姚敏[1]2004年在《具有数据丢包的网络控制系统的建模、分析与控制》文中认为网络控制是目前控制科学与飞速发展的计算机网络及通讯技术相结合的产物，信息的网络化和智能化给自动化技术带来了深远影响和挑战。目前，网络控制已成为国际学术界研究的一个热点。本文主要从建模、稳定性分析和控制器设计叁个方面对网络控制系统中数据丢包问题进行了研究。 首先，研究了网络控制系统的基本问题和建模问题。建立了单包传输和多包传输模型，以及相应的存在数据包丢失情况下的切换模型和随机模型。 其次，研究了NCS中数据丢包的稳定性问题和丢包边界。给出了单输入单输出和多输入多输出网络控制系统中存在数据包丢失情况下均方随机稳定的充分条件和丢包边界的确定方法。稳定性和数据丢包边界的研究为控制器的设计奠定了基础。数值仿真验证了稳定性判据的有效性。 最后，研究了网络控制系统有数据包丢失情况下控制器的设计。通过最优输出补偿的方法和鲁棒极点配置的方法来克服数据包丢失对系统性能的影响。仿真验证了设计方法的正确性和有效性。
邢江[2]2006年在《网络化控制系统的若干问题研究》文中认为随着网络技术的发展,网络化控制系统日益成为人们关注的课题,因而有必要清楚了解该领域的研究现状。首先概述了网络化控制系统的发展过程,在综述网络化控制系统研究现状的基础上,对网络化控制系统的建模、状态估计、信息时延、调度算法、通信约束等方面进行了深入分析,并对其中的建模、网络信息调度的最优化、网络环境下控制理论研究、应用研究等方面的未来发展作了展望.首先分析比较了控制网络与一般数据网络,介绍了常见的控制网络,并由此定性分析了网络化对控制系统的影响。最后概述了网络化控制系统中的时延的组成,并讨论影响时延的一些因素。针对网络化控制系统中的信息调度问题。分析比较了网络化控制系统的信息调度与实时系统的信息调度,因而对实时系统的信息调度算法作了分析总结。然后,分析了在最大允许网络延时情形下的NCS信息调度问题,并给出了一种信息调度算法。网络诱导时延在网络化控制系统中是不可避免的,而且会降低系统性能以及影响系统的稳定性。因而,针对网络诱导时延,提出了一种基于线性矩阵不等式的时滞相关优化方法。构建了在网络诱导时延情形下网络化控制系统的数学模型,继而分析设计了基于LMI的时滞相关控制器。仿真实验中采用了Matlab的LMI工具箱,并结合了一定的迭代策略,得出的结果表明该方法具备一定的优越性。针对网络化控制系统中的数据包丢失问题。将网络化控制系统的数据丢包分为单包传输数据包丢失和多包传输数据包丢失两种情形,由此建立了相应的数学模型。从切换控制的角度分析研究了NCS中由于数据包丢失而引发的稳定性问题,并用一个仿真示例说明了数据丢包对网络化控制系统的影响。
钟梦筱[3]2017年在《基于事件触发的网络化系统预测控制研究》文中研究指明对于网络控制系统而言,如何采取合理的控制算法及调度策略,能够在很大程度上决定网络中冲突、阻塞等现象是否产生,继而减小网络诱导延迟和数据包丢失等因素对系统造成的影响,对改善网络控制系统的性能起着至关重要的作用。近年来,事件触发这一通信机制由于其能较大的提高网络资源的利用率而受到越来越多的关注,但这一机制是以牺牲一定的控制性能为代价的,预测控制算法又能在一定程度上提升系统的控制品质,因此考虑两方面的折中进行联合研究是有意义的。本文的研究内容主要包括以下几个方面:首先,阐述了本课题的研究背景及意义,简明扼要地概述了网络化控制系统,分别从网络控制系统的概念、结构以及其中存在的待解决的问题几个方面进行了描述;然后,简单介绍了离散事件触发机制,并简要综述了预测控制的研究现状;最后,列出了下文中将要用到的主要理论及引理,并介绍了本文的主要研究内容。其次,分析与研究了具有时延的网络控制系统的事件触发控制策略。创设了基于离散事件触发机制的时滞数学模型,利用Lyapunov-Krasovskii泛函和线性矩阵不等式方法,分析了时延相关系统的稳定性,并设计了控制器,最终经过仿真算例验证了所提方法的可行性。最后,考虑带有数据丢包的线性离散时间网络化控制系统,提出了新的基于事件触发的预测控制机制,将事件触发通信机制以及预测控制结合起来,通过事件触发机制缓解通信信道压力,节约网络带宽资源,由于这样会在一定程度上降低系统的控制品质,而预测控制算法恰好能预先地对其进行补偿,将二者折中,在主动补偿了数据丢包获得理想的控制性能的同时提高了网络带宽资源的利用率。利用Lyapunov稳定性理论和LMI方法,推导出了确保整个闭环系统渐进稳定的充分条件。并把这一机制推广到带有网络诱导时延的离散时间线性系统的稳定性问题上面。
