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1、网络化系统通信序列与控制器 设计研究,专 业：控制理论与控制工程,,主要内容,研究背景、意义和现状 论文创新点 主要研究成果 结论与展望 论文发表与基金项目参与情况,,研究背景、意义和研究现状,研究背景 网络化是控制系统发展的必然趋势 随着计算机与通信网络技术的飞速发展和进步，控制系统的应用领域越来越广泛，控制对象日益复杂，控制系统朝着更加分散化、智能化的方向发展。 网络化控制系统的优势 NCS具有效率高、灵活性和可操作性好、可靠性高、安装和维修简便、成本低等优点，实现了信息资源共享，提高了系统资源的利用率。 网络化控制系统给控制系统带来了新的挑战 网络的介入不可避免地在控制回路中引入了网络诱
2、导时延、数据包丢失等问题，传统的控制方法已无法适用于网络化控制系统，迫切需要研究新的控制理论与方法。,,研究背景、意义和研究现状,研究意义 NCS由网络和控制两部分组成，系统的性能品质QoP取决于控制算法的设计，网络的服务质量QoS则依赖于网络通信策略和通信质量。两者之间存在着相互影响、相互制约的内在联系。 在网络化控制系统中，从兼顾QoP和QoS的角度出发，进行控制与调度协同设计，有利于系统的总体性能的优化。 从控制与调度综合的角度对网络化控制系统合理地建模、分析和设计，是网络化控制系统所必需的理论基础和技术支撑。 目前，有关网络控制系统的研究主要集中在控制和调度两方面，控制与调度协同设计方
3、面的研究还处于初级阶段，因此有必要进行深入研究。,,研究背景、意义和研究现状,研究现状 控制与通信协议的协同设计 控制器和通信协议共同设计 设计支持给定协议的控制器 控制与通信序列协同设计 目前有关控制与访问调度协同设计问题主要集中于控制与静态访问调度的研究上，且大都未考虑网络诱导因素(时变/随机延迟、丢包和量化等)的影响。,,论文创新点,,主要研究成果,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,考虑下列具有时变不确定性、噪声、摄动和多个继发延迟的连续时间系统：,.,问题描述,假设,非线性摄动满足：,不确定性可以表示成以下形式：,(2.1),(2.2),(2.3),(2.4),,1.一类时滞系统的
4、鲁棒H稳定性分析,主要思路,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,稳定性分析 定理2.1：如果存在矩阵 标量 ，满足以下LMI：,那么时滞满足(2.2)的标称系统(2.1)在无噪声情况下渐近稳定。,说明2.1：在以上定理证明过程中，使用了如下形式的Lyapunov-Krasovskii泛函：,(2.5),,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,鲁棒H性能分析 定理2.2：如果存在矩阵 满足以下线性矩阵不等式,那么延迟满足(2.2)，不确定性满足(2.4)的系统(2.1)以干扰抑制水平 鲁棒H渐近稳定。,(2.5),,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,考虑下列具有两个继发时滞的参数不确定系统：
5、推论2.1：如果存在矩阵 满足 那么具有不确定性系统(2.6)以干扰抑制水平 鲁棒H渐近稳定。,(2.6),,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,仿真算例 算例2.1：为了与现有方法的鲁棒H性能进行比较，考虑以下系统：,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,表2.1 最大容许延迟 结果比较,表2.2 最小容许 结果比较,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,算例2.2：为了说明本文提出的鲁棒H稳定性分析方法的有效性， 考虑参数如下的不确定性系统(2.1)： 假设输入信号噪声形式如下： 非线性摄动表示如下：,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,图2.1. 状态响应曲线,已知 在零初始条件下系统
6、的状态响应曲线如下图所示。,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,在网络化控制系统中的应用,图2.2网络化控制系统典型结构,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,问题描述 系统模型： 假设 参数不确定满足下列条件：,.,(2.8),,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,定理2.3：给定标量 ，如果存在状态反馈控制器增益矩阵K和矩 阵 满足 那么系统(2.8)渐近稳定。如果以上条件可行，则期望的控制器增益给 定如下：,鲁棒H控制器设计,,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,仿真算例 已知 根据定理2.4求得,(2.9),(2.10),,1.一类时滞系统的鲁棒H稳定性分析,系统(2.58)在零初始
