基于LMI技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中,通過網(wǎng)絡(luò)連接傳感器、控制器與執(zhí)行器而形成的閉環(huán)系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有可以實(shí)現(xiàn)資源共享、具有較高的容錯(cuò)與故障診斷能力、安裝與維護(hù)簡單、能有效減少系統(tǒng)的體積、增加系統(tǒng)的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
　　 與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn),但是網(wǎng)絡(luò)的引入也會(huì)給系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn),如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂、多包傳輸、通信限制、時(shí)變采樣周期等。

2、現(xiàn)有文獻(xiàn)中的結(jié)果主要考慮具有時(shí)延及丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析,控制器設(shè)計(jì)等問題,通過合理的設(shè)計(jì)控制器并采用合適的時(shí)延及丟包補(bǔ)償方案來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)H∞性能的問題并未得到充分考慮。
　　 本論文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時(shí)延及丟包現(xiàn)象,提出了主動(dòng)變采樣周期方法以充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬,與基于常數(shù)采樣周期的方法相比,該方法既可以保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的充分利用又可以減小發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。提出了時(shí)延切換的方法來處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)

3、時(shí)變時(shí)延,并通過理論推導(dǎo)證明了時(shí)延切換的方法比基于參數(shù)不確定性的方法具有更小的保守性;提出了時(shí)延切換與參數(shù)不確定性相結(jié)合的方法,該方法的計(jì)算量比時(shí)延切換方法要小,而保守性比基于參數(shù)不確定性的方法要小。改進(jìn)了現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于預(yù)測控制的方法以補(bǔ)償時(shí)延及丟包的負(fù)面影響,改進(jìn)后的方法可有效減小預(yù)測誤差的負(fù)面影響;提出了基于線性估計(jì)的方法及基于多通信通道共享的方法來補(bǔ)償時(shí)延及丟包的負(fù)面影響,與不考慮補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ啾?可在較大程度上改善系統(tǒng)性能;研究了

4、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能優(yōu)化及控制器設(shè)計(jì)問題,即使存在外部擾動(dòng),所設(shè)計(jì)的控制器仍可以保證系統(tǒng)有較好的跟蹤性能。下面詳細(xì)介紹本文的主要工作。
　　 第一、二章系統(tǒng)地分析和總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)這一前沿研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及研究方法,并給出了與本文相關(guān)的一些預(yù)備知識(shí)。
　　 第三章考慮具有被動(dòng)時(shí)變采樣周期及主動(dòng)變采樣周期網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及H∞控制器設(shè)計(jì)問題。對具有被動(dòng)時(shí)變采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),考慮了時(shí)延大于一個(gè)采樣

5、周期且連續(xù)丟包數(shù)大于一個(gè)的情況,也考慮了執(zhí)行器在一個(gè)采樣周期內(nèi)收到兩個(gè)及兩個(gè)以上控制輸入的情況,而這兩種情況現(xiàn)有文獻(xiàn)中很少考慮。提出了一種主動(dòng)變采樣周期方法,其核心是在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)縮短采樣周期從而改善系統(tǒng)性能,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較大的時(shí)候延長采樣周期從而減少網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)并相應(yīng)地減小發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。對具有被動(dòng)時(shí)變及主動(dòng)時(shí)變采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),首先給出了系統(tǒng)的模型,通過定義適當(dāng)?shù)腖yapunov函數(shù)并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化方法、線性矩陣不等

6、式方法、自由加權(quán)矩陣方法及Jensen不等式方法,給出了系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制器。仿真結(jié)果表明,本章所提出的方法具有較小的保守性,同時(shí)計(jì)算復(fù)雜性也比較小(由于Jensen不等式的采用)。
　　 第四章采用時(shí)延切換方法及時(shí)延切換與參數(shù)不確定性相結(jié)合的方法處理網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的隨機(jī)時(shí)延。考慮到現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于參數(shù)不確定性的方法具有較大保守性,本章提出了時(shí)延切換的方法來處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延,并通過理論推導(dǎo)證明了時(shí)延切換的方法

