網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的介質(zhì)訪問受限問題研究.pdf

1、近幾十年來，在快速發(fā)展的計算機技術、通信網(wǎng)絡技術和智能傳感技術的推動下，控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從點對點控制模式到網(wǎng)絡化控制模式的變革。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)(NCSs)以其布線少、成本低、易于擴展和維護以及靈活性高等優(yōu)點，在工業(yè)界得到了廣泛的應用。因此，NCSs正在受到越來越多的關注，并成為了當前控制界的熱點研究領域之一。
　　然而，NCSs在帶來眾多優(yōu)點的同時也付出了降低測量和控制信號傳輸實時性的代價。傳統(tǒng)的控制理論假設系統(tǒng)中的測量和控制信號實

2、時、不受限制地傳輸，從而在NCSs中將不再適用。另一方面，網(wǎng)絡資源的調(diào)度也極大地影響著閉環(huán)NCSs的性能。因此，如何設計網(wǎng)絡化控制器和資源調(diào)度策略以保證閉環(huán)NCSs的穩(wěn)定性和控制性能是NCSs的一個重要研究課題。到目前為止，關于NCSs已有了豐富的研究成果，但大部分都是單獨從控制器或者調(diào)度策略的角度出發(fā)，比如研究時延和丟包，帶寬配置等問題的成果。介質(zhì)訪問受限是引起NCSs中時延和丟包的重要原因，同時是網(wǎng)絡資源受限的一種重要表現(xiàn)形式。因此

3、介質(zhì)訪問受限問題的研究同時涉及到控制器和調(diào)度策略，是NCSs中更為本質(zhì)和值得研究的問題之一。
　　本文針對NCSs中的介質(zhì)訪問受限問題，根據(jù)介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議是確定性和隨機兩種情況，展開了如下幾個方面的研究:
　　1.針對具有確定性MAC協(xié)議的NCSs，提出了在一個采樣周期內(nèi)進行多次傳輸?shù)男滦蛡鬏敳呗?。首先考慮同時具有確定性MAC協(xié)議與分布式傳輸時延NCSs的控制器與調(diào)度策略協(xié)同設計問題?；谛滦偷膫鬏敳呗?，將閉環(huán)N

4、CS建模為一個切換信號與調(diào)度策略有關的切換系統(tǒng)，采用平均駐留時間方法，給出了閉環(huán)NCS指數(shù)穩(wěn)定的充分條件和控制器與調(diào)度策略的協(xié)同設計方法。其次考慮同時具有確定性MAC協(xié)議與隨機丟包NCSs的協(xié)同設計問題。將閉環(huán)NCS建模為一個帶有隨機變量的切換系統(tǒng)?；谄骄v留時間方法，得到了閉環(huán)NCS均方指數(shù)穩(wěn)定的充分條件和協(xié)同設計的方法。
　　2.考慮具有確定性MAC協(xié)議的網(wǎng)絡化H∞濾波器設計問題。首先提出一種加權補償策略，將濾波誤差系統(tǒng)建模

5、為一個切換信號為通信序列的切換系統(tǒng)，并給出了濾波誤差系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定且具有給定H∞濾波性能的充分條件和最優(yōu)H∞濾波器的設計方法，所得結(jié)果建立了補償系數(shù)與最優(yōu)H∞濾波性能的關系。其次，加入隨機丟包和量化的影響，采用置零補償策略，則此時的濾波誤差系統(tǒng)為一個帶有隨機變量的不確定切換系統(tǒng)?；谄骄v留時間方法，給出了濾波誤差系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定且具有給定H∞性能的充分條件和最優(yōu)H∞濾波器的設計方法，分別建立了通信序列、丟包率、量化密度與和最優(yōu)H∞濾波性

6、能的關系。
　　3.對具有隨機MAC協(xié)議的NCSs而言，其資源分配方式由介質(zhì)訪問概率描述。首先研究具有隨機MAC協(xié)議NCSs的保性能控制問題，用一個獨立同分布序列描述執(zhí)行器節(jié)點的隨機介質(zhì)訪問過程，通過將該序列映射為多個二值隨機序列，把閉環(huán)NCS建模為一個隨機系統(tǒng)，并給出閉環(huán)NCS隨機穩(wěn)定且具有二次性能上界的充分條件和保性能控制器的設計方法，建立了節(jié)點的介質(zhì)訪問概率與二次性能上界的關系。其次考慮具有隨機MAC協(xié)議NCSs的網(wǎng)絡化H∞

7、濾波器設計問題，采用與保性能控制類似的思想，給出了濾波誤差系統(tǒng)隨機穩(wěn)定且具有給定H∞性能的充分條件和最優(yōu)H∞濾波器的設計方法。建立了節(jié)點的介質(zhì)訪問概率與最優(yōu)H∞濾波性能的關系。
　　4.由于在實際應用中要得到節(jié)點介質(zhì)訪問概率的精確值比較困難，所能得到的往往是與精確值的誤差在一定范圍內(nèi)的估計值，因此考慮具有不確定介質(zhì)訪問概率和量化NCSs的H∞濾波問題。濾波誤差系統(tǒng)為一個同時帶有模型和概率不確定性的隨機系統(tǒng)，基于馬爾可夫隨機切換系統(tǒng)

8、理論得到了濾波誤差系統(tǒng)隨機穩(wěn)定且具有給定H∞性能的充分條件和最優(yōu)H∞濾波器的設計方法。分別建立了概率的不確定界和量化密度與H∞濾波性能的關系。
　　5.通過具有隨機MAC協(xié)議的網(wǎng)絡控制，比如以太網(wǎng)或者因特網(wǎng)，NCSs所呈現(xiàn)出的是分布式隨機時延和丟包特性。針對這一問題，提出了一種改進的處理分布式時延和丟包的網(wǎng)絡化預測控制方法，該方法更為有效地利用了測量數(shù)據(jù)，提高了閉環(huán)NCS的性能，并給出了在該方法控制下閉環(huán)NCS的穩(wěn)定性條件。