7、条件下的状态响应曲线如图2.5所示。,图2.3 系统(2.9)在控制器增益(2.10)下的状态响应,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,问题描述 被控对象给定如下： 状态反馈控制器： 时变延迟： 数据包丢失满足：,图3.1 m个执行器共享r个输入信道的网络化控制系统,(3.1),(3.2),,2.有限信道下输入通信序列设计方法,介质访问约束：在任意时刻，可以同时与控制器进行通信的执 行器个数是有限的。使用二值函数 表示执行器 j在时刻t的介质访问状态。,未获得信道访问权,m个执行器的介质访问状态,(3.3),获得信道访问权,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,主要思路,,2.有限信道下输入
8、通信序列设计方法,稳定性分析 定理3.1：给定控制器增益K，如果存在矩阵 满足以下条件,那么闭环系统(3.2)渐近稳定。,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,状态反馈控制器设计 定理3.2：如果存在矩阵 满足以下条件 那么存在状态反馈控制器增益K使系统(3.2)渐近稳定。如果条件(3.4)存在 可行解，那么控制器增益由下式给定,(3.4),(3.5),,2.有限信道下输入通信序列设计方法,通信序列的设计 切换区域 假设存在 的Hurwitz线性凸组合F, 构造如下区域 切换规则 最小规则：在进行每一次切换时，我们根据以下最小规则R确定下一次切换所 使用的通信序列： (3.6) 为了确保切换系
9、统的渐近稳定性，提出以下切换规则R： R0： 根据(3.6)选择 ； R1： 只要状态在区域 内，那么始终使用通信序列 ； R2： 如果在 的边界上运动，那么根据(3.6)选择下一个通信序列，并转到 R1。,构造以下切换区域:,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,稳定性分析 定理 3.4：采用(3.5)中的控制器增益K，给定标量 满足 使得以下线性矩阵不等式成立：,那么闭环系统(3.3)在切换规则R下渐近稳定。,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,优越性:定理3.4中的结论与文献93所得结论相比，在很大程度上降低 了保守性，具体原因如下： 将的问题转化为线性矩阵不等式(LMI)的求解问题，
10、避免了求解矩阵范数； 通过求解线性矩阵不等式(LMIs)，获得保持系统稳定的延迟上界，而不是采用预先选择相应矩阵的方法，因此所得延迟上界保守性较低； 本文考虑的延迟：传感器-控制器延迟和控制器-执行器延迟，是具有不同特性继发时变延迟。然而，文献93只针对定常延迟进行了分析。 将 作为一项来处理，避免了将区间 划分成多个子区间93，最终将问题转化为LMI问题，降低了问题的复杂性。,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,仿真研究 算例3.2(有效性)：考虑参数如下的系统(3.1)： 已知 根据定理3.3， 求得状态反馈控制器增益如下：,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,图3.3(a)状态响应曲
11、线,图3.3(b) 输入通信序列,根据定理3.4，获得确保系统渐近稳定性的通信序列如图3.3(b)所示. 此时系统的状态响应曲线如图3.3(a)所示，初始条件为 。,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,算例3.3(优越性)：给定系统参数如下： 已知 控制器增益给定 如下：,表 3.1. 不同d下的最大延迟上界,,2.有限信道下输入通信序列设计方法,图3.4(a) 状态轨迹,图3.4(b) 输入通信序列,系统的状态轨迹如图3.4(a)所示，其中初始条件为 确保系统稳定的通信序列如图3.4(b)所示。,,3.有限信道多包传输下输入输出通信序列设计方法,问题描述 被控对象形式如下： 动态输出反馈控
12、制器形式如下：,图4.1 具有大量传感器和执行器的有限信道网络化控制系统(NCSs),(4.1),(4.2),,3.有限信道多包传输下输入输出通信序列设计方法,网络诱导延迟 数据包丢失 介质访问约束,m=1, l.,r=1, p.,输入通信序列,输出通信序列,(4.3),,3.有限信道多包传输下输入输出通信序列设计方法,主要思路,,3.有限信道多包传输下输入输出通信序列设计方法,稳定性分析 定理4.1：给定控制器参数矩阵(Ac, Bc, Cc)，如果存在矩阵 满足以下条件 说明：在证明过程中使用了以下 Lyapunov-krasovskii泛函,那么的系统(4.26)渐近稳定。,,3.有限信道多包传输下输入输出通信序列设计方法,控制器设计 定理4.2：如果存在矩阵 满足以下条件 那么存在形如(4.2)的动态输出反馈控制器使系统(4.3)渐近稳定。此外， 如果以上条件可行，那么动态输出反馈控制器(4.2)可由控制器增益矩阵 (Ac, Bc, Cc)唯一确定。,,3.有限信道多包传输下输入输出通信
