基于Delta算子的多通道网络控制系统H2/H∞滤波

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由于工业自动化技术的日新月异,传统的点对点控制系统逐渐无法满足生活生产的需求。随着通信技术和计算机计算的快速发展,网络化控制系统中最重要的特征是连结网络空间以及实体空间,因此即使长距离下仍执行许多任务。一般情况下,当通信网络存在控制系统时,所以此闭环系统又称为网络控制系统。网络化控制系统的信号传递通过共用的网络(及线材)传输,省去了不必要的配线,因此减少系统复杂度,并且降低设计及架设系统需要的成本,还可以通过增加传感器、控制器或是执行器来调整或是更新系统,使用较低的成本达到并且不会更动系统的主架构。网络化控制系统的最大特点是各控制器可以高效分享资料,因此在大实体空间内整合整体资讯。网络化控制系统在许多的领域中都有应用,例如太空及陆地的勘探、进入危险区域及相关作业、工厂自动化、远端诊断及故障排除、实验性设备、家用机器人、飞机、车辆、工厂监控、看护中心以及远端作业等。
  随着网络系统的广泛应用到人们的生活和生产中,网络系统的复杂性程度也不断增加,并且网络噪声和网络的复杂性等因素的影响,并且引发数据包的丢失、错乱或者延迟以及无线和有限混合的网络控制系统等情况。在网络多通道此类问题出现的频率越来越高,系统的稳定性和性能受到很大影响,尤其针对多通道丢包,延时等情况引起人们的广泛关注。本文针对多通道网络系统中延时,丢包,乱序等问题,设计H2/H∞滤波器。
  目前,对于具有时延、乱序等问题的网络控制系统滤波等基于移位算子。移位算子将离散系统和连续系统相结合,当采样周期不断减小时,离散系统出不稳定的现象,而且和原来的连续系统的偏差越来越大。本文所使用Delta算子描述上述系统时,会避免上述情况,结合Lyapunov稳定性理论,根据通过Schur补引理对NCS的模型建立,H2/H∞滤波器的设计。本文是作者参加国家自然科学基金资助项目《高速采样网络系统故障检测与滤波的统一方法》(项目编号:61471323)。采用Delta算子方法研究了在多通道Markov跳变情况下网络控制系统的滤波问题。本文主要内容有几下几个方面:
  (1)在多通道网络系统中,通过Delta算子设计了满足H2/H∞性能滤波器。对于多通道网络滤波,我们采用一个二态的Markov链描述每个通道上传感器到滤波器数据包的丢失。在滤波器误差系统中使用Markov跳变表示多种模态,利用Lyapunov泛函数证明了滤波器误差系统的稳定性,在线性矩阵不等式的基础上,设计了满足H2/H∞性能滤波器,并得到了其参数。通过数值实例证明了所设计H2/H∞滤波器的有效性,并且得到了在不同的转移概率的情况下,不同模态之前的跳变情况,并且滤波误差系统稳定。
  (2)具有多通道数据包丢失、时延和乱序等在网络控制混合问题。通过Delta算子进行描述系统,充分利用了Markov链的多模态问题和H2/H∞设计,采用最大误差,把网络控制问题中的丢失、时延和乱序在同一模型进行描述,对复杂多通道建立了滤波误差系统,李雅普诺夫稳定性理论得到使H2/H∞性能随机稳定的充分条件。设计的H2/H∞滤波器使用LMIs工具箱对算法的可行性和有效性进行充分验证。
  (3)对于有线无线混合网络多通道数据包问题。采用了Delta算子描述网络控制系统,利用独立的伯努利描述每个通道数据包数据丢失情况,在无线网络中网络拓扑结构描述传感器之间随机丢包问题,针对复杂多通道建立了滤波误差系统,得到使H2/H∞性能随机稳定的充分条件。设计的H2/H∞滤波器通过LMIs工具箱对算法的可行性和有效性进行了验证。
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