崔秀秀[4]2014年在《一类具有丢包和时延的网络控制系统的反馈控制》文中研究指明计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的快速发展,促使网络控制统(Networked Control Systems)的研究成为现代控制理论研究的一个重要领域。在网络控制系统带来成本低、易扩展、资源共享、结构灵活等众多优点的同时,由于通信网络的不可靠性,不可避免地给系统带来了传输时延、数据丢包、通信约束等问题,这些问题直接地影响到系统的性能。如何解决这些问题给网络控制系统带来的影响具有重要的理论和实际意义。本文研究了一类具有双通道数据丢包和网络诱导时延的网络控制系统的反馈控制问题,主要工作概述如下：首先,研究了具有双通道数据丢包和短时延的网络控制系统的输出反馈控制问题。假设网络控制系统的传感器、控制器和执行器都采用时间驱动,并且具有相同的执行周期,全局时钟同步,将闭环网络控制系统建模成具有四个模态的离散Markov跳变线性系统。然后,通过随机稳定性原理与线性矩阵不等式方法,分析该系统的随机稳定性,最后设计出基于观测器的输出反馈控制器。其次,在上述研究的基础上,我们考虑网络控制系统运行时,除了具有数据丢包,还存在长时变时延的情形。当发生数据丢包时,控制器和执行器采取保持输入策略,将不同情况下的数据丢包问题建模成离散的切换时滞系统。其中的稳定子系统描述数据包成功传输的网络控制系统的动态,而用不稳定子系统描述丢包时的网络控制系统的动态。进而,运用切换时滞系统理论和平均驻留时间的方法,结合线性矩阵不等式技术,给出该网络控制系统的指数稳定性条件,分析了最大允许数据丢包率与系统指数稳定性的关系,并设计出状态反馈控制器。最后,对本文的主要工作进行了概括,并对网络控制系统未来的研究进行了展望。
张莹[5]2013年在《网络控制系统建模与控制方法研究》文中认为随着计算机及网络技术的大力发展，控制系统中的各部件(传感器、控制器、执行器等)通过通信网络相互连接已然成为控制系统的发展趋势。本文针对网络控制系统中时变采样周期、随机网络诱导时延以及数据包丢失等问题，基于Lyapunov稳定性理论，采用LMI方法，并集合Schur补引理、投影引理、异步动态系统理论、Markov链跳变系统理论等多种数学工具，研究NCS的模型建立、鲁棒性能分析、稳定性分析以及相应的控制器设计等问题。主要研究内容有：首先，针对具有时变采样周期和随机数据包丢失的网络控制系统，研究其鲁棒H_∞控制器的设计问题。建立了NCS的离散区间动态模型，该模型以Bernoulli分布序列描述NCS数据丢包的随机性，并以不确定区间矩阵描述NCS的采样周期与传输时延的时变性。在此基础上，基于LMI技术给出了使闭环系统渐近稳定的鲁棒H_∞控制器存在的充分条件。所设计的控制器可以保证系统渐近稳定且具有一定的H_∞扰动抑制水平。其次，分别针对短时延、长时延两种情况，研究系统同时具有随机诱导时延和异步数据包丢失特性时的镇定问题。将网络时延的不确定性转化为系统参数的不确定性，并将系统建模为具有两个时间速率约束的异步独立动态系统。根据异步动态系统理论，分别给出系统状态反馈和动态输出反馈下指数稳定的充分性判据和相应的控制器设计方法，并以LMI的形式表示。再次，为进一步探究数据丢包特性，研究了具有随机时变短时延，并带有Markov跳跃特性数据丢包的NCS状态反馈鲁棒H_∞控制问题。将网络时延的不确定性转化为系统参数的不确定性，并将网络控制系统建模为具有两个模式的Markov跳跃系统。结合Markov跳变系统理论，以LMI组的形式给出了系统状态反馈鲁棒H_∞控制器存在的充分条件。最后，考虑实际石油化工中蒸馏塔控制特点，将网络控制与蒸馏塔温度控制相结合。应用了论文中给出的具有随机诱导时延以及异步数据包丢失NCS的设计方法，并通过仿真验证该方法的可行性。这一部分内容是NCS面向实际问题的尝试性应用。本文中对主要的研究结果都进行了数值算例和仿真研究，仿真结果证明了所研究内容的可行性及有效性。
