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智能调度的网络控制系统建模、分析与综合

作　者: 邓建球
导　师: 孙增圻
学　校: 清华大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 网络控制系统长时延短时延参数调度
分类号: TP273.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

网络控制系统(NCSs)是控制技术与网络技术相结合的产物，自提出以来就得到了广泛的关注。网络控制系统具有网络化的拓扑结构，系统数据具有时延和丢包的特性，使得控制系统现有的理论体系及方法都不再适应于网络控制系统。针对网络控制系统的特点，开展网络控制系统的理论及方法研究，是当今控制领域研究的热点及难点。目前来看，虽然NCSs的研究已经取得了大量的研究成果，但依旧存在诸多重要问题有待解决。本文在实际测量和分析网络状况对控制系统影响的基础上，以网络实际状况为基础，以提高算法的普适性和建模的有效性为目标，针对短时延网络和长时延网络，深入开展了NCSs的建模、分析、设计、参数优化及参数调度等问题的研究。论文的主要工作包括1针对短时延NCSs，提出了镇定控制器分析、设计及参数优化方法。首先，采用矩阵增广法对系统进行了建模；其次，利用Lyapunov函数分析了系统的稳定性；然后，应用锥补线性化方法(CCL)求解了状态反馈增益；最后，将状态反馈控制器的设计问题转化为具有稳定域约束的优化问题，并采用分布估计算法(EDA)进行了求解。仿真结果表明：该方法设计的短时延NCSs具有较好的控制性能。2为了提高短NCSs的性能，提出了智能调度控制器的建模、分析、设计及参数优化方法。分别以一段时间内的丢包率和平均网络时延来评估网络服务质量(QoS)，根据QoS划分来调度状态反馈增益和采样周期，并给出了控制器的建模、分析、设计及参数优化的方法。仿真结果表明：智能调度控制器能有效地改善NCSs的控制性能。3针对长时延NCSs，提出了镇定控制器分析、设计、参数优化及参数调度的方法。依据实际网络条件将网络时延分解成固定时延和随机时延，在此基础上，提出了长时延网络控制系统的镇定控制器和增益调度控制器的建模、控制器设计、参数优化及参数调度方法。仿真结果表明：该方法设计的镇定控制器具有较好的控制性能，增益调度控制器能有效改善长时延NCSs的控制性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
主要符号对照表  10-11
第1章引言  11-26
  1.1 网络控制系统定义与特点  11-13
  1.2 网络控制系统的基本问题  13-17
    1.2.1 网络体系结构  13-14
    1.2.2 网络时延  14-15
    1.2.3 时序错乱  15
    1.2.4 数据丢包  15-16
    1.2.5 节点驱动方式  16-17
  1.3 网络控制系统的研究现状  17-23
    1.3.1 研究控制理论提高 NCSs 的性能  17-20
    1.3.2 采用网络协议调度提高 NCSs 性能的研究  20-22
    1.3.3 应用方面  22
    1.3.4 小结  22-23
  1.4 本文的研究内容及结构安排  23-26
    1.4.1 本文的研究内容  23-24
    1.4.2 本文的结构安排  24-26
第2章网络参数测量及对控制系统的影响  26-42
  2.1 网络时延测量  27-33
    2.1.1 网络测量方法  27-29
    2.1.2 测量数据分析  29-33
    2.1.3 网络时延特性对 NCSs 设计的影响  33
  2.2 网络参数对控制系统的影响  33-40
    2.2.1 网络时延丢包对系统性能的影响  33-35
    2.2.2 反馈增益对系统性能的影响  35-38
    2.2.3 采样周期对系统性能的影响  38-40
  2.3 本章小结  40-42
第3章短时延网络状态反馈控制器设计  42-62
  3.1 系统描述  42-46
  3.2 系统建模  46-53
  3.3 稳定性分析  53-54
  3.4 反馈增益设计  54-57
  3.5 控制器参数优化  57-60
  3.6 试验仿真  60-61
  3.7 本章小结  61-62
第4章短时延网络增益调度的状态反馈控制器设计  62-70
  4.1 镇定控制器设计  62-64
    4.1.1 网络状况的划分和监视器设计  62-63
    4.1.2 控制器设计  63-64
  4.2 稳定性分析  64-65
  4.3 反馈增益矩阵设计  65-66
  4.4 控制器参数优化  66-67
  4.5 试验仿真  67-69
  4.6 本章小结  69-70
第5章短时延网络采样周期调度的状态反馈控制器设计  70-81
  5.1 问题描述  70-72
  5.2 系统建模  72
  5.3 镇定控制器设计  72-74
    5.3.1 网络状况的划分  72-73
    5.3.2 监视调节器设计  73
    5.3.3 控制器设计  73-74
  5.4 稳定性分析  74-75
  5.5 反馈增益设计  75-76
  5.6 采样周期的选择  76-78
  5.7 控制器参数优化  78-79
  5.8 试验仿真  79-80
  5.9 本章小结  80-81
第6章长时延网络状态反馈控制器设计  81-99
  6.1 问题描述  81-82
  6.2 系统建模  82-93
  6.3 稳定性分析  93-94
  6.4 反馈增益设计  94-96
  6.5 控制器参数优化  96-97
  6.6 试验仿真  97-98
  6.7 本章小结  98-99
第7章长时延网络增益调度的状态反馈控制器设计  99-114
  7.1 调度控制器设计  99-107
    7.1.1 网络状况等级划分与监视器设计  99
    7.1.2 控制器设计  99-107
  7.2 稳定性分析  107-108
  7.3 反馈增益设计  108-110
  7.4 控制器参数优化  110-111
  7.5 试验仿真  111-112
  7.6 本章小结  112-114
第8章总结与展望  114-116
  8.1 全文总结  114
  8.2 研究展望  114-116
参考文献  116-121
致谢  121-123
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  123-124

智能调度的网络控制系统建模、分析与综合

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