網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能分析與控制研究.pdf

1、網(wǎng)絡系統(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)絡系統(tǒng)的觀點去描述和分析。本文的研究涉及到了兩類典型的網(wǎng)絡系統(tǒng)：網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡控制系統(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、功能更為強大的控制體系。網(wǎng)絡化控制實現(xiàn)了資源的共享，降低了控制系統(tǒng)的復雜度和開發(fā)成本，近年來得到研究者的廣泛關注。網(wǎng)絡的引入既給控制系統(tǒng)帶來了便利，同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。一般來說，

2、信號在網(wǎng)絡中傳輸必然受到通訊因素的制約，進而影響網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能。目前網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究主要集中在基于狀態(tài)空間法研究網(wǎng)絡誘導參量，如時延對系統(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)絡系統(tǒng)——無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡的研究涉及到電子電路、計算機科學、通訊理論、控制理論等

3、領域，目前在各個學科領域都有大量的研究者從事相關工作。本文從復雜網(wǎng)絡的角度出發(fā)建立無線傳感器網(wǎng)絡的模型，并利用復雜網(wǎng)絡中常用的分析手段對無線傳感器網(wǎng)絡進行分析，解決無線傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡性能與節(jié)點可用能量受限的矛盾，提高網(wǎng)絡的使用壽命。全文主要內(nèi)容概括如下：
　　 研究了線性時不變、多輸入多輸出系統(tǒng)對隨機信號的平均跟蹤性能極限問題?？紤]的隨機參考輸入信號為布朗運動。研究結果表明此類系統(tǒng)的跟蹤性能極限完全由被控對象的結構特征和參考輸

4、入的統(tǒng)計特征決定。其中結構特征指被控對象的非最小相位零點和不穩(wěn)定極點的位置和方向。作為特殊情形，給出了參考輸入為一致隨機信號以及被控對象僅含有單個非最小相位零點和單個不穩(wěn)定極點時系統(tǒng)跟蹤性能極限。最后，給出了兩自由度控制器跟蹤系統(tǒng)對隨機信號的跟蹤性能極限。
　　 研究了線性時不變、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的跟蹤性能極限問題。也即求取系統(tǒng)跟蹤布朗運動的最小誤差值，其中布朗運動用于模擬確定性系統(tǒng)中的階

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

6、饋使網(wǎng)絡控制系統(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)部結構特征。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面影響，提高系統(tǒng)的跟蹤性能。
　　 利用隨機圖的鍵逾滲模型為無線傳感器網(wǎng)絡建模。利用鍵逾滲模型的相變現(xiàn)象考察無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點工作狀態(tài)與網(wǎng)絡連通性的關系，使得網(wǎng)絡在保證連通性的同時降低節(jié)點能量消耗。提出了節(jié)點工作方式改進算法，使得整個網(wǎng)絡的能量消耗更為均勻，延長了網(wǎng)絡的使