【摘 要】
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随着信息技术的飞速发展,网络通讯渗透于日常生活和工业生产的各个领域.网络通讯的发展促进了信息空间和物理空间的融合,当系统组件（例如传感器、控制器、执行器等）之间通过共享网络进行信息传输,网络化切换系统应运而生.在低安装成本、高灵活性的优势下,网络化控制系统得到了广泛的应用.作为一类集物理系统与网络通讯于一体的复杂系统,网络化切换系统不仅具有切换系统建模的优势,同时也具有网络通讯高交互性和灵活性的特
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随着信息技术的飞速发展,网络通讯渗透于日常生活和工业生产的各个领域.网络通讯的发展促进了信息空间和物理空间的融合,当系统组件（例如传感器、控制器、执行器等）之间通过共享网络进行信息传输,网络化切换系统应运而生.在低安装成本、高灵活性的优势下,网络化控制系统得到了广泛的应用.作为一类集物理系统与网络通讯于一体的复杂系统,网络化切换系统不仅具有切换系统建模的优势,同时也具有网络通讯高交互性和灵活性的特点.一方面,通讯网络的引入为切换系统带来了信息传输的优势,另一方面,网络自身属性的限制为网络化切换系统的研究带来了新的问题,如网络拥塞、数据碰撞、量化误差及网络安全等通讯受限问题.目前,对非切换网络化控制系统通讯受限问题的研究已经取得了显著的成果.但是,网络化切换系统不是切换系统和网络化控制系统的简单叠加,无法将现有的成果直接应用于网络化切换系统.同时,由于工业控制过程的工况环境越来越复杂,含有随机切换信息的切换系统,即带有半Markov跳变参数的网络化切换系统通讯受限问题的研究成果鲜有报道.因此,完善网络环境下切换系统的控制理论体系,开展通讯受限下网络化切换系统的分析和控制问题研究,是一个重要又具有实际意义的课题.论文基于现有研究成果,通过引入通讯调度协议、事件触发机制、神经网络技术等对通讯受限下网络化切换系统的性能分析展开讨论,研究网络化切换系统的事件触发滑模控制问题、Round-Robin通讯协议调度下的异步有限时间控制问题、分布式安全滤波问题、带有半Markov跳变参数的网络化切换系统在Round-Robin通讯协议下的安全控制问题及事件触发机制下有限时间量化控制问题.论文的主要内容和研究成果如下:1.为了减轻网络负载、节约网络带宽资源,分别在传感器-控制器网络、控制器-执行器网络引入事件触发机制和Round-Robin通讯协议.基于按需传输的思想,构造事件触发滑模控制器,在Round-Robin通讯协议下,对控制器-执行器网络每一时刻被传输节点以循环顺序进行调度,避免发生数据冲突.通过构造模态和“令牌”依赖的Lyapunov函数,借助于模态依赖平均驻留时间切换律,保证了滑模面的可达性和系统的指数稳定性,基于可解性条件给出了滑模控制器设计方案.2.当控制器-执行器网络受到欺骗攻击时,考虑网络化切换系统的有限时间控制问题.在传感器-控制器网络,针对网络传输中存在网络延迟导致控制器与系统模态异步问题,利用输入时滞方法,将基于事件触发的切换系统转化为切换时滞系统.通过构造“令牌”和模态依赖的Lyapunov函数进行有限时间稳定性分析,给出了闭环系统有限时间有界的判据,并将其转化为求解凸优化问题进行安全控制器设计.最后借助F-18飞行器模型验证所提方法的有效性.3.从有限时间角度研究网络化切换系统的分布式安全滤波问题.为了消除网络攻击信号能量有界的限制性条件,采用神经网络技术对未知非线性攻击信号进行估计.考虑到实际通讯网络中传感器节点广泛分布的特点,构造了基于多个传感器节点及被估计攻击信号的分布式安全滤波器.通过分析得到保证滤波误差系统有限时间有界的判定条件,给出了分布式滤波器的解析表达式.最后借助PWM驱动升压变换器模型验证所得结论的有效性.4.在Round-Robin通讯协议调度下,研究带有半Markov跳变参数的网络化切换系统输出反馈安全控制问题.通过分析切换点处和非切换间隔上Lyapunov函数的变化,解决了现有结论中系统迭代带来的高次幂问题.基于多参数依赖的Lyapunov函数分析了闭环系统σ-误差均方稳定性,并利用奇异值分解和线性化技术,给出了带有半Markov跳变参数的网络化切换系统σ-误差均方稳定的可解性条件.5.研究了带有半Markov跳变参数的网络化切换系统的有限时间H∞控制问题.考虑子系统切换对系统性能带来的不利影响,设计了混合事件触发机制.通过引入对数量化器对进入网络的数据进行处理,降低了传输数据包的大小.当系统状态信息不可测时,构造动态输出反馈控制器,基于Lyapunov函数方法,给出闭环系统有限时间有界且满足H∞性能的判定条件.最后将所得结论应用到F-404飞机发动机系统进行仿真验证.
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