多包传输网络化控制系统的设计和分析

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随着通信技术、控制理论和计算机技术的飞速发展,网络化控制系统在学术界和工业界中引起了强烈地关注。网络化控制系统是通过通信网络将传感器、控制器和执行器互联的控制系统。与传统控制系统相比,网络化控制系统有着更低廉的布线成本、更灵活的配置和更便利的维护性等优点。目前随着先进技术的发展和生产要求的提高,对多传感器通过通信网络独立传输数据并由控制器处理分发控制信号的控制系统的需求越来越多。因此,如何对采用此通信方式的网络化控制系统进行建模、分析和控制器设计是热点研究课题。然而,利用此通信方式给网络化控制系统带来了许多不可避免的问题,例如部分包丢失、多时延、传感器多采样率和通信信道竞争等,这些问题将会导致控制系统的性能下降,甚至影响系统的稳定性。我们把这些问题统称为多包传输问题,特别在无线网络化控制系统中,该问题是一个亟待解决的核心问题,同时也是物联网、信息物理融合等系统中需要解决的重要问题。本文在基于国内外研究现状的基础上针对多包传输网络化控制系统中的丢包问题给出了相应的解决方案,具体的工作内容如下:(1)针对网络化控制系统中存在由多包传输引入的部分包丢失问题,提出了基于状态重构方法的状态反馈控制方案。首先采用状态重构方法对部分丢失信息进行重构,进一步将随机稳定的概念引入到此闭环控制系统中,从而得出了闭环控制系统的稳定性结论以及给出了闭环控制系统状态反馈控制器的设计方法。(2)针对处于丢包情形下多包传输网络化控制系统的基于观测器的控制器设计问题,提出了基于输出重构的观测器和控制器设计规则。首先采用输出重构方法补偿多包传输网络化控制系统丢失的信息;进一步采用基于观测器的控制规则来进行控制器的设计,得到闭环控制系统;然后证明了闭环控制系统的随机稳定以及给出了相应的控制增益矩阵和观测增益矩阵的联合设计。(3)针对(1)中的问题,该解决方案并没有考虑由于重构信息引入的系统误差,对此提出一种基于重构信息的分类补偿控制规则。首先采用状态重构方法来重构部分丢失信息,并对重构信息和接收到的信息分别设计反馈矩阵;进一步得到闭环控制系统指数稳定的充分条件以及通过最小化衰减率来进行求解控制器设计的约束条件,从而得到控制增益矩阵。论文通过MATLAB软件和TrueTime工具箱对一些实例进行仿真研究,验证所提出设计方法的有效性。最后,对全文进行了总结,并对下一步的研究进行展望。
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