网络控制系统的事件触发控制方法研究

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随着科学技术的发展,现代工业系统的规模、结构以及复杂程度不断增加。传统的点对点结构的控制会出现增加布线成本、安装不便、造成空间资源紧张以及降低系统灵活性等问题,因而难以满足现代生产化的要求。而通过网络将被控系统的传感器、控制器和执行器等部件连接起来,可以包容更大规模的控制系统、实现更远距离的控制、完成更多的控制目标。由于网络控制系统具有安装与维护简单、灵活性与可靠性较高、可以实现资源共享等优点,因而已被广泛应用到移动机器人、工业生产过程、城市交通、航空航天等领域。与此同时,网络的引入也给系统分析与设计带来了新的挑战。网络控制系统对信号传输通道的带宽、传输频率等有着较高的要求,当通信网络带宽有限、信号交互频繁时,便可能出现网络诱导延时、丢包等情况,从而影响控制系统的实际运行性能。如何在确保系统性能的情况下有效减少信号传输量进而降低网络的通讯负担是近年来研究的热点问题之一。事件触发控制的兴起为降低信号传输频率、减轻通讯网络负担提供了重要手段。本文在总结前人工作的基础上,针对线性网络控制系统研究了基于事件的控制方法。结合Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)技术,得到了同时设计事件触发机制和控制器的条件。主要结果均给出了理论证明,并且通过仿真算例验证了所提理论方法的有效性。本文的主要内容如下:第一、二章系统地分析和总结了网络控制系统和事件触发控制的背景和发展现状,并给出了与本文相关的一些预备知识。第三章研究了带有输入饱和的网络控制系统的事件触发状态反馈控制问题。首先,在没有外部扰动的情况下,提出了一种估计系统原点吸引域的方法。然后将这种方法扩展到系统存在外部扰动的情形,给出了基于LMI的优化方法来设计事件触发机制和状态反馈控制器,从而在保证稳定性的前提下实现对扰动的抑制。最后,通过仿真算例验证所提方法的有效性。第四章研究了带有输入饱和的网络控制系统的事件触发非脆弱动态输出反馈控制器的设计问题。所设计的控制器对区间型加性增益变量具有不敏感性。利用Lyapunov稳定性理论以及通过添加松弛变量的方法,得到了同时设计事件触发机制和非脆弱动态输出反馈控制器的充分条件。和现有的非脆弱动态输出反馈控制器设计方法相比,放松了对Lyapunov矩阵结构的限制。最后给出两个仿真算例说明该方法的有效性。第五章针对带有网络诱导延时的网络控制系统设计了事件触发动态输出反馈控制策略。首先,采用两个相互独立的事件产生器分别判断测量输出和控制信号是否需要释放到网络进而传递给控制器和执行器,因此可以进一步节省通讯资源。在该框架下,将闭环系统建模为一个具有时滞的切换系统,然后在此基础上推导出新的稳定性判据。由于不要求所选择的Lyapunov-Krasovskii必须是单调递减的,因此得到的稳定性准则保守性较小。此外,如果相应的LMI存在可行解,则可以同时设计出事件触发机制中的参数和控制器增益。最后,通过两个仿真算例验证理论方法的有效性。第六章针对线性时不变系统提出一个新的动态事件触发控制策略。首先,通过引入一个额外的动态变量发展了动态事件触发机制,并且通过投影技术可以将这个动态变量限制到一个指定的区间。然后设计一个基于事件的状态反馈控制器。考虑到采样时刻信息,构造了一个新的Lyapunov-Krasovskii泛函。借助于数学归纳法和Lyapunov理论,得到了系统的稳定性准则。此外,通过矩阵解耦技术使得控制器增益和事件触发机制中的权重矩阵可以同时获得。和已有的静态事件触发控制方法相比,采用动态事件触发机制能够产生更少的事件。最后,通过仿真实例验证了该方案的有效性。第七章研究了线性多智能体系统在有向通讯拓扑下的的事件触发一致性问题。首先,提出了一个新的动态事件触发机制来调度智能体之间的通信。和已有的事件触发机制相比,不同之处在于所提出的触发机制包含了内部动态变量,这个变量在排除Zeno行为时起到了关键作用。然后利用触发时刻传递过来的数据设计了分布式控制协议。可以证明,在所提出的控制策略下可以保证所有跟随者的状态渐近收敛到领航者的状态。此外,还给出了设计事件触发机制和控制协议的LMI条件。最后,通过数值仿真验证了该策略比现有结果更能有效地减少通信量。第八章总结了本文的主要工作,并指明了未来的研究方向。
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