分布式网络控制系统的建模与控制研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文分布式网络控制系统的建模与控制研究专业：控制科学与工程博士生：葛阳导师：王景成教授上海交通大学电子信息与电气工程学院2014年11月万方数据万方数据Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityResearchonModelingandControlofDistributedNetworkedControlSystemsAuthor:GeYangAdvisor:Prof.WangJingchengSpecialty:ControlScienceandEngineeringSchool

2、ofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversity2014.11万方数据万方数据上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名

3、：日期：年月日日期：年月日万方数据万方数据上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日万方数据万方数据万方数据万方数据摘要分布式网络控制系统的建模与控制研究摘要上世纪七十年代以来，网络控制系统无论在科学界还是工业界都越来越受到人们的关注。由于通信网络的引入，传统的点对点控制的方式正在向

4、网络化控制的方式转移。这使得整个系统的控制器可以和对象分离，组网结构更加灵活，同时成本也相应降低。然而，网络的引入也会带来一些新的问题，例如数据在网络传输中会产生时延，可能发生丢包等。同时，由于数字信道的引入，信号需要经过量化编码器进行量化以后才能在信道中传输，这就带来了量化误差的问题。为了应用网络控制系统，必须解决这些问题。随着网络技术的发展和物理硬件性能的提升，传统意义上的网络控制系统组网结构已经不能完全适应信息化的发展要求。近年来，人们提出了“物联网”这一概念。在这一个框架下，生活中的许多物品都能够接入网络，进而组成一种大型复杂的物-物网络。可以预见，传统网络控制系

5、统的集中控制中心已经无法满足这种大规模多子系统的复杂网络。为了解决这一问题，控制器会被安装在每一个子系统上，而不是选取一个中心处理所有控制计算需求。这就引入了分布式网络控制系统的概念。在分布式网络控制系统中，每一个子系统都与整个系统存在耦合关系，其自身的子控制器会综合自身信息和其他耦合子系统的信息来产生控制量。为了获取其他子系统信息，必须利用通信网络，这就会带来时延、丢包和量化的问题。对于每一个子系统的控制器而言，都能够获得自身精确的信息和其他系统非精确的信息。本文主要研究了分布式网络控制系统所可能面临的一系列问题，给出了相应的系统模型和控制器设计方法。具体的研究内容包括

6、：1)研究了一类标准结构分布式网络控制系统的分析设计问题。通过利用马尔可夫过程对传输时延进行建模，以及利用凸组合理论处理量化误差，将这类分布式网络系统的稳定性问题等效为具有扰动和不确定性的鲁棒控制问题。提出保证系统在传输时延和量化误差下能够随机稳定的充分条件及相应的控制器设计方法。最后通过仿真示例对算第I页万方数据摘要法进行的测试。2)在多个子系统共同接入同一个通信网络的时候，为了避免出现数据冲突和节约带宽，会安装信道选择器。本文针对分布式网络控制系统中涉及到的信道分配的问题，利用马尔可夫过程对其进行建模，同时考虑了网络传输带来的时延和量化误差问题。提出了保证系统在信道随

7、机分配、数据传输有时延和量化误差下能够随机稳定的充分条件。控制器的设计方法以双线性矩阵不等式的形式给出，同时给出了一个锥补方法用于将这些双线性矩阵不等式转化为凸优化问题。仿真中以具有三个子系统的被控对象为例，对算法进行了测试。3)在大型工业应用中，整个系统的耦合情况受各种因素影响会发生变化。本文考虑了整个系统运行期间实时调整各个子系统之间的耦合权重，甚至在一定时间内切断某些子系统的联系的情况。进一步的，考虑了某些子系统的执行器可能会由于恶劣环境而发生故障的问题。通过利用李雅普诺夫方法和不等式处理技巧，提出了保证系统在存在时变耦