時(shí)變采樣間隔網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Networked Control Systems, NCSs）是將傳感器、執(zhí)行器和控制器等單元通過網(wǎng)絡(luò)連接起來的分布式控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因?yàn)橛泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如減少成本、減輕重量、降低能耗、易于安裝和維護(hù)、安全性高等，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是引入網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致諸如時(shí)延、丟包、時(shí)變采樣間隔、傳輸受限和量化誤差等問題，這些都會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)及容錯(cuò)控制具有十分

2、重大的理論和實(shí)踐意義。
　　相比于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延、丟包、傳輸受限和量化誤差方面所取得的豐富成果，對(duì)時(shí)變采樣間隔的研究結(jié)果還比較少。特別，研究時(shí)變采樣間隔網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制基本上是一個(gè)空白領(lǐng)域。因此，本文研究了時(shí)變采樣間隔網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)，故障檢測(cè)及容錯(cuò)控制問題。主要工作和貢獻(xiàn)如下：
　　總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中以往有關(guān)采樣間隔的研究工作，包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式、采樣間隔選取方法，采樣間隔對(duì)

3、系統(tǒng)性能的影響、建模方法和研究方向等，同時(shí)指出了尚需要繼續(xù)研究的問題。
　　提出了同時(shí)描述時(shí)變采樣間隔和時(shí)變時(shí)延的新模型。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在的有界、未知、時(shí)變的采樣間隔和時(shí)延，利用矩陣 Jordan分解與變換，將采樣間隔和時(shí)延的不確定性轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，建立了凸多面體描述的離散時(shí)間不確定性系統(tǒng)模型。利用離散時(shí)間多面體不確定系統(tǒng)的凸性，即在凸多面體頂點(diǎn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)和求解，所得結(jié)果對(duì)整個(gè)多面體系統(tǒng)都是合適的，對(duì)時(shí)變采樣間

4、隔網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。
　　基于Lyapunov穩(wěn)定性定理，有界實(shí)引理和線性矩陣不等式(LMIs)方法，分別設(shè)計(jì)了參數(shù)依賴和參數(shù)不依賴的狀態(tài)反饋控制器，保性能狀態(tài)反饋控制器及動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器，給出了時(shí)變采樣間隔網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)保持漸近穩(wěn)定的充分條件。利用最優(yōu)控制理論的常用H2范數(shù)和H∞范數(shù)性能指標(biāo)，考慮系統(tǒng)中的噪聲干擾，提出滿足混合魯棒H2/H∞性能的控制器設(shè)計(jì)方法。分別設(shè)計(jì)了滿足混合魯棒H2/H∞性能的參數(shù)依賴和參數(shù)不依賴的狀態(tài)

5、反饋和動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器?？刂破鲄?shù)通過求解以LMIs為約束條件的凸優(yōu)化問題得到。數(shù)值仿真驗(yàn)證了控制器設(shè)計(jì)的有效性，同時(shí)也對(duì)參數(shù)依賴和參數(shù)不依賴設(shè)計(jì)結(jié)果的保守性進(jìn)行了比較。
　　設(shè)計(jì)了魯棒H∞故障檢測(cè)濾波器，將故障檢測(cè)問題設(shè)計(jì)歸結(jié)為H∞魯棒濾波問題，利用Lyapunov穩(wěn)定性定理和LMIs方法，給出了濾波器存在的充分條件及其具體參數(shù)的表達(dá)式。同時(shí)設(shè)計(jì)了滿足混合 H∞/H－性能的故障觀測(cè)器，對(duì)有限頻率范圍的故障進(jìn)行檢測(cè)。利用廣義KY

6、P引理和有界實(shí)引理，將H∞/H－性能指標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為以LMIs為約束條件的凸優(yōu)化問題。對(duì)兩種不同的故障檢測(cè)器，設(shè)計(jì)相同的檢測(cè)閾值、殘差評(píng)價(jià)函數(shù)和故障判斷邏輯。通過數(shù)值仿真，驗(yàn)證了所提方法的有效性并分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　考慮可能發(fā)生的執(zhí)行器故障，分兩步設(shè)計(jì)了主動(dòng)容錯(cuò)控制器。首先設(shè)計(jì)了觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行估計(jì)。接著，利用估計(jì)故障來實(shí)時(shí)調(diào)整控制律，分別設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)反饋和基于動(dòng)態(tài)輸出反饋的魯棒容錯(cuò)控制器。應(yīng)用Lyapunov穩(wěn)