具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制

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1、鲁东大学硕士学位论文具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制姓名：高谦申请学位级别：硕士专业：运筹学与控制论指导教师：王秀红20080614鲁东大学硕士学位论文摘要随着控制任务和结构的日益复杂化、系统各部件之间共享和交换信息的急剧膨胀，以及计算机、通信、传感器和网络技术的发展与广泛应用，一种新型的分布式、智能化、网络化的控制系统应运而生——网络控制系统，它是利用专用或通用的通信网络连接构成闭环的控制系统。网络构成反馈通道，信息通过网络进行传输和交换，摆脱了传统点对点连接的束缚，打破了系统在空间位置上的限制，拓宽了控制活动的场所，降低了系统连接的复杂性

2、、运行成本和维护费用。远程遥操作、遥医学、远程教学、无线网络机器人、某些兵器系统以及新兴的以现场总线及工业以太网为基础的控制系统均属于网络控制系统的范畴，此外，网络控制系统在航空航天领域以及复杂、危险的工业控制领域也具有广阔的应用前景。在网络控制系统带来诸多优点的同时，也给控制学科带来了新的挑战。网络控制系统中的各类信息以分时复用的方式共享有限的网络资源，网络中数据包的传输速率、数据包长度以及所采用的介质访问控制方式均影响着网络控制系统的性能。因此，网络的介入不可避免地在控制回路中引入了网络诱导时延、数据包丢失、数据包时序错乱等问题，使得传统控制系统

3、的研究方法难以直接应用于网络控制系统，迫切需要研究新的控制理论与方法。本论文首先对网络控制系统的研究现状进行了总结，并分别对网络控制系统中由于网络的介入而引发的一些基本问题：节点的驱动方式、数据采样、网络诱导时延、单包传输与多包传输、数据包的丢失及时序错乱和网络调度等问题进行了总结与阐述。对网络控制系统中普遍存在的网络诱导时延的特性进行了分析，阐述了网络控制系统中网络诱导时延的组成、产生的原因以及不同控制网络所具有的时延的特性。针对网络控制系统中三种不同类型的时延——确定性时延、随机时延和时变时延，对闭环网络控制系统进行了建模。特别地，将随机时延和时

4、变时延归入系统的不确定部分，从而将闭环网络控制系统建模为离散不确定系统。对网络控制系统中存在的数据包传输丢失的现象，分析其产生的原因和数据丢包的特性。针对网络控制系统中两种类型的数据包丢失过程——确定性丢包过程和随机丢包过程，对闭环网络控制系统进行了建模。将确定性丢包过程建模为以一定的速率闭合的开关，从而将闭环系统建模为受结构事件率约束的异步动态系统；考虑两种情况的随机丢包过程：一是任意丢包过程，另一个是Markove丢包过程，得到更具有普遍性的随机丢包网络控制系统模型。．I．鲁东大学硕士学位论文对于同时存在网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统进行

5、了建模、稳定性分析和控制器的设计。对于存在确定性时延和确定性丢包过程的网络控制系统，分别建立了状态反馈和动态输出反馈控制下的闭环系统模型，给出了保持系统指数稳定的充分条件和控制器的设计；对于存在时变时延和确定性丢包过程的网络控制系统，将其建模为离散不确定系统，利用不确定性理论得到了保持系统稳定的充分条件和控制器的设计；建立含有时延(确定的和时变的)和随机丢包过程的网络控制系统的模型，并给出了保持系统渐进稳定的充分条件和控制器的设计，所得的结果具有更普遍的意义。对于对象状态不完全可测的网络控制系统，基于远程估计器估计系统的状态，构成状态反馈，建立了具有

6、时延和数据包丢失的网络控制系统的模型。关键词：网络控制系统；网络诱导时延：数据包丢失；稳定性分析；控制器设计；线性矩阵不等式鲁东大学硕士学位论文AbstractWimtheincreasingcomplexityofcontroldutyandarchitecture，thesharebetweeneachcomponentsofsystems，thesharpexpansionofexchangeinformation，andthedevelopmentandwideapplicationofcomputers，communication，sens

7、orsandnetworkedtechnology,anewtypedistributedintelligentcontrolsystem一一networkedcontrolsystems(NCSs)emergesasthetimesrequire．Theyarefeedbackcontrolsystems、析mcontrolloopsclosedviaspecialoruniversalcommunicationnetwork．Feedbackchannelsareclosedvianetworkandinformationisexchangeda

8、ndtransmittedbynetwork,whichmaketheastrictionoftraditi