基于标称点技术的具有时变时延的网络控制系统的建模与鲁棒控制

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在过去的近二十年中，由于控制、计算机、网络和通信等学科技术的迅速发展，网络控制系统的研究吸引了许多国内外专家学者的关注。相对于传统的点对点控制系统，网络控制系统具有许多优点:更轻的重量、更方便的系统诊断维护以及更高的可靠性。在网络控制系统中，采样数据和控制信号通过实时网络进行传递，因此在网络控制系统中网络诱导时延的存在是不可避免的。时延的存在不仅降低了系统的性能而且可能破坏系统的稳定性。因此，建立时延边界与系统稳定性之间的关系是十分必要的。由于系统模型与实际系统存在误差，且系统的工作环境十分复杂，因此，针对系统鲁棒性的研究具有十分重要的意义。首先，本文基于多标称点技术，研究了具有短时变时延的网络控制系统的稳定性，建立了系统稳定性与时延边界之间的关系，并给出了系统的稳定域。其次，本文基于标称点技术研究了具有时变时延和随机事件不确定性的一类网络控制系统的非脆弱鲁棒控制问题。最后，数值仿真验证了本文所提方法和结果的有效性。本文的主要内容和贡献可概述如下: (1)针对具有短时变时延的网络控制系统提出了新的稳定性准则和镇定方法。首先，将具有短时变时延的网络控制系统转换为时变的离散时间系统。然后，基于鲁棒控制技术，将这个离散时间系统转换为等价的具有范数有界不确定性的时不变系统。使用该方法，降低了由短时变时延引起的稳定条件的保守性。为了进一步降低保守性，我们用N个范数有界的不确定性替换原来的单一的范数有界的不确定性。理论分析显示，当N增大时，稳定条件的保守性逐渐降低。对于一个固定的采样周期，获得的稳定条件明确依赖于时延的上界和下界。与此同时，给出了控制器的存在条件和设计方法。 (2)研究了具有短时变时延和控制器增益波动的网络控制系统的最优鲁棒非脆弱H∞状态反馈控制器的设计问题。首先，提出了一种新的方法，基于此方法将具有短时变时延的网络控制系统转化为具有不确定参数的离散线性系统。其次，考虑到控制器增益波动，使用线性矩阵不等式技术，我们对于没有外部干扰的系统设计了一个鲁棒非脆弱状态反馈控制器。再次，考虑系统的外部干扰，设计了一个次优的和一个最优的鲁棒非脆弱H∞状态反馈控制器。 (3)基于多重标称点技术，研究了具有短时变时延的网络控制系统的有界输入有界输出稳定性和镇定问题。使用单一标称点技术，将具有短时变时延的网络控制系统建模为时变的不确定离散时间系统，其中的不确定参数是范数有界的。对此模型应用小增益定理，得到了改进的有界输入有界输出稳定性判据。为了进一步减小由短时变时延所引起的保守性，我们基于多重标称点技术，将不确定参数建模为N个范数有界的不确定性。提出的稳定性判据依赖于短时变时延的边界值。此外，给出了控制器的设计方法。 (4)研究了一类具有长时变时延的非线性网络控制系统的非脆弱鲁棒控制问题。不确定非线性和控制器增益波动以随机方式存在于系统中，随机事件非线性和随机事件控制器增益波动服从确定的互不相关的伯努利分布白噪声序列。我们提出了一种新的时变离散时间系统模型来描述网络控制系统。为了减小由模型时变部分引起的保守性，通过使用鲁棒控制技术，我们将由时变时延导致的时变部分转化为具有单一标称点的范数有界的不确定性。基于获得的不确定系统模型，通过应用李雅普诺夫稳定性定理和线性矩阵不等式技术，分别设计了一般的和最优的非脆弱控制器，这些控制器使得对于所有允许的不确定性，闭环网络控制系统是渐近稳定的，并且保证闭环性能指标值满足一个性能上界。此外，给出了非脆弱镇定控制器的存在条件和设计方法。 (5)针对一类具有随机事件信息和短时变时延的不确定非线性网络控制系统，基于输出反馈控制，研究了系统的非脆弱指数H∞控制问题，其中的随机事件信息为控制器增益波动和不确定非线性特性。为了减小保守性，我们使用标称点技术，将网络控制系统转换为一个新的具有范数有界的不确定参数项的时变离散时间模型。基于线性矩阵不等式框架和输出反馈策略，给出了一般的和最优的非脆弱指数H∞控制器的设计方法。同时，由于引入了随机变量，所得到的控制律还适用于线性网络控制系统和一般的脆弱控制的网络控制系统。

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作者
张钊;
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作者单位

东北大学;

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授予单位东北大学;
学科控制理论与控制工程
授予学位博士
导师姓名张化光;
年度 2016
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类自动化技术及设备;自动化基础理论;
关键词
标称; 技术; 时变时延; 网络控制系统; 建模;

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