基于观测器的网络控制系统输出反馈控制问题研究

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网络控制系统(NCSs)是指控制装置、传感器和执行器三者直接通过计算机网络进行通信的系统。由于其具有设备集中,成本可控性高,保守性高的特点,网络控制系统目前正在逐步代替传统控制系统在工业生产中的地位,成为现阶段控制系统开发的一大热门主题。然而,在网络通讯场景中,通讯通道的宽度限制了系统的通信能力,这使得控制网络中出现了许多特性,如信号量化误差、数据传输时延等。在分析了这些特性产生的原因后,学者们发现,所有的随机现象都是由于网络环境中测量或传输的信息丢失造成的。正是由于这部分信息的丢失,可能使得整个系统的性能急剧下降甚至系统崩溃。为了保持良好的控制能力,同时考虑量化等问题,本文针对网络控制系统,研究了基于观测器的输出反馈控制问题。具体内容如下:首先,为解决离散时滞NCSs中存在的信号量化问题,采用对数量化器对控制系统的状态信号和控制信号进行有限扇区形式的量化和变换。同时将前向通道和后向通道的数据丢失情况建模为两个独立的伯努利分布白序列。基于该模型,设计了一种基于比例微分观测器的量化控制器,分别给出在控制器侧生成的控制输入和在执行器侧接收的控制输入,通过选取适当的李雅普诺夫函数,得到系统稳定性的充分条件。其次,为了解决带有分布时滞的NCSs中同时存在的数据丢包和控制器带有参数摄动等问题,在控制系统的状态信号和控制信号进行量化基础上,改进了分布式时滞非脆弱H∞控制器的设计方法,通过建立时滞依赖的李雅普诺夫函数,通过自由权矩阵的运用来分析控制器的稳定性,为保证闭环控制系统的渐近稳定提供了充分条件。利用线性矩阵不等式技术将H∞控制器设计问题转化为LMI的凸优化问题,从而得到控制器存在的充分条件。最后,在采用扇形区间对系统的输出进行量化的基础上,研究在控制器参数摄动情况下的网络化控制系统的非脆弱H∞控制,并考虑离散混合时滞和数据丢包。为了消除离散混合时滞和控制器参数摄动对被控系统的影响,在设计观测器时分别对系统状态,离散时滞、分布时滞和输出设置不同的控制器参数,得到了非脆弱状态反馈H∞控制器。运用李雅普诺夫第二法和线性矩阵不等式方法来进行求解,推导得出闭环控制系统渐近稳定的充分条件。通过使用LMI工具箱求解线性矩阵不等式,从而得到控制器的表达式。
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