通信協(xié)議影響下時變系統(tǒng)的控制和濾波問題、非線性系統(tǒng)的狀態(tài)估計和最終有界控制問題、復(fù)雜系統(tǒng)的一致性控制和狀態(tài)估計問題。為了處理以上問題，本論文提出了一些新方法，如映射方法、基于Riccati差分方程的分析法和基于類Lyapunov泛函的參數(shù)設(shè)計法。根據(jù)研究內(nèi)容的不同，本論文可分成以下六部分。第一部分中，我們在第一章詳細介紹了網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的研究背景、通信協(xié)議的工作原理、基于通信協(xié)議的

4、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)研究框架和主要研究成果。在此基礎(chǔ)上，我們提出一些現(xiàn)有研究方向的不足和有待解決的問題，并引出本論文的主要研究內(nèi)容。
　　第二部分中，我們在第二章探討了通信協(xié)議影響下網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的濾波/狀態(tài)估計問題。首先，我們研究了一類非線性系統(tǒng)在SCP影響下的滾動時域估計問題。首先，我們在這一章介紹了SCP調(diào)度下的信號傳輸模型——基于Markov鏈描述的隨機模型，用以描述傳感器節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則。然后，通過拓展魯棒滾動時域估計方法，我們得到

5、了一類新型的非線性滾動時域估計器和一類近似非線性滾動時域估計器。針對近似非線性滾動時域估計算法，這一章給出了上述算法下估計誤差在均方意義下最終有界的充分條件。在此基礎(chǔ)上，我們將所得結(jié)果進一步推廣到SCP影響下線性系統(tǒng)的滾動時域估計問題。其次，本章還探討了通信協(xié)議影響下，一類具有混合時滯的時變系統(tǒng)集員濾波問題。這里考慮了另兩類協(xié)議，分別為RR協(xié)議和WTOD協(xié)議。該問題旨在針對一類受有界非高斯噪聲干擾的時滯時變系統(tǒng)，設(shè)計對應(yīng)的集員濾波器，以

6、確保估計誤差能被約束在某個橢球集合內(nèi)。通過一遞推算法，我們得到了濾波器存在的充分條件。此外，我們針對系統(tǒng)所使用的通信協(xié)議提出了兩個對應(yīng)的優(yōu)化問題，并通過求解該問題得到相應(yīng)的濾波器參數(shù)。
　　第三部分中，我們在第三章研究了在RR協(xié)議影響下，一類時滯隨機復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)估計問題。為了預(yù)防各節(jié)點在傳輸信號時發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，這一章中，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點與估計器之間的通信通過RR協(xié)議進行調(diào)度。這一章旨在為這類時滯隨機復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一狀態(tài)估計器，確保在

7、噪聲干擾和RR協(xié)議影響下估計誤差在均方意義下是最終有界的，本章提出了一種類Lyapunov泛函，結(jié)合隨機分析得到了估計誤差的動態(tài)分析，并通過設(shè)計的估計器參數(shù)令估計誤差的漸近上界最小化。此外，本章的主要結(jié)果還進一步拓展到兩類特殊情況——無時滯的非線性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)以及含時滯的線性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
　　第四部分中，我們在第四章考慮了通信協(xié)議影響下網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的控制問題。首先，本章探討了一類網(wǎng)絡(luò)化非線性系統(tǒng)在WTOD協(xié)議影響下的最終有界控制問題。該網(wǎng)

8、絡(luò)化非線性系統(tǒng)同時考慮了兩類網(wǎng)絡(luò)化約束，分別為通信協(xié)議的調(diào)度作用和均勻量化作用。針對此類問題，這一章研究一類基于非線性觀測器的控制器設(shè)計方法。和傳統(tǒng)的基于Luenberger觀測器的控制器相比，這一章提出的控制器多了一個設(shè)計參數(shù)。然后，利用第二章和第三章介紹的基于類Lyapunov函數(shù)/泛函的方法，并進一步得到了閉環(huán)系統(tǒng)在均方意義下最終有界的充分條件。在此基礎(chǔ)上，通過最小化被控輸出的漸近上界，得到了控制器所需的設(shè)計參數(shù)。其次，這一章還研

9、究了SCP調(diào)度作用下網(wǎng)絡(luò)化時變系統(tǒng)的有限時域H∞控制問題。該系統(tǒng)包含兩個通信網(wǎng)絡(luò)（即傳感器到控制器網(wǎng)絡(luò)和控制器到執(zhí)行機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)），并且每個通信時刻有且僅有一個傳感器和執(zhí)行機構(gòu)允許接入通信網(wǎng)絡(luò)。該問題旨在設(shè)計一類基于觀測器的控制方法，確保閉環(huán)系統(tǒng)在給定的時域范圍內(nèi)滿足H∞性能指標(biāo)。我們利用映射方法得到了一新的Markov鏈，通過該Markov鏈刻畫了網(wǎng)絡(luò)中的SCP調(diào)度作用。在此基礎(chǔ)上，基于隨機分析和完全平方法，我們得到了控制器存在的充分條件

10、，并通過求解兩個耦合的倒推Riccati差分方程得到了控制器的設(shè)計參數(shù)。
　　第五部分中，我們在第五章針對一類在SCP調(diào)度影響下離散時變多智能體，研究了對應(yīng)的有限時域H∞一致性控制問題。這一章所研究的多智能體系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)可通過一有向圖描述，每個節(jié)點的鄰節(jié)點與自己的通信過程受到SCP調(diào)度影響。在SCP調(diào)度影響下，每個傳輸時刻，任何節(jié)點的鄰節(jié)點中僅有一個節(jié)點獲得與之通信的權(quán)限。這一章我們引入了SCP調(diào)度的另一個模型（即基于一組隨機變

11、量描述SCP調(diào)度過程），并通過映射法和Hadamard乘積，閉環(huán)的多智能體系統(tǒng)被建模為一個具有隨機參數(shù)矩陣的時變系統(tǒng)。本章的目的為針對任意可能的協(xié)議調(diào)度過程，設(shè)計對應(yīng)的協(xié)同控制器，使得給定時域內(nèi)的H∞一致性性能指標(biāo)得到滿足。針對得到的閉環(huán)系統(tǒng)，本章利用隨機分析和完全平方法得到了一個確保其滿足H∞一致性指標(biāo)的充分必要條件，并通過求解兩個耦合的倒推Riccati差分方程得到了所需的控制器設(shè)計參數(shù)。
　　第六部分為本論文的第六章。這一章

12、我們考慮了基于通信的列車控制（communication-based train control，CBTC）系統(tǒng)在p-持續(xù)CSMA協(xié)議影響下的狀態(tài)估計問題。首先，我們利用牛頓運動學(xué)方程建立了一含有n節(jié)車廂列車的行駛過程模型，其中該列車車廂之間通過耦合器連接。然后，我們利用一組滿足Bernoulli分布的隨機序列建立了p-持續(xù)CSMA協(xié)議影響下的信號傳輸模型。該模型中隨機分布的概率由共享一個信道的列車數(shù)量決定（即N(k)）。本文假設(shè)N(k