網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能分析與控制研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無處不在，宏觀世界和微觀世界的一切事物都可以用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的觀點(diǎn)去描述和分析。本文的研究涉及到了兩類典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，參考輸入、對象輸出和控制輸入等信息通過網(wǎng)絡(luò)在控制器、執(zhí)行器和傳感器之間傳輸，形成了更加靈活、功能更為強(qiáng)大的控制體系。網(wǎng)絡(luò)化控制實(shí)現(xiàn)了資源的共享，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和開發(fā)成本，近年來得到研究者的廣泛關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)的引入既給控制系統(tǒng)帶來了便利，同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn)。一般來說，

2、信號在網(wǎng)絡(luò)中傳輸必然受到通訊因素的制約，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能。目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究主要集中在基于狀態(tài)空間法研究網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)參量，如時(shí)延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，而基于頻域最優(yōu)控制的方法研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能則較少。本文的研究從后者出發(fā)，通過研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能極限來揭示通訊信道特征參量與控制系統(tǒng)性能極限之間的內(nèi)在聯(lián)系。本文也研究了另外一類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究涉及到電子電路、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通訊理論、控制理論等

3、領(lǐng)域，目前在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都有大量的研究者從事相關(guān)工作。本文從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模型，并利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中常用的分析手段對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)性能與節(jié)點(diǎn)可用能量受限的矛盾，提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。全文主要內(nèi)容概括如下：
　　 研究了線性時(shí)不變、多輸入多輸出系統(tǒng)對隨機(jī)信號的平均跟蹤性能極限問題?？紤]的隨機(jī)參考輸入信號為布朗運(yùn)動(dòng)。研究結(jié)果表明此類系統(tǒng)的跟蹤性能極限完全由被控對象的結(jié)構(gòu)特征和參考輸

4、入的統(tǒng)計(jì)特征決定。其中結(jié)構(gòu)特征指被控對象的非最小相位零點(diǎn)和不穩(wěn)定極點(diǎn)的位置和方向。作為特殊情形，給出了參考輸入為一致隨機(jī)信號以及被控對象僅含有單個(gè)非最小相位零點(diǎn)和單個(gè)不穩(wěn)定極點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)跟蹤性能極限。最后，給出了兩自由度控制器跟蹤系統(tǒng)對隨機(jī)信號的跟蹤性能極限。
　　 研究了線性時(shí)不變、多輸入多輸出、連續(xù)系統(tǒng)在輸出反饋受到加性高斯噪聲的干擾時(shí)的跟蹤性能極限問題。也即求取系統(tǒng)跟蹤布朗運(yùn)動(dòng)的最小誤差值，其中布朗運(yùn)動(dòng)用于模擬確定性系統(tǒng)中的階

5、躍信號。這部分研究同時(shí)考慮了單位反饋和兩自由度控制器結(jié)構(gòu)。對于單位反饋結(jié)構(gòu)，得到了跟蹤性能極限的一個(gè)下界，而對于兩自由度控制器結(jié)構(gòu)，則得到了跟蹤性能極限的精確值。所有結(jié)果表明高斯噪聲與不穩(wěn)定極點(diǎn)和非最小相位零點(diǎn)等對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征相互作用，惡化了系統(tǒng)的跟蹤性能。
　　 研究了線性時(shí)不變、離散系統(tǒng)在輸出反饋經(jīng)過均勻量化器時(shí)的跟蹤性能極限問題。考慮的系統(tǒng)為兩自由度控制器結(jié)構(gòu)，分別考慮單輸入單輸出和多輸入多輸出對象。結(jié)果表明量化的輸出反

6、饋使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的跟蹤性能變差。對于固定的量化間隔，跟蹤性能惡化的程度取決于對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。對于多輸入多輸出對象，合適選擇量化方式能有效地降低量化帶來的負(fù)面影響，提高系統(tǒng)的跟蹤性能。
　　 利用隨機(jī)圖的鍵逾滲模型為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建模。利用鍵逾滲模型的相變現(xiàn)象考察無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)連通性的關(guān)系，使得網(wǎng)絡(luò)在保證連通性的同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)能量消耗。提出了節(jié)點(diǎn)工作方式改進(jìn)算法，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗更為均勻，延長了網(wǎng)絡(luò)的使