基于事件触发的网络化系统H_∞/(?)_∞控制研究

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为了节约网络控制系统中有限的网络带宽、计算和能量等资源,将事件触发机制引入网络控制系统中,形成了事件触发网络控制系统。区别于周期采样控制的按时控制,即在每个采样周期进行控制,事件触发控制仅在满足触发条件时进行控制,实现了按需控制,在保证系统控制性能前提下有效降低了网络控制系统中的资源消耗。由于事件触发网络控制系统兼具事件触发机制和网络控制系统的诸多优点,有关它的研究受到越来越多的关注。但是,目前有关事件触发网络控制系统的研究成果仍有以下局限之处:(1)多数成果使用连续事件触发机制,该机制需要专用硬件连续检测对象信息并产生触发中断,但很多情况下在原系统上增加硬件设备代价太高或难于实现。(2)已有事件触发机制可以分为相对和绝对事件触发机制,但相对或绝对事件触发机制在系统接近或远离平衡点时数据发送率较高,它们均不能有效降低系统全程运行期间的数据发送率。(3)多数成果考虑了传感器端存在通信网络和事件触发器架构,但较少涉及到传感器端存在多通道通信网络和分布式事件触发器架构、传感器端和控制器端均存在通信网络和事件触发器架构、以及存在双端多通道通信网络和双端分布式事件触发器架构。(4)多数成果在给定控制器前提下研究事件触发控制系统的稳定性,但较少涉及到如何在事件触发机制下进行控制器综合。为了弥补已有成果的不足,有必要提出新型事件触发机制、考虑更全面的事件触发网络控制系统架构、并研究相关情形下的稳定性分析和控制器综合方法。基于以上考虑,在对相关课题背景及已有研究成果进行分析和总结的基础上,本文完成了以下研究内容:(1)针对传感器端存在非理想通信网络和事件触发器情形,研究了基于离散事件触发机制的网络化系统状态反馈H_∞控制。首先,为了降低通信网络的数据传输量,提出了仅在周期采样点判断触发条件的离散事件触发机制。不同于周期采样机制发送所有采样数据,离散事件触发机制仅在满足触发条件时发送当前采样数据,有效降低了数据发送率。不同于专用硬件依赖的连续事件触发机制,离散事件触发机制仅需要采样点的对象信息,易于软件实现,且因为触发间隔下界为采样周期,从原理上避免了Zeno现象。然后,利用时滞系统理论,建立了同时刻画离散事件触发机制和通信网络性能影响的时滞系统模型,基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术,得到了系统渐近稳定且满足H_∞性能指标的充分条件,该条件刻画了离散事件触发机制、通信网络性能与系统稳定性的相互制约关系,给出了离散事件触发机制下状态反馈控制器的设计方法,并使用互凸方法和时滞分解方法降低了保守性。(2)针对对象状态不可测,且传感器端存在非理想通信网络和事件触发器情形,研究了基于改进事件触发机制的网络化系统输出反馈(?)_∞控制。首先,为了克服相对事件触发机制在系统接近平衡点时数据发送率较高和绝对事件触发机制在系统远离平衡点时数据发送率较高的缺点,提出了综合利用状态相关信息和状态无关信息的改进事件触发机制,有效降低了系统全程运行期间的数据发送率。然后,建立了融合改进事件触发机制参数、通信网络性能参量和输出反馈控制器增益矩阵的时滞系统模型,得到了保证系统(?)_∞增益的有界稳定性和渐近稳定性判据,获得了系统有界稳定时最终有界集与改进事件触发机制参数的量化关系,给出了输出反馈控制器与改进事件触发机制的联合设计方案,该方案设计的控制器和事件触发器使得系统控制和通信性能均达到期望水平。(3)针对无线传感器网络用于对象信息检测,且传感器端存在非理想多通道网络和分布式事件触发器情形,研究了基于分布式事件触发机制的网络化系统H_∞控制。首先,为了降低传感器节点能耗和网络带宽占用,基于无线传感器网络拓扑结构,提出了节点及邻居信息依赖的分布式事件触发机制。然后,建立了同时刻画分布式事件触发机制、无线传感器网络拓扑结构和多通道网络性能影响的时滞系统模型,利用包含交叉项和标量值函数高次幂的增广Lyapunov泛函、二次凸方法及时滞函数分段线性特性,得到了系统渐近稳定且满足H_∞性能指标的低保守性充分条件,该条件刻画了分布式事件触发机制、无线传感器网络拓扑结构、多通道网络性能与系统稳定性的相互制约关系,并给出了控制器和分布式事件触发机制的低保守性联合设计方法。(4)针对传感器端和控制器端均存在非理想通信网络和事件触发器情形,研究了基于双端事件触发机制的网络化系统H_∞控制。首先,为了降低双端通信网络的数据传输量,提出了分别依赖于对象信息和控制器信息的双端事件触发机制。然后,使用具有内嵌缓存器的双端数据处理中心,将时变传输时滞转化为常时滞,并建立了同时刻画双端事件触发机制和双端通信网络性能影响的时滞系统模型,得到了系统渐近稳定且满足H_∞性能指标的充分条件,该条件刻画了双端事件触发机制、双端通信网络性能与系统稳定性的相互制约关系,并给出了控制器与双端事件触发机制的联合设计方法。(5)针对分布式传感器用于对象信息检测,且传感器端和控制器端存在非理想多通道网络和分布式事件触发器情形,研究了基于双端分布式事件触发机制的网络化系统(?)_∞控制。首先,为了有效降低系统全程运行期间双端多通道网络的数据传输量,提出了综合利用对象信息、控制器信息和状态无关信息的双端分布式事件触发机制。然后,建立了同时刻画双端分布式事件触发机制和双端多通道网络性能影响的时滞系统模型,得到了保证系统(?)_∞增益的有界稳定性和渐近稳定性判据,获得了系统有界稳定时最终有界集与双端分布式事件触发机制参数的量化关系,给出了双端分布式事件触发机制下控制器设计的充分条件。
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