基于混雜系統(tǒng)理論的網(wǎng)絡(luò)化控制分析與設(shè)計(jì).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)已成為控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)的控制系統(tǒng)相比，具有共享信息方便、布線少、易于系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。然而，網(wǎng)絡(luò)的引入也給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域，雖然目前已經(jīng)取得了一些重要的研究成果，但是仍然存在很多問(wèn)題亟待解決。本文主要是運(yùn)用異步動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和切換系統(tǒng)等混雜系統(tǒng)理論分別從考慮調(diào)制的網(wǎng)

2、絡(luò)化控制系統(tǒng)、帶有介質(zhì)接入約束的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)等方面開(kāi)展研究的，取得的研究成果如下:
　　(1)針對(duì)考慮調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，提出了將誤碼率考慮為丟包率的策略，填補(bǔ)了目前網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域處理調(diào)制信號(hào)錯(cuò)碼問(wèn)題的空白。文中分別從二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制的角度進(jìn)行了研究:對(duì)于較為簡(jiǎn)單的二進(jìn)制調(diào)制，將帶有常時(shí)延和錯(cuò)碼的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模為一個(gè)異步動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，借助Lyapunov穩(wěn)定性理論進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和狀態(tài)反饋控

3、制器參數(shù)的設(shè)計(jì)，并得到了使帶有二進(jìn)制調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定的誤碼率定理;對(duì)于較為實(shí)用卻更加復(fù)雜的多進(jìn)制調(diào)制，將帶有常時(shí)延和錯(cuò)碼的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模為一個(gè)異步動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，借助Lyapunov理論進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器的設(shè)計(jì)，得到了使帶有多進(jìn)制調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定的誤碼率定理，并給出了多進(jìn)制調(diào)制的進(jìn)制選擇定理。
　　(2)針對(duì)帶有介質(zhì)接入約束的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，首次提出了控制與調(diào)度耦合設(shè)計(jì)的概念，并在分析現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于

4、通信序列和最大誤差優(yōu)先-嘗試一次丟棄的控制與調(diào)度耦合設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了基于系統(tǒng)理想動(dòng)態(tài)的類最小二乘調(diào)度策略。在將不含時(shí)延的系統(tǒng)的理想動(dòng)態(tài)嵌入到調(diào)度器后，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將當(dāng)前狀態(tài)與理想動(dòng)態(tài)的狀態(tài)進(jìn)行比較，具有較大偏差的狀態(tài)優(yōu)先獲得接入網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限，有效地降低了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的保守性。在所提出的類最小二乘調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，將含有隨機(jī)短時(shí)延和介質(zhì)接入約束的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模為一個(gè)切換系統(tǒng)，借助切換系統(tǒng)理論和Lyapunov穩(wěn)定性理論進(jìn)

5、行了類最小二乘調(diào)度與控制的耦合設(shè)計(jì)。此外，進(jìn)一步改進(jìn)了所提出的類最小二乘調(diào)度算法，將含有時(shí)延的理想動(dòng)態(tài)代替了不含時(shí)延的理想動(dòng)態(tài)，因含有時(shí)延的理想動(dòng)態(tài)能更全面地反映真實(shí)的系統(tǒng)，因而改進(jìn)后的調(diào)度策略具有更好的性能。
　　(3)針對(duì)用于節(jié)省帶寬的基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)方法，提出了用切換系統(tǒng)的平均駐留時(shí)間方法來(lái)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的策略，提高了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的靈活性。通過(guò)將基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模為切換系統(tǒng)，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論

6、和切換控制的平均駐留時(shí)間方法對(duì)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)。此外，對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中帶有觀測(cè)器的基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將觀測(cè)器由接入網(wǎng)絡(luò)前移到控制器中，這種改進(jìn)不僅節(jié)省了設(shè)計(jì)成本還避免了因網(wǎng)絡(luò)丟包所造成的信號(hào)丟失的問(wèn)題。在將帶有觀測(cè)器的基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模成切換系統(tǒng)后，運(yùn)用Lyapunov穩(wěn)定性理論和切換控制的平均駐留時(shí)間方法對(duì)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和控制器

7、與觀測(cè)器的設(shè)計(jì)。
　　(4)針對(duì)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，提出了用脈沖切換控制的平均駐留時(shí)間方法來(lái)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的策略，降低了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的保守性。通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)閉合時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)存在躍變的現(xiàn)象，將基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模為脈沖切換系統(tǒng)，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論和脈沖切換控制的平均駐留時(shí)間方法對(duì)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)。此外，在改進(jìn)的帶有觀測(cè)器的基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將帶

8、有觀測(cè)器的基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模成脈沖切換系統(tǒng)，運(yùn)用Lyapunov穩(wěn)定性理論和脈沖切換控制的平均駐留時(shí)間方法對(duì)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了指數(shù)穩(wěn)定性分析和控制器與觀測(cè)器的設(shè)計(jì)。
　　(5)針對(duì)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，提出了脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時(shí)間策略，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的保守性。在脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時(shí)間策略中，系統(tǒng)的平均駐留時(shí)間不僅依賴于系統(tǒng)的切換參數(shù)，還與系統(tǒng)的脈沖矩陣參數(shù)有關(guān)。

9、通過(guò)在脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時(shí)間策略下對(duì)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，得到了使得系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的充分條件和狀態(tài)反饋控制器。此外，利用脈沖切換控制的依賴于模式的平均駐留時(shí)間策略對(duì)帶有觀測(cè)器的基于模型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，給出了使得系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的充分條件和控制器與觀測(cè)器的設(shè)計(jì)。
　　論文通過(guò)Matlab和近似網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的TrueTime工具箱對(duì)一些實(shí)例進(jìn)行了數(shù)值仿真，驗(yàn)證了文中所提出的方法的有效性。最后，