陈征[6]2007年在《基于切换模型的丢包网络控制系统的鲁棒控制技术研究》文中指出随着控制科学和计算机的飞速发展，网络控制系统应运而生，信息的网络化和智能化给自动化技术带来了深远影响和挑战。目前，网络控制已成为国际学术界研究的一个热点。本文主要从建模、稳定性分析和控制器设计叁个方面对网络控制系统中的数据丢包问题进行了研究。首先，研究了丢包网络控制系统的建模问题和稳定性问题。建立了单包传输和多包传输的丢包NCS模型，根据异步动态系统理论给出了丢包NCS的稳定性分析。其次，基于切换模型研究了丢包NCS的控制问题。建立了系统的开闭环预测切换模型，通过观测器补偿的方法对丢包NCS进行控制，并给出了观测器和控制器的设计方法。数值仿真结果说明了采用丢包补偿后的系统动态性能要优于补偿之前，验证了设计方法的有效性。最后，研究了存在外部扰动的丢包NCS的鲁棒控制问题。建立了系统的不确定性模型，给出一种具有H_∞性能界的鲁棒状态反馈控制器的设计方法。数值仿真结果说明了该控制器使系统对外部扰动和数据丢包都具有一定的鲁棒性，验证了设计方法的有效性。
董建军[7]2015年在《网络化控制系统的建模及控制问题研究》文中研究表明近年来，有关网络化控制系统的研究在控制领域内受到了越来越多的关注。与传统的控制系统相比，网络化控制系统具有诸多的优点，例如易于系统的安装与维护、便于实施远程操作与控制、成本低、灵活性大、易于信息共享等。但是网络的介入也给系统带来了许多不可避免的问题，如传输时延、数据丢包和信道不确定性等，这些问题的存在可能会导致系统的控制性能变差，甚至会影响系统的稳定性。本文在总结现有研究工作的基础上，针对离散时间网络化控制系统的建模以及控制问题进行研究。主要研究内容有：首先，对现有的网络化控制系统的建模及控制研究方法作了介绍，并介绍了几种典型的网络化控制算法，为后文进一步的分析、建模和研究网络化控制系统提供理论基础。其次，针对本文重点研究的网络化控制系统中存在的通信信道不确定性和数据丢包问题，分别给出了它们模型的建立方法以及数学表达式，并将它们结合在一个网络化控制结构框架中，给出了网络化控制系统闭环模型的建立方法。然后，本论文研究了具有有界丢包和信道不确定性的网络化控制系统的状态反馈控制问题。采用了有界的确定性丢包模型，结合信道不确定性的数学模型，建立了该类网络化控制系统的闭环模型。基于李雅普诺夫稳定性分析方法，得到了闭环系统渐进稳定的充分条件，进而给出了利用Schur补引理和LMI工具箱求解控制器的方法。最后，研究了具有随机丢包和信道不确定性的网络化控制系统的输出反馈控制问题。在上一章中研究了状态反馈控制，但系统状态在实际中往往是难以得到的，所以对基于观测器的输出反馈控制进行了研究。考虑到数据丢包的随机特性，将数据丢包模拟成服从Bernoulli分布的随机序列，得到闭环系统的模型。为了分析系统中的随机参数，引入了均方意义下的稳定性，然后给出了保证闭环系统均方指数稳定的新的充分条件。在此基础上，给出了保证闭环系统满足均方指数稳定的控制器增益和观测器增益的设计方法。
方小生[8]2009年在《随机网络控制系统的性能分析与鲁棒控制》文中提出网络控制系统(Networked Control Systems,NCS)是以串行通信网络把传感器、控制器和执行器相连接而构成反馈闭环的特殊分布式控制系统。与传统的点对点的控制系统相比,这种网络化的控制模式避免了控制节点间专线的敷设,减少布线,易于系统的诊断和维护,增加系统结构的灵活性,有效的降低了系统成本。目前,网络控制系统已在工业制造、交通系统、电力、航空航天等领域获得了广泛的应用。但是,网络传输的介入,也带来了许多新问题,如:网络时延、数据丢包、网络带宽的波动以及网络的通信约束使得数据必须多包传输、不同的网络节点之间系统时钟的异步等等。这些因素将不可避免的影响到控制系统的性能,甚至使系统不稳定,这使网络控制系统的分析和设计问题变得复杂。