具有隨機丟包與時延的網絡控制系統(tǒng)容錯控制研究.pdf

1、隨著控制系統(tǒng)的規(guī)模日益擴大和計算機網絡技術的廣泛應用，形成了通過通信網絡構成控制回路的網絡控制系統(tǒng)(Networked Control System，NCS)。與傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)相比，NCS可以通過網絡實現復雜大系統(tǒng)和遠程控制，且具有資源共享、易于安裝與維護，系統(tǒng)成本低等諸多優(yōu)點。然而網絡環(huán)境的復雜性，給系統(tǒng)的分析和設計帶來了困難，也使得針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計的容錯控制算法難以應用到NCS中，因此迫切需要發(fā)展NCS的容錯控制理論。為此

2、，本文在研究網絡控制系統(tǒng)建模、分析與控制問題的基礎上，綜合考慮被控對象的不確定因素和控制性能需求，研究了NCS的容錯控制問題，以期提高NCS的可靠性和安全性，為網絡化容錯控制系統(tǒng)應用到實際工程中做好理論基礎準備。本文的主要研究成果如下：
　　 (1)針對具有外部擾動和馬爾可夫丟包的網絡控制系統(tǒng)，提出了一種H∞狀態(tài)反饋控制方法。將NCS建模為馬爾可夫跳變線性系統(tǒng)，給出了基于線性矩陣不等式形式的NCS均方穩(wěn)定且滿足H∞擾動衰減指標的

3、充分條件及控制器的設計方法。進一步針對同時存在丟包和網絡時延的網絡控制系統(tǒng)，提出了H∞狀態(tài)反饋控制器設計方法。
　　 (2)針對具有有界數據包丟失的網絡控制系統(tǒng)，提出了一種完整性設計方法和一種保成本容錯控制方法。考慮兩種數據包丟失的情況，設計了針對執(zhí)行器故障和傳感器故障的NCS容錯控制器；基于馬爾可夫丟包模型，構造丟包依賴的Lyapunov函數，推導出了保證故障系統(tǒng)均方穩(wěn)定且滿足保成本性能指標的充分條件，通過求解線性矩陣不等式約

4、束的最小化問題，給出了最優(yōu)保成本容錯控制器的設計方法。
　　 (3)針對基于隨機丟包模型的不確定網絡控制系統(tǒng)，提出了一種魯棒控制方法和一種魯棒容錯控制方法?？紤]丟包存在于傳感器到控制器和控制器到執(zhí)行器之間的網絡通道，并將網絡通道建模為開關模型。針對不確定性滿足不完全匹配結構的情況，將NCS建模為有四個模態(tài)的馬爾可夫跳變系統(tǒng)，并分別給出了保證正常系統(tǒng)和故障系統(tǒng)隨機穩(wěn)定的充分條件。基于連續(xù)增益故障模型，研究了一類具有外部擾動的隨機丟

5、包網絡控制系統(tǒng)的H∞容錯控制問題，利用錐補線性化方法，設計了H∞容錯控制器。
　　 (4)針對一類具有參數不確定性和外部干擾輸入的被控對象，提出了連續(xù)時間隨機時延NCS的魯棒H∞狀態(tài)反饋控制方法和魯棒H∞容錯控制器設計方法。構造依賴于網絡時延的控制器，將NCS建模為含有兩個隨機時延參數的連續(xù)時間馬爾可夫跳變系統(tǒng)，給出了網絡控制系統(tǒng)隨機穩(wěn)定且滿足H∞性能的充分條件。在考慮執(zhí)行器連續(xù)增益故障情況下，利用Lyapunov-Krasov

6、skii泛函方法，設計了保證故障系統(tǒng)隨機穩(wěn)定且滿足H∞性能的容錯控制器。
　　 (5)針對一類具有執(zhí)行器故障和馬爾可夫時延的離散時間網絡控制系統(tǒng)，提出了一種動態(tài)輸出反饋容錯控制方法。在考慮執(zhí)行器連續(xù)增益故障情況下，通過增廣矩陣的方法，將基于動態(tài)輸出反饋控制器的NCS建模為具有兩個馬爾可夫參數的隨機跳變系統(tǒng)，給出了故障系統(tǒng)隨機穩(wěn)定的充要條件，利用錐補線性化方法提出了容錯控制器設計方法。
　　 最后，在總結全文工作的基礎上，