数据包丢失时网络控制系统的稳定性分析及设计

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1、摘要所谓网络化控制系统，就是指通过计算机网络和总线将传感器、执行器和控制器单元作为网络节点连接起来共同完成控制任务的闭环反馈控制系统。随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，控制系统的结构正在发生变化。使用专用或公用计算机网络代替传统控制系统中的点对点结构，实现传感器、控制器和执行器等系统组件之间的控制信息可以相互传递的系统，即网络化控制系统的研究正在迅速成为当前国际控制领域的一个前沿课题，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。它与传统的控制系统最大的区别在于：在网络控制系统中，网络通讯将成为控制系统的一个重要环节。由于网络传输中存在传输

2、时延，并且这些时延通常具有不确定性和时变性，另外还存在传输数据时序的错乱和丢失等现象，这些都使得系统不再具有定常性和确定性。上述两个方面对控制理论的研究提出了新的挑战和发展机遇。本文系统的分析了网络控制系统的特性，网络的随机时延特性及网络数据包丢失特性等，分析了这些特性对系统控制性能的影响，提出了新的设计方法，解决了网络诱导时延、数据包丢失等现象给控制系统带来的稳定性和鲁棒性问题。首先对于时延小于一个采样周期且系统参数不确定情况下的线性连续系统，利用李亚普诺夫定理来估计传输时延的最大界，给出了网络控制系统渐进稳定的充分条件。进一步，根据网络诱

3、导时延的Markov特性，建立了网络控制系统的Markov跳变模型，根据线性跳变理论分析了系统的稳定性，给出了状态反馈控制器的设计方法。通过仿真实例验证了每一种方法的有效性。其次，考虑了在接个网络传输过程中发生数据包丢失时，网络控制系统的稳定性问题。根据网络传输中数据包丢失的Markov特性，建立了网络控制系统的Markov跳变线性模型，根据李亚普诺夫稳定性理论，通过求解线性矩阵不等式，给出了系统稳定的条件。通过仿真实例验证了方法的有效性。燕山大学工学硕士学位论文最后，由于在网络控制系统中，网络数据包的丢失能够降低系统的性能，甚至使系统不稳定

4、，对系统的影响也是一个不容忽视的问题。所以本文针对同时存在网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统，提出了新的建模方法。根据数据包丢失时，更新控制器采用的信息不同，给出了两种不同的问题解决方案：一、采用上一时刻最新到达的数据信息来更新控制器信息；二、设计包丢失补偿器，采用补偿器信息来更新控制器信息。在问题的分析中，建立了异步动态系统的数据包丢失模型，根据李亚普诺夫稳定性理论，分别给出了闭环系统的稳定性条件。通过仿真实例验证了结论的正确性。关键词网络控制系统；网络诱导时延；网络数据包丢失；Markov性；线性跳变理论ⅡAbstract’11leN

5、CSisafeedbackcontrolsystemwhereinthesensors．actuatorsandcontrollersasthenetworknodesconnectedthroughthecomputernetworkorfieldbustoaccomplishthecontroltasks．Withtherapiddevelopment，popularmationandincreasinglyperfectofthecomputernetworkstechnology,thecontrolsystembasedontheN

6、etworkedControlSystem(NCS)hasbecomeoneofthehotresearchtaskincurrentinterrmtionalcontrolfield．TheresearchonNCShasimportanttheoreticalmeaningsandalsoNCShasextensiveapplicationprospects．Differentfromthetraditionmdcontrolsystems，thedistinctcharacteristicofNCSisthatthenetworkcom

7、municationisoneoftheimportantpartsofthecontrolsystem．Becauseofthenetwork-inducedtimedelaywhichisoRenuncertainandtime—varying，andthetransmitteddataerrorordatadropout，theNCSisnolongeraconstant，maturityandcertainty．Alsobecauseoftheevent-drivenandtime—drivencoexistedinNCS，soiti

8、srequirednewviewsandmoresustaiv血gtheoriestothestudy0nNCS，whichbr池gsforwardnewlycha