网络化控制系统中若干问题的研究

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1、华中科技大学博士学位论文网络化控制系统中若干问题的研究姓名：谢林柏申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：方华京20040623摘要21世纪的控制系统将是网络与控制结合的系统对网络化控制系统NetworkedControlSystem,简称NCS的研究已经成为当前自动化领域中的一个前沿课题本文在对国内外关于网络化控制系统研究现状及进展进行分析和综述的基础上详细地展示了作者对网络化控制系统中若干基本问题的理论研究结果及系统设计方法随着通信网络作为一个系统环节嵌入控制系统这很大地丰富了工业控制技术和手段使自动化系统与工业控制系统在体系结构控制方法

2、以及人机协作方法等方面都发生了较大的变化与此同时也带来了一些新的问题如控制与通信的耦合分布式的控制方式等这些新问题的出现使得自动控制理论在网络环境下的控制方法和算法需要不断地拓展和创新首先本文全面而简要地介绍了NCS的起源发展特点以及目前的研究现状详细地分析了NCS中的若干基本问题典型研究方法同时提出了本文对NCS相关研究工作的观点和看法针对具有通信约束以及变速率采样的网络化控制环境本文在采样数据系统及采样数据技术的基础上改进得到了周期性的网络化控制系统数学模型和周期性的信息调度系统数学模型并在此基础上研究了在有系统信息丢失以及控制与通信耦合的情形下闭环

3、NCS的渐近稳定性问题,信息调度方法的适定性问题,NCS的保性能控制和干扰抑制性能等问题在网络系统的资源如带宽有限的情形下为了尽量避免丢包拥塞以及提高网络的利用率本文通过周期性的信息调度方法对控制系统的信息进行调度从而减少了信息的传送量同时通过设计周期性变化的动态反馈控制律来保持控制系统的渐近稳定和一定水平的系统性能LQ保成本控制性能H干扰抑制性能等在数字控制中变速率采样的情形也常常会出现因此我们将上述问题的研究推广到了对系统进行变速率采样的情形中并同时也用采样数据技术来研究上述的问题针对存在多步随机时延和异步时延的NCS模型本文研究了其随机稳定性问题

4、H2/H混合控制以及异步时延下的LQG控制问题在固定的系统通信控制模式下网络传输时延可以建模为一个Markov随机过程同时通过增广系统状态的方法将原系统转化为一个具有随机跳变参数的广义离散系统在此离散模型的基础上我们得到了保持系I统随机稳定的充分条件并分别给出了在H性能指标H2/H混合性能指标下系统干扰抑制的设计方法在异步时延下,通过对系统估计模型的转化和系统状态的多步预测,能够较好地解决不同信道具有不同信息延迟的系统的LQG控制问题在这一部分的工作中也给出了这个问题的设计过程由于控制系统的性能在一定程度上受网络系统性能的影响针对网络中信息的平均排

5、队时延和信号量化误差,本文探讨了在给定信息路由方式和确定的优化性能指标下对网络通信资源分配的优化问题在凸优化问题的框架下通过对网络中各链路的平均信息流量传输比特率以及信道传输能量等网络参数的优化配置从而达到信息延迟的最小化和信道噪声的最小化在一定的条件下针对控制系统的设计与优化我们给出了一个信息时延最小化的性能指标同时在不同的性能指标下对上述的两个优化问题给出了详细的设计求解过程针对NCS中上述的系统特点和动态特性本文接着研究了在NCS中有信息损失和存在异步信息时延的情形下对系统进行故障检测的问题并提出了一个在异步时延下进行控制系统故障检测的系统数学模型

6、针对在信息调度下和变速率采样的NCS模型通过设计一组动态反馈故障检测滤波器对系统发生的故障进行跟踪检测在这种设计方法下保证了在有系统信息损失以及变速率采样时一定水平上良好的故障检测性能针对网络化控制系统中信息的异步时延我们通过扩展系统采样周期的方法得到一个异步时延下的系统故障检测模型同时通过设计系统观测器并选择合适的干扰抑制加权因子对系统的干扰进行抑制从而得到系统的残差信号并依此可检测出系统是否存在着故障在第六章中我们介绍了一个网络化控制系统的仿真平台并展示了对上述部分设计过程的仿真结果最后我们给出了全文的总结及今后研究工作的展望关键词:网络化控制系统信

7、息调度随机时延,凸优化故障检测线性矩阵不等式IIAbstractControlsystemsin21stcenturyarecombinedsystemsofcontrolandnetwork.TheresearchonNetworkedControlSystems(NCSs)hasbecomeverymuchapioneeringissueinthefieldofautomation.Basedonareviewandanalysisofitscurrentconditionanddevelopmenthomeandabroad,thethesissy

8、stematicallyexpoundssomeresearchresultsi