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具有网络时延和数据丢包的网络控制系统稳定性研究

作 者: 耿帅兵
导 师: 刘维亭
学 校: 江苏科技大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 网络控制系统 网络时延 数据丢包 鲁棒H_∞控制 保性能H_∞控制 线性矩阵不等式
分类号: TP13
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


近年微电子、信息网络和控制理论与技术飞速发展,多样化传感器、智能化控制器和高精度驱动设备的问世给网络控制系统的发展提供了物质基础。高速公共网络和工业现场总线技术的不断发展和成功应用加速了网络控制系统的可靠性和开放性问题的研究,促进了网络控制系统在现代航空、精密制造以及远程医疗等控制领域的广泛应用。网络控制系统充分体现了可以实现资源共享和远程分布控制、系统构建模块化、集成化、成本低、故障诊断和维护方便、易扩展、灵活性强等优势。但是,由于通信机制和通信协议的原因,以及网络的带宽有限且为系统中各节点所共享,当各节点通过控制网络交换数据时,往往会出现数据碰撞、网络拥堵、网络间接性中断等现象,不可避免地网络控制系统就会产生数据传输时延和数据包丢失等问题。这些问题会降低控制系统性能,严重时使系统失稳。因此,本文考虑了包含网络时延数据丢包和系统外有限能量干扰等情况的网络控制系统,先确定要设计的网络控制系统性能指标,从控制网络的服务质量出发,研究网络控制系统的建模、稳定性分析、鲁棒H_∞最优控制和H_∞滤波器设计等问题,主要工作如下:研究了具有短时延和外部有限能量扰动的动态输出反馈网络控制系统,控制器采用具有动态补偿功能的动态输出反馈控制,这样可以提高系统输出反馈的控制性能,利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式处理方法,找出网络控制系统鲁棒H_∞保性能控制律存在的条件,总结得出鲁棒H_∞保性能控制律设计方法。研究了具有长时延、数据包丢失以及外部干扰的状态反馈网络控制系统。基于Lyapunov-Krasovskii泛函和LMI方法,从H_∞状态反馈控制问题入手,给出了系统稳定的充分条件和鲁棒H_∞控制器的设计方法。在稳定性条件的推导过程中,对交叉项进行了更紧的界定,总结得出了相应的状态反馈H_∞控制器设计方法。通过仿真算例求解被控对象网络诱导时延与数据丢包的最大值。研究了一类不确定离散系统的鲁棒H_∞滤波问题,其中不确定性存在于系统的状态系数矩阵和输出系数矩阵中,且满足范数有界条件。对于所容许的参数不确定性,构造一个考虑时延和丢包的网络滤波器,使得滤波误差系统渐近稳定且满足一定的H_∞性能指标。本文推出了网络H_∞滤波器存在的充分条件,其中通过矩阵变量替换和锥补算法处理了充分条件中所含逆矩阵。最后通过仿真证明了本文滤波器设计方法有效性。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题研究的目的和意义  9-10
  1.2 网络控制系统概述  10-12
    1.2.1 网络控制系统的发展背景  10-12
    1.2.2 控制网络  12
  1.3 NCS 的基本问题  12-14
  1.4 国内外研究现状  14-16
    1.4.1 网络控制时延和数据包丢失的研究  14-15
    1.4.2 网络控制系统滤波器的研究  15-16
  1.5 本文的研究工作  16
  1.6 本文的内容安排  16-17
第2章 预备知识  17-24
  2.1 稳定性概念  17-18
  2.2 线性矩阵不等式  18-20
  2.3 网络控制系统的数学模型  20-22
  2.4 网络控制系统的时延和丢包分析  22-23
  2.5 本文使用的符号  23
  2.6 本章小结  23-24
第3章 含有短时延的NCS 鲁棒H_∞控制  24-34
  3.1 引言  24
  3.2 输出反馈的NCSs 建模  24-27
  3.3 输出反馈的NCSs 的控制器设计  27-32
  3.4 仿真例子  32-33
  3.5 本章小结  33-34
第4章 含有长时延和数据丢包的NCS 鲁棒H∞控制  34-44
  4.1 引言  34
  4.2 状态反馈的NCSs 建模  34-36
  4.3 控制器设计  36-41
  4.4 仿真例子  41-43
  4.5 本章小结  43-44
第5章 鲁棒H∞网络滤波器设计与仿真  44-55
  5.1 引言  44
  5.2 准备知识  44
  5.3 问题描述  44-46
  5.4 滤波器设计  46-51
  5.5 仿真例子  51-54
  5.6 本章小结  54-55
第6章 总结和展望  55-57
参考文献  57-61
攻读硕士学位期间发表的学术论文  61-62
致谢  62-63
大摘要  63-67

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化基础理论 > 自动控制理论
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