基于通信約束的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)最優(yōu)性能研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCSs)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,例如工業(yè)自動化,分布式移動通信,無人機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)受到越來越多的研究重視,但由于其固有通信限制而面臨著許多新的挑戰(zhàn)。如帶寬,信噪比,數(shù)據(jù)包的丟失,量化精度,延時(shí)等都會降低網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能,甚至導(dǎo)致其不穩(wěn)定。目前大量研究工作都是研究網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模以及穩(wěn)定性的問題,但是在通信約束下,考慮系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)問題卻很少,同時(shí)最優(yōu)性能是控制理論中一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。目前大

2、部分研究成果都指出控制系統(tǒng)的性能極限由輸入信號和系統(tǒng)的固有特性共同決定。本文主要基于通信約束研究網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)最優(yōu)跟蹤性能問題。全文研究內(nèi)容如下:
　　分別考慮到控制系統(tǒng)存在測量噪聲和擾動影響的情形,針對線性時(shí)不變系統(tǒng)跟蹤隨機(jī)信號問題的進(jìn)行研究。采用雙自由度控制器及譜分解方法得到最優(yōu)跟蹤性能的顯示表達(dá)式。研究表明被控對象的非最小相位零點(diǎn)、零點(diǎn)方向、不穩(wěn)定極點(diǎn)、參考輸入方向、參考輸入信號和擾動信號特性決定了控制系統(tǒng)最優(yōu)跟蹤性能。這為

3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
　　研究了存在通信帶寬約束下的多輸入多輸出線性時(shí)不變離散控制系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤問題,參考輸入信號為階躍信號。跟蹤性能指標(biāo)是通過被控對象的輸出與參考信號之間的誤差信號的能量來度量,并采用雙自由度控制器得到最優(yōu)跟蹤性能的精確表達(dá)式。研究表明最優(yōu)跟蹤性能由給定對象的非最小相位的零點(diǎn)、零點(diǎn)方向、參考輸入信號的方向、不穩(wěn)定的極點(diǎn)決定、極點(diǎn)方向以及通信帶寬和信道中的高斯白噪聲決定。進(jìn)一步說明了最優(yōu)跟蹤性能是如何受通信帶

4、寬和高斯噪聲約束的。
　　針對通信誘導(dǎo)時(shí)延影響控制系統(tǒng)性能,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,提出基于通信誘導(dǎo)時(shí)延約束分別研究單輸入單輸出線性時(shí)不變連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤問題。采用單自由度控制器,得到最優(yōu)跟蹤性能的精確解。研究表明最優(yōu)跟蹤性能由給定對象的非最小相位零點(diǎn)、不穩(wěn)定極點(diǎn)和信道誘導(dǎo)時(shí)延決定,進(jìn)一步說明信道誘導(dǎo)時(shí)延是怎樣的影響控制系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤性能。
　　由于通信容量直接影響網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能,而通信的信噪比直接決定

5、容量的大小?；谕ㄐ判旁氡燃s束提出研究單輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤性能問題。跟蹤性能指標(biāo)由對象的輸出和參考輸入信號間誤差的方差能量值來度量。通過H2范數(shù)和譜分解技術(shù)方法得到最優(yōu)跟蹤性能的顯示表達(dá)式。研究表明最優(yōu)跟蹤性能由給定對象的不穩(wěn)定極點(diǎn)、參考信號的功率譜密度和通信的信噪比決定。研究所得到的結(jié)論清晰地表明了最優(yōu)跟蹤性能是如何受到通信的信噪比約束的。
　　網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能由控制系統(tǒng)本身和網(wǎng)絡(luò)決定,故提出基于通信約束和通

6、道編碼設(shè)計(jì)研究多輸入多輸出連續(xù)控制系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤問題。采用二自由度控制器控制,進(jìn)一步考慮網(wǎng)絡(luò)編碼和控制器聯(lián)合設(shè)計(jì)問題,最終得到最優(yōu)跟蹤性能的精確表達(dá)式。研究表明最優(yōu)跟蹤性能主要取決于給定對象的非最小相位零點(diǎn)、零點(diǎn)方向、不穩(wěn)定極點(diǎn)、極點(diǎn)方向以及通信信道的帶寬和白噪聲。這為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
　　大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸都是雙向的,同時(shí)通信編碼也嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的性能,故提出基于通信編碼和白噪聲同時(shí)存在前向通道和反饋通道中研究網(wǎng)絡(luò)