网络控制系统时延、丢包与错序问题研究
Research on the Time Delay, Packet Dropout and Packet Disordering in Networked Control Systems
网络控制系统(Networked Control System,简称NCS)是一种集通信网络和控制系统于一体的全分布式、网络化实时反馈控制系统,其所有信息在传感器、控制器和执行器之间的交换都是通过网络进行的.相对于传统点对点的连接方式,网络化控制模式的引入有很多优点,如低成本,重量轻,易于安装和维护,具有高可靠性和灵活性等.目前,网络控制系统已被广泛用于多个领域,如交通系统、航天系统、制造系统、电力系统等等.但是,网络传输的介入也会带来一些新的问题,如网络时延、数据丢包和数据包错序等.本文针对这些网络问题,运用积分不等式法、基于模型法、线性估计法和预测法,研究网络控制系统的稳定性并设计稳定化的控制器,以减少这些网络因素造成的影响.主要内容包括以下几个方面:(1)研究具有时变时延的网络控制系统稳定性与状态反馈控制器设计.首先,运用牛顿莱布尼兹公式对已有的积分不等式进行改进,并给出时滞系统稳定的充分判据和控制器设计方法.然后,将所得结果运用到具有时变时延的网络控制系统中,根据网络诱导时延的不同特性,分类建立区间时延系统,结合凸组合理论给出了网络控制系统稳定的充分性判据和控制器设计策略.最后,通过数值仿真证明本文方法的有效性.(2)研究具有随机Markov丢包网络控制系统的稳定性与状态反馈控制器设计.针对具有短时延和随机Markov丢包的网络控制系统,运用切换Lyapunov函数法设计了依赖于丢包数的可调控制器.然后,针对仅在网络反馈传输通道中存在数据丢包的网络控制系统,运用模型对丢失的数据信息进行估计,根据丢包的不同可能性建立切换系统模型,再运用切换Lyapunov函数法研究任意丢包模式和随机Markov丢包模式影响下网络控制系统的稳定性,并给出依赖于丢包数的控制器设计方法.当信号传输中发生数据丢包时,不同于零阶保持器(ZOH)使用上一个成功传送的数据信号,模型将对丢失的数据包进行动态补偿,从而减小数据丢包对网络的影响.(3)研究具有网络长时延和数据丢包的网络控制系统的稳定性和H_∞控制器设计.运用线性估计法对发生时延和丢包的数据信号进行补偿,再根据时延发生的不同长短分类建立切换系统模型.选取相应的切换Lyapunov函数,结合锥补线性化(CCL)给出了闭环系统稳定的充分性判据和H_∞控制器设计方法.文章考虑了时延发生的各种情形(一个周期内、一个周期到两个周期内、两个周期到三个周期内…),运用依赖于丢包数的线性估计法对丢失的数据包进行补偿,使系统稳定,具有较好的H_∞干扰抑制能力.(4)研究具有网络时延和错序的网络控制系统的稳定性和H_∞输出跟踪控制器设计.首先,针对具有网络时延和错序的网络控制系统,研究时延和错序的关系,根据建立的多时延参数不确定性网络控制系统模型,分析错序网络控制系统的稳定和H_∞控制.然后,运用在控制器端添加预测补偿器的方法,对时延和错序影响下无法准时到达的数据信号进行预测补偿,并根据相邻预测数的三种不同情形建立切换系统模型.运用切换Lyapunov函数法,给出了闭环系统稳定的充分性判据和H_∞输出跟踪控制器设计方法.由于预测器的运用对发生时延和错序的数据信息进行动态补偿,并充分考虑了相邻预测数的不同情形,控制器不仅时滞相关而且错序相关,所以给出的设计策略降低了系统的保守性,能达到较好的跟踪效果.
- 作者：
- 宋燕
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 控制理论与控制工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 王景成
- 中图分类号：
- TP273
- 关键词：
- 网络控制系统；网络时延；数据丢包；数据包错序；切换系统；状态反馈控制；H_∞控制；H_∞输出跟踪控制
- networked control system； networked time delay； packet loss； packetdisordering； switched system； state feedback control； H_∞control； H_∞output trackingcontrol