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具有时滞与丢包问题的网络控制系统镇定与滤波

作　者: 陈刚
导　师: 阳春华
学　校: 中南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 网络控制系统 时滞 稳定性分析 鲁棒H_∞滤波 线性矩阵不等式(LMI)
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


网络控制系统是近年来国际控制领域研究的热点问题之一。网络控制系统的重要特点是其用于信息传输的通信网络具有不确定性。有限的网络带宽使得信息和数据在通信网络中传输出现时滞、数据包丢失等问题,这些问题的出现导致网络控制系统性能下降和不稳定。如何合理地设计网络控制系统,确保整个网络控制系统的稳定性以及控制性能,是网络控制系统的重要研究内容之一。本文针对存在网络诱导时滞和丢包问题的网络控制系统,建立了具有网络诱导时滞和丢包问题的线性与非线性网络控制系统新模型；提出了具有更低保守性的网络控制系统镇定控制器与鲁棒H∞滤波器设计方法。论文的研究工作和创新性成果包括：(1)通过引入具有最新信号选择功能的逻辑零阶保持器(ZOH),建立了一种新的将网络诱导时滞和丢包的影响统一转化为时滞问题的网络控制系统模型。利用Lyapunov-Krasovskii泛函并结合积分不等式方法,提出了一种改进的线性网络控制系统稳定性分析方法。并基于改进的锥补线性化迭代算法(ICCL)给出了一种具有更低保守性的控制器设计方法。数值仿真表明所提出方法具有更低的保守性。(2)针对同时具有网络诱导时滞和丢包问题的非线性Lurie网络控制系统,提出了一种新的Lurie网络控制系统的时变时滞模型。在构造Lyapunov-Krasovskii泛函时包含网络诱导时滞的上下界,利用积分不等式方法,提出了一种非线性Lurie网络控制系统的时滞状态反馈控制器的设计方法。数值仿真表明了该方法的有效性和优越性。(3)针对基于T-S模糊模型描述的非线性网络控制系统,利用输入时滞法和并行分布补偿(PDC)控制原理,建立了一种新的T-S模糊网络控制系统的时滞模型。然后,利用Lyapunov-Krasovskii泛函并结合自由权矩阵方法,不忽略任何Lyapunov-Krasovskii泛函过程中的有用项,提出了一种改进的基于LMI的T-S模糊网络控制系统的稳定性分析方法。通过求解一组LMI,获得模糊控制器增益矩阵。仿真实例表明该方法得到的时滞上界具有更低的保守性。(4)针对一类具有时变网络诱导时滞和丢包问题的Lurie网络控制系统,建立了一种新的Lurie网络控制系统的多时滞模型。通过保留泛函导数中经常被忽略的有用项,提出了一种新的多时滞Lurie非线性网络控制系统的稳定性分析方法。在控制器设计方面,通过增加一等式约束将NLMI转化为LMI表示的可解性问题,提出了一种新的具有更低保守性的动态输出反馈控制器设计方法。通过理论证明和仿真例子验证了所提方法的优越性。(5)研究了网络控制系统中的鲁棒H∞滤波问题。考虑到系统的测量信号通过具有网络诱导时滞和丢包问题的网络传输到滤波器,分别建立了基于连续时间与离散时间的网络控制系统滤波器的模型,采用Lyapunov-Krasovskii泛函和积分不等式方法,通过对系统中的不确定性问题进行处理,建立了一种新的鲁棒H∞滤波器误差系统的鲁棒H∞性能分析准则。基于H∞性能分析的结果,得到了满足条件的H∞滤波器存在的充分条件,同时确定了滤波器的系数矩阵。数值实例表明该设计方法具有更低的保守性。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
主要符号对照表  12-13
第一章 绪论  13-26
  1.1 问题背景及研究意义  13-14
  1.2 网络控制系统的基本问题  14-17
  1.3 网络控制系统的国内外研究现状  17-24
    1.3.1 网络控制系统理论与建模研究  18-19
    1.3.2 具有时滞与丢包的NCSs研究  19-20
    1.3.3 Lurie网络控制系统研究  20-22
    1.3.4 T-S模糊网络控制系统研究  22
    1.3.5 网络控制系统H_∞滤波研究  22-23
    1.3.6 镇定控制器设计研究  23-24
  1.4 本文的研究工作  24-26
第二章 线性网络控制系统状态反馈控制器设计  26-41
  2.1 引言  26
  2.2 线性NCSs系统建模  26-28
  2.3 基于积分不等式方法的稳定性分析  28-36
    2.3.1 时变时滞进行放大处理的情形  29-32
    2.3.2 时变时滞没有进行放大处理的情形  32-36
  2.4 线性NCSs状态反馈控制器镇定设计  36-38
  2.5 仿真实例  38-40
  2.6 本章小结  40-41
第三章 Lurie非线性网络控制系统状态反馈控制器设计  41-59
  3.1 引言  41
  3.2 Lurie非线性NCSs系统描述  41-43
  3.3 Lurie非线性NCSs稳定性分析  43-52
    3.3.1 考虑时滞下界为零情形的稳定性分析  43-47
    3.3.2 考虑时滞下界不为零情形的稳定性分析  47-52
  3.4 Lurie非线性NCSs状态反馈控制器镇定设计  52-57
    3.4.1 考虑时滞下界为零的情形  52-54
    3.4.2 考虑时滞下界不为零的情形  54-57
  3.5 仿真实例  57-58
  3.6 本章小结  58-59
第四章 基于T-S模糊模型的非线性NCSs状态反馈控制器设计  59-67
  4.1 引言  59
  4.2 基于T-S模糊模型的NCSs建模  59-61
  4.3 T-S模糊NCSs的稳定性分析  61-64
  4.4 T-S模糊NCSs的状态反馈控制器镇定设计  64-65
  4.5 仿真实例  65-66
  4.6 本章小结  66-67
第五章 Lurie非线性网络控制系统动态输出反馈控制器设计  67-79
  5.1 引言  67-68
  5.2 Lurie非线性NCSs动态输出反馈控制的多时滞模型  68-69
  5.3 Lurie非线性NCSs稳定性分析  69-73
  5.4 Lurie非线性NCSs动态输出反馈控制器镇定设计  73-76
  5.5 仿真实例  76-78
  5.6 本章小结  78-79
第六章 网络控制系统的鲁棒H_∞滤波器设计  79-106
  6.1 引言  79-80
  6.2 连续时间NCSs的鲁棒H_∞滤波器设计  80-92
    6.2.1 系统描述  80-84
    6.2.2 主要结果  84-91
    6.2.3 仿真实例  91-92
  6.3 离散时间NCSs的鲁棒H_∞滤波器设计  92-105
    6.3.1 系统描述  92-95
    6.3.2 主要结果  95-105
    6.3.3 仿真实例  105
  6.4 本章小结  105-106
第七章 结论与展望  106-109
  7.1 结论  106-107
  7.2 展望  107-109
参考文献  109-121
致谢  121-122
攻读博士学位期间主要的研究成果  122-123
攻读博士学位期间参加科研项目情况  123

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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