基于通信協議的網絡化系統(tǒng)控制及濾波問題研究.pdf

1、網絡化系統(tǒng)的控制和濾波問題是當今控制領域的主流研究方向之一。隨著網絡化系統(tǒng)在不同領域的廣泛應用（如環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化、智能電網和移動通信），針對網絡化系統(tǒng)的研究吸引了國內外大量學者的興趣。在網絡化系統(tǒng)中，所有系統(tǒng)元件都以網絡節(jié)點的形式接入一共享的通信網絡，并利用基于網絡的通信技術傳輸數據。為了防止基于網絡的數據傳輸發(fā)生數據沖突，通信網絡通常都配備了相應的通信協議。在通信協議的規(guī)范下，網絡中僅有一個（或有限個）節(jié)點能獲得網絡的使用權限。

2、典型的通信協議有Round-Robin（RR）協議、Weighted Try-Once-Discard（WTOD）協議和隨機通信協議（Stochastic Communication Protocol，SCP）。目前，基于通信協議的網絡化系統(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)和復雜系統(tǒng)，相應的基于通信協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絡化系統(tǒng)在協議影響下的控制和濾波問題，如通信協議影響下時變系統(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泛函的參數設計法。根據研究內容的不同，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絡化系統(tǒng)的研究背景、通信協議的工作原理、基于通信協議的

4、網絡化系統(tǒng)研究框架和主要研究成果。在此基礎上，我們提出一些現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容。
　　第二部分中，我們在第二章探討了通信協議影響下網絡化系統(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)點接入網絡的規(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。在此基礎上，我們將所得結果進一步推廣到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議，分別為RR協議和WTOD協議。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)，設計對應的集員濾波器，以

6、確保估計誤差能被約束在某個橢球集合內。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)所使用的通信協議提出了兩個對應的優(yōu)化問題，并通過求解該問題得到相應的濾波器參數。
　　第三部分中，我們在第三章研究了在RR協議影響下，一類時滯隨機復雜網絡的狀態(tài)估計問題。為了預防各節(jié)點在傳輸信號時發(fā)生數據沖突，這一章中，復雜網絡各節(jié)點與估計器之間的通信通過RR協議進行調度。這一章旨在為這類時滯隨機復雜網絡設計一狀態(tài)估計器，確保在

7、噪聲干擾和RR協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，結合隨機分析得到了估計誤差的動態(tài)分析，并通過設計的估計器參數令估計誤差的漸近上界最小化。此外，本章的主要結果還進一步拓展到兩類特殊情況——無時滯的非線性復雜網絡以及含時滯的線性復雜網絡。
　　第四部分中，我們在第四章考慮了通信協議影響下網絡化系統(tǒng)的控制問題。首先，本章探討了一類網絡化非線性系統(tǒng)在WTOD協議影響下的最終有界控制問題。該網

8、絡化非線性系統(tǒng)同時考慮了兩類網絡化約束，分別為通信協議的調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計參數。然后，利用第二章和第三章介紹的基于類Lyapunov函數/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計參數。其次，這一章還研

9、究了SCP調度作用下網絡化時變系統(tǒng)的有限時域H∞控制問題。該系統(tǒng)包含兩個通信網絡（即傳感器到控制器網絡和控制器到執(zhí)行機構網絡），并且每個通信時刻有且僅有一個傳感器和執(zhí)行機構允許接入通信網絡。該問題旨在設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滿足H∞性能指標。我們利用映射方法得到了一新的Markov鏈，通過該Markov鏈刻畫了網絡中的SCP調度作用。在此基礎上，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計參數。
　　第五部分中，我們在第五章針對一類在SCP調度影響下離散時變多智能體，研究了對應的有限時域H∞一致性控制問題。這一章所研究的多智能體系統(tǒng)的拓撲結構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調度影響。在SCP調度影響下，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限。這一章我們引入了SCP調度的另一個模型（即基于一組隨機變

11、量描述SCP調度過程），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矩陣的時變系統(tǒng)。本章的目的為針對任意可能的協議調度過程，設計對應的協同控制器，使得給定時域內的H∞一致性性能指標得到滿足。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計參數。
　　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協議影響下的狀態(tài)估計問題。首先，我們利用牛頓運動學方程建立了一含有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量決定（即N(k)）。本文假設N(k