7、比基于參數(shù)不確定性的方法具有更小的保守性?？紤]到時(shí)延切換方法會(huì)增大計(jì)算量,本章又提出了時(shí)延切換與參數(shù)不確定性相結(jié)合的方法,該方法的計(jì)算量比時(shí)延切換方法要小,而保守性比基于參數(shù)不確定性的方法要小。由于上一章中提出的主動(dòng)變采樣周期方法不能避免采樣周期的頻繁切換,本章提出了一個(gè)改進(jìn)的主動(dòng)變采樣周期方法,該方法既可以保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的充分利用又可以避免采樣周期的頻繁切換。
　　 第五章采用預(yù)測控制與基于線性估計(jì)的方法來補(bǔ)償時(shí)延及丟包的負(fù)面影

8、響,研究了線性時(shí)不變系統(tǒng)的H∞性能優(yōu)化及狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)問題。對基于預(yù)測控制的補(bǔ)償方法而言,在為系統(tǒng)選擇控制輸入時(shí),本文充分考慮了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的大小:如果某個(gè)控制輸入的傳輸時(shí)延小于一個(gè)給定的閾值,則使用該控制輸入,如果時(shí)延大于該閾值,則使用預(yù)測的控制輸入,這樣可以有效減小預(yù)測誤差的負(fù)面影響。提出了一個(gè)新的基于線性估計(jì)的方法來補(bǔ)償時(shí)延及丟包的負(fù)面影響,與基于預(yù)測控制的補(bǔ)償方法相比,由于該方法無需提前p步估計(jì)控制輸入并發(fā)送到執(zhí)行器,因而可以有

9、效地減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)載?；谝陨蟽煞N補(bǔ)償方法,本章給出了兩個(gè)新的系統(tǒng)模型,并利用線性矩陣不等式方法給出了系統(tǒng)的H∞控制器設(shè)計(jì)方法。仿真例子驗(yàn)證了所提出的補(bǔ)償方法的優(yōu)越性。
　　 第六章提出一個(gè)基于多通信通道共享的方法來補(bǔ)償時(shí)延及丟包的負(fù)面影響,研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞性能優(yōu)化及控制器設(shè)計(jì)問題。與基于單通信通道的方法相比,對空閑通信通道的共享可以補(bǔ)償時(shí)延及丟包的負(fù)面影響,而且不會(huì)增加系統(tǒng)的硬件成本。與基于預(yù)測控制或估計(jì)的補(bǔ)償方法相比,基

10、于多通信通道共享的方法可以避免預(yù)測誤差或估計(jì)誤差可能給系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響。通過定義合適的Lyapunov函數(shù)并結(jié)合線性矩陣不等式方法,研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的風(fēng)控制器設(shè)計(jì)及H∞性能優(yōu)化問題。由于在設(shè)計(jì)過程中避免了對向量交叉積的放大,因而本章的結(jié)果具有較小的保守性,而仿真例子也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
　　 第七章研究了具有時(shí)延及丟包的離散化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能優(yōu)化及控制器設(shè)計(jì)問題。利用基于線性矩陣不等式的方法及離散Jensen不等式

11、,研究了具有常數(shù)采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能優(yōu)化及控制器設(shè)計(jì)。對于具有時(shí)變采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),采用多目標(biāo)優(yōu)化方法來優(yōu)化系統(tǒng)的H∞輸出跟蹤性能,并相應(yīng)的給出了控制器設(shè)計(jì)方法。由于采用了離散Jensen不等式,本章所提出的H∞輸出跟蹤控制器設(shè)計(jì)方法比基于自由加權(quán)矩陣的方法具有更小的計(jì)算復(fù)雜性。即使存在外部擾動(dòng),所設(shè)計(jì)的控制器仍可以保證受控對象的輸出漸進(jìn)跟蹤給定的參考模型的輸出,數(shù)值例子進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
　　 最后