因此,针对网络化控制系统的研究具有重大的理论和应用价值,正日益成为目前控制理论界研究的热点。本文结合随机控制和鲁棒控制理论,对存在网络环境因素(数据丢包、带宽的限制和扰动、网络时延)影响的网络控制系统的建模,稳定性分析、鲁棒控制设计等问题进行了深入的研究。利用Lyapunov稳定性理论以及线性矩阵不等式方法,给出了各个网络因素影响下闭环系统的稳定性条件和控制器设计方法;通过引入随机网路控制系统的最优保性能和最优H∞性能等鲁棒性能指标,对系统的性能与网络环境之间的关系进行了分析研究。本文的内容主要包括以下几个方面:首先,针对一类存在随机数据丢包的离散网络控制系统,研究其保性能控制问题。设传感器到控制器和控制器到传感器之间存在的两类数据丢包相互独立并满足伯奴利二项分布。分别在单、多包传输的条件下,把被控对象连同存在数据丢包的通信网络建模为一个增广系统对象,其中原被控对象的控制输入作为一个增广系统的状态。通过设计该增广系统的状态观测器,实现了系统状态和控制输入的同时估计。在此观测器基础上,提出了一种基于观测器的保性能控制策略,给出了闭环系统随机均方指数稳定的充分条件,并用线性矩阵不等式技术和锥补线性化(Cone Complementarity Linearization,CCL)迭代算法给出了最优保性能控制器的设计方法。针对存在网络通信约束的离散网络控制系统,研究了基于状态观测器的H∞控制问题。设网络的带宽容量有限并且带宽的变化满足某个已知的概率分布的条件下,对单包和多包传输情形下的网络控制系统分别进行了建模。在不同的网络通信约束和带宽分配条件下,分别给出了网络控制系统均方稳定的充分条件。通过引入最优H∞性能指标,对通信约束条件和控制系统H∞性能之间的关系进行了深入研究,并用线性矩阵不等式和CCL迭代算法给出了具有最优H∞性能的带宽分配方案和控制器设计方法。针对存在随机时延的离散网络控制系统,研究了网络控制系统的状态反馈H∞控制问题。考虑只在传感器到控制器之间存在网络时延的网络控制系统,用一个状态有限的马尔可夫链描述该随机时延,并在单、多包传输条件下,分别将网络控制系统建模为离散随机线性跳变系统。假设网络传输采用时间戳技术,即在每个采样时刻控制器可以获得当前时刻从传感器到控制器间网络时延的大小。着眼于减少控制器设计的保守性,对网络控制系统采用按随机时延进行实时切换的状态反馈控制策略,给出了闭环系统随机稳定的充分条件,并用线性矩阵不等式方法和CCL迭代算法给出了单、多包传输条件下的网络控制系统的最优H∞控制器的设计方法。最后,对存在数据丢包的连续网络控制系统的数据采样H∞控制问题进行了研究。考虑被控对象为连续时间系统,并且传感器到控制器和控制器到传感器两类数据丢包相互独立并满足伯努力二项分布。通过引入输入时延(Input Delay)方法,将同时存在连续对象、离散传输信号以及数字控制器的网络控制系统转化为一类含随机参数的连续时滞系统,给出了闭环网络控制系统随机指数稳定的一个充分条件,并用线性矩阵不等式方法给出了最优H∞控制器的设计方法。
曾华南[9]2010年在《网络控制系统的状态反馈控制》文中认为将传感器、控制器和执行器通过网络形成的闭环反馈控制系统称为网络控制系统。它集成了计算机技术、通信技术和控制理论,并且成为现代工业生产的主要发展方向。但同时网络传输也会带来一系列的问题,例如网络诱导时延、数据丢包、时序错乱等,这些都是导致系统性能下降甚至失稳的重要因素。本文主要针对网络控制系统中出现的网络诱导时延和数据丢包问题做了以下工作：(1)介绍了研究网络控制系统的目的和意义以及目前对网络控制系统中网络诱导时延和数据丢包的主要研究方法。并通过查阅国内外相关文献,了解了网络控制系统中状态反馈控制的研究现状及发展趋势。(2)研究了从传感器到控制器和控制器到执行器都存在网络诱导时延的状态反馈控制,并基于Lyapunov稳定性理论和时滞系统的稳定性理论方法,以线性矩阵不等式的形式推导出了使系统渐进稳定的充分条件,并给出了状态反馈控制器的设计方法,通过仿真验证了所设计的控制器较之一般的控制器能够有效的提高系统的稳定性能。