基于事件触发传输机制的网络控制系统的分布式控制研究

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网络控制系统是一类各控制节点通过公共网络连接,且各种数据信息通过网络来进行传输和交换的控制系统。近几年来,对于网络控制系统的研究已经促使系统控制领域发生了很大的变革,这也使得网络控制系统在工业进程中扮演着越来越重要的角色。网络控制系统能大大地降低系统安装和维护成本,提高系统的可靠性,灵活性,同时还减少了系统各模块之间繁杂的接线。所以基于网络控制系统的分析和设计在各行各业都有着很广泛的应用,例如飞行器、制造工厂、机器人、汽车以及遥感外科手术等。然而,网络控制系统由于自身的物理特性使得它在运行过程中也有一定的缺陷,比如网络传输延迟的现象;数据丢包的现象;数据信息冲突的现象等等。这些问题都会一定程度上影响到网络控制系统的运行性能,甚至会造成整个系统不稳定。另外,在传统的控制策略中,控制任务的执行是周期性的。那么当整个系统处于良好运行性能之时仍然周期性地执行控制任务就必然造成了通信资源的浪费,而且还增大了网络的传输负载。在网络带宽有限的情况下,这种周期触发控制任务的方式也会影响到网络控制系统的运行性能及稳定性的。还有,一般情况下,网络控制系统的规模都是比较庞大的,而且其中的各个被控对象、传感器,执行器和控制器模块在空间上都是分布的,所以传统的集中式控制算法是行不通的,所以就需要引入分布式控制的思想。综合上述分析,针对网络控制系统,近年来,基于事件触发传输机制的控制策略受到了很多专家学者的关注。在事件触发传输机制中,控制任务的执行是由一个给定事件的发生与否决定的,即控制任务按需执行。这方面的研究已经取得了一些不错的成果,且具有很重要的理论意义,但仍然有一定的不足。所以,为了减少网络带宽资源的不必要浪费,提高网络控制系统的运行性能,同时弥补之前研究的不足,本文提出了一种新的基于事件触发传输机制的控制策略。当网络控制系统中一个子系统的局部状态误差超过了一个给定的值时即触发控制任务,传输它的状态信息到它邻近的子系统。相对之前的研究,本文的事件触发传输机制是分布式的,只需要利用子系统的局部状态信息。通过本文的研究,这种控制策略能很好地保证整个网络控制系统的运行性能及稳定性,并且降低了网络带宽需求,提高了网络传输效率。本文首先在理想情况下,分别构建包含非线性子系统和线性子系统的网络控制系统模型,利用李雅普诺夫稳定性理论分析整个网络控制系统的渐近稳定性。通过稳定性分析建立网络控制系统的分布式触发事件,从仿真分析中可以看出本文所设计的触发事件是可以很好地保证整个网络控制系统的渐近稳定性,且控制任务触发次数明显要少于传统控制策略。在实际情况下,网络控制系统都会出现网络传输延迟以及数据丢包的现象。针对这两个问题,本文所建立的分布式事件触发传输机制可以预测最大允许网络传输延迟以及最大允许连续数据丢包量。当网络控制系统中数据丢包量小于最大允许连续数据丢包量并且网络传输延迟为零时,整个网络控制系统是有限增益pL稳定的。如果网络传输延迟小于一个给定的值,那么整个网络控制系统也是渐近稳定的。针对网络控制系统的滤波问题,本文研究了一类包含连续线性子系统的网络控制系统的事件触发H?滤波器设计方法。首先给出事件触发方案,然后通过一个统一框架建立包含事件触发机制以及网络传输延迟的滤波误差系统。最后利用李雅普诺夫稳定性理论及线性矩阵不等式技术来进一步分析滤波误差系统的稳定性及H?性能,并通过求解一组线性矩阵不等式来设计H?滤波器。本文的最后对全文的主要研究工作进行一个归纳总结,并且探讨将来进一步要深入研究的工作。
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