網(wǎng)絡化系統(tǒng)的滾動時域控制與估計研究.pdf

1、近幾十年來，隨著通信、計算機和控制技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的點對點控制模式已經(jīng)不能滿足不斷提高的控制系統(tǒng)性能要求，并使得控制模式向網(wǎng)絡化控制模式的轉變。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)(NCSs)以其布線少、成本低、易于擴展和維護等優(yōu)點，已在眾多領域得到了廣泛應用。目前，NCSs的已經(jīng)成為控制理論研究的一個熱點方向。
　　然而，NCSs在帶來眾多優(yōu)點的同時，也帶來了許多新的問題和困難，例如網(wǎng)絡誘導時延、時序錯亂、數(shù)據(jù)包丟失和量化等。針對這些問題雖然已有

2、不少研究成果，但仍然有許多關鍵問題尚未解決。特別的，針對具有長時延和時序錯亂的NCSs，如何建立能夠充分描述時序錯亂現(xiàn)象的系統(tǒng)模型以及時延特性參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的定量關系？針對具有量化和丟包的網(wǎng)絡化系統(tǒng)，如何解決具有約束的最優(yōu)狀態(tài)估計問題并建立量化密度和丟包概率與估計性能之間的關系等。本文針對NCSs中的時延、時序錯亂、丟包和量化，研究了基于滾動優(yōu)化策略的狀態(tài)估計和控制器設計問題。研究工作主要包括:
　　1.針對具有輸入約束和外部

3、擾動的長時延NCSs，提出了一種魯棒滾動時域H∞控制方法。首先，將時變長時延分解為定常部分和不確定部分，從而將所考慮的NCSs建模為一類離散時間范數(shù)有界不確定系統(tǒng)。進而，采用Lyapunov穩(wěn)定性理論和滾動優(yōu)化策略，給出了使得閉環(huán)NCSs漸近穩(wěn)定的充分條件，并設計了滿足給定擾動抑制水平的預測控制器。最后，通過仿真驗證了所提方法的有效性。
　　2.針對具有隨機時延和時序錯亂的NCSs，提出了一種滾動時域H∞控制方法。首先，通過在執(zhí)行

4、器端設計一個邏輯補償器將接收到的信號進行時序重整，得到執(zhí)行器將采用的控制輸入信號序列并給出了新的概率轉移矩陣。從而將閉環(huán)NCS建模為一類Markovian跳變時滯系統(tǒng)?；跐L動優(yōu)化策略，導出了狀態(tài)反饋控制器的設計方法。所得結果能夠有效地消除時序錯亂對系統(tǒng)的影響。最后，通過角度定位系統(tǒng)仿真驗證了所提方法的有效性。
　　3.針對具有時變時延和時序錯亂的NCSs，提出了切換滾動時域控制和滾動時域H∞控制兩種方法解決由網(wǎng)絡時延的時變特性引

5、起的指數(shù)不確定項和時序錯亂問題。在切換滾動時域控制方法中，通過時序重整將閉環(huán)NCSs建模為一個具有有限個子系統(tǒng)的切換系統(tǒng)。在滾動時域H∞控制方法中，通過采用執(zhí)行器讀取緩沖區(qū)的頻率高于傳感器采樣頻率的工作方式，將NCSs建模為一類多速率系統(tǒng)，并進一步將該模型轉化為多時滯參數(shù)不確定離散時間系統(tǒng)?；谶@兩種方法給出了系統(tǒng)穩(wěn)定化控制器的設計方法，并建立了時延變化率與NCSs性能之間的關系。
　　4.針對具有多數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡化系統(tǒng)，提出了

6、一種能夠處理不等式約束的滾動時域估計方法。丟包現(xiàn)象采用一個Bernoulli隨機過程描述，采用輸入保持策略，將系統(tǒng)描述為一個隨機參數(shù)化系統(tǒng)模型?；跐L動優(yōu)化策略，給出了無約束滾動時域估計器。針對噪聲存在不等式約束時，給出約束滾動時域估計器的設計方法。進一步，分析了估計器的估計性能，給出了保證估計誤差范數(shù)有界的充分條件。最后，通過連續(xù)攪拌釜式反應器仿真驗證了所提方法的有效性。
　　5.研究了具有隨機丟包無線網(wǎng)絡化系統(tǒng)的滾動時域SIN

7、R估計問題。首先，根據(jù)流速控制和功率控制算法，建立了一個dB尺度下無線網(wǎng)絡化系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，導出了SINR水平的上下界約束條件，并將SINR水平的有界約束轉化為系統(tǒng)的狀態(tài)約束。基于滾動優(yōu)化策略，給出了無約束SINR估計器的解析結構?？紤]到狀態(tài)變量和噪聲之間的耦合，提出了一步滾動時域SINR估計算法用于解決SINR約束估計問題。最后，通過無線傳感器網(wǎng)絡仿真驗證了所提方法的有效性。
　　6.研究了同時具有量化和隨機丟包網(wǎng)絡化系統(tǒng)的