(3)将网络通道存在数据丢包的网络控制系统建模为由事件约束的异步动态系统,利用异步动态系统理论,在求解线性矩阵不等式的基础上,得到了数据传输成功率与闭环网络控制系统稳定的精确关系。重点分析了数据传输率随机变化的情况,给出了保证系统指数稳定的充分条件和使得系统均方稳定的状态反馈控制器的设计方法,数值仿真验证了此方法的有效性。(4)对前馈和反馈两个通道同时具有网络诱导时延且存在数据丢包的网络控制系统进行了研究,通过将丢包的网络控制系统建模为异步动态系统模型,并将长时延对系统的影响转化为系统的未知有界的不确定项来处理。在数据包传输率已知的前提下,给出了控制器能够存在的充分条件,以及如何设计状态反馈控制器的具体步骤,最后通过具体的仿真实例验证了该状态反馈控制不但使闭环系统稳定而且具有H∞性能。
李珍[10]2011年在《网络化控制系统的延迟补偿研究》文中提出伴随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展,传统的控制结构因其模块性和集成性受到限制,网络控制系统(Networked Control System,简称NCS)应运而生并在各行各业得到广泛应用。它与传统点对点式的控制系统的最大区别在于控制系统的各职能设备(传感器,控制器和执行器等)分布在不同的地域空间,通过网络实现各个节点之间的数据和信息的交换,并且各节点具有计算、分析、处理和通信的能力。NCS具有成本低、可靠性高、安装简单、可实现远程操作与控制、便于实现系统诊断和维护等优点。虽然网络化控制有诸多优势,但是在系统中插入通信网络使得信息的传输需要耗费一定的时间,因此网络中的时延问题是不可避免的。网络时延的存在增加了分析和设计网络控制系统的难度,降低了系统的控制性能,甚至可能破坏系统的稳定性。所以,减小系统的网络时延或对网络时延做出补偿对提高控制系统的性能有积极的意义。首先,本文分析网络控制系统中时延产生的原因、特性并建立系统模型,利用Lyapunov函数推导出使得系统指数稳定的充分条件。之后分析存在于通信网络的数据丢包的产生机理并建立等效模型,结合异步动态系统指数稳定的定理和推论得出保证具有数据丢包的网络控制系统指数稳定的条件。其次,本文在MATLAB/Simulink仿真环境下以一直流电机模型为被控对象分析网络时延对系统稳定性和动态性能的影响,并用Smith补偿器对时延进行补偿,初步解决时延对网络控制系统的影响。考虑到Smith补偿器是基于精确的数学模型,为克服模型变化给系统带来的影响,采用预估补偿和不完全微分先行相结合的控制方法,实现网络控制系统的时延补偿。然后,考虑到网络离散的特性,利用SimEvents离散时间仿真工具箱建立较符合实际网络情况的网络模型并结合Simulink工具箱构建新的网络控制系统模型,并采用Smith补偿器结合模糊免疫PI控制的方法,根据控制量的变化对PI控制器参数进行调节,通过选择合适的参数,有效地改善系统的控制性能。仍以直流电机为被控对象进行仿真研究,仿真结果表明该方法能够有效地改善系统的动态性能和稳态性能。
参考文献：
[1]. 具有数据丢包的网络控制系统的建模、分析与控制[D]. 姚敏. 南京理工大学. 2004
[2]. 网络化控制系统的若干问题研究[D]. 邢江. 华中科技大学. 2006
[3]. 基于事件触发的网络化系统预测控制研究[D]. 钟梦筱. 兰州理工大学. 2017
[4]. 一类具有丢包和时延的网络控制系统的反馈控制[D]. 崔秀秀. 东北大学. 2014
[5]. 网络控制系统建模与控制方法研究[D]. 张莹. 东北石油大学. 2013
[6]. 基于切换模型的丢包网络控制系统的鲁棒控制技术研究[D]. 陈征. 南京理工大学. 2007
[7]. 网络化控制系统的建模及控制问题研究[D]. 董建军. 北京理工大学. 2015
[8]. 随机网络控制系统的性能分析与鲁棒控制[D]. 方小生. 上海交通大学. 2009
[9]. 网络控制系统的状态反馈控制[D]. 曾华南. 东北大学. 2010
[10]. 网络化控制系统的延迟补偿研究[D]. 李珍. 河南科技大学. 2011
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