一類Lipschitz非線性隨機網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定與控制.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control System,簡稱NCS)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前自動化領(lǐng)域中的一個熱點,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是一種通過共享的通訊網(wǎng)絡(luò)將傳感器,執(zhí)行器和控制器連接在一起的分布式控制系統(tǒng)。將網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng),連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng),實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化,加強了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系,從而改善了生產(chǎn)過程的安全性、可靠性、效率和消耗等性能。網(wǎng)絡(luò)的引入同時也產(chǎn)生了一些新問題:例如網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟包等

2、。眾所周知,實際系統(tǒng)中常存在非線性,且許多實際非線性系統(tǒng)滿足Lipschitz條件,如含有三角函數(shù)非線性項的機器人或飛行器控制系統(tǒng)等。Lipschitz非線性系統(tǒng)是指系統(tǒng)中關(guān)于狀態(tài)與輸入的非線性環(huán)節(jié)相對于系統(tǒng)的狀態(tài)變量滿足Lipschitz條件的非線性系統(tǒng)。因此關(guān)于Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究在理論和應(yīng)用上是非常重要的,同時也是非常具有代表性和挑戰(zhàn)性的問題。本文主要針對一類存在隨機數(shù)據(jù)丟包或隨機網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的Lipsch

3、itz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定和控制器設(shè)計進行了深入的探討和研究。
　　 首先,本文全面而簡要地介紹了NCS的起源、發(fā)展、特點以及目前的研究現(xiàn)狀。詳細地分析了NCS中的若干基本問題、典型研究方法,同時提出了本文對NCS相關(guān)研究工作的觀點和看法,主要的研究工作包括:
　　 1.針對傳感器一控制器和控制器一執(zhí)行器通道存在隨機數(shù)據(jù)包丟失的Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),用滿足Bernoulli分布的二進制切換序列

4、來描述隨機數(shù)據(jù)包丟失,并建立模型。依據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,給出了一個基于線性矩陣不等式(LMI)的閉環(huán)系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定的充分條件。進一步地給出了使閉環(huán)非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定,且滿足指定H∞性能指標(biāo)的基于觀測器的動態(tài)輸出反饋控制器存在的充分條件,給出了設(shè)計基于觀測器的控制器的線性矩陣不等式(LMI)方法,并轉(zhuǎn)化為一類具有線性矩陣不等式約束的凸優(yōu)化問題,通過求解建立的凸優(yōu)化問題得到Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的擾動抑制最

5、優(yōu)控制器。最后用一個數(shù)值算例驗證了提出的方法的有效性。
　　 2.針對傳感器一控制器和控制器一執(zhí)行器通道存在隨機時延的Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),用滿足Bernolllli分布的二進制切換序列來描述隨機時延,并建立模型。利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,給出了一個基于線性矩陣不等式(LMI)的閉環(huán)系統(tǒng)指數(shù)均方穩(wěn)定的充分條件。進一步地給出了使閉環(huán)Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定,且滿足指定H∞性能指標(biāo)的基于觀測

6、器的動態(tài)輸出反饋控制器存在的充分條件,給出了設(shè)計基于觀測器的控制器的線性矩陣不等式(LMI)方法,并轉(zhuǎn)化為一類具有線性矩陣不等式約束的凸優(yōu)化問題,通過求解建立的凸優(yōu)化問題得到Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的擾動抑制最優(yōu)控制器。最后用一個數(shù)值算例驗證了提出的方法的有效性。
　　 3.針對具有獨立隨機丟包概率的多傳感器Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),認(rèn)為空間分布不同的多個傳感器具有獨立的工作特性,即每個傳感器到控制器

7、通道發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失的概率是不同的,也是互相獨立的。同時考慮傳感器.控制器和控制器一執(zhí)行器通道的隨機丟包,用滿足Bernoulli分布的二進制切換序列來描述隨機數(shù)據(jù)包丟失,并建立模型。利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,給出了一個基于線性矩陣不等式(LMI)的閉環(huán)系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定的充分條件。進一步地給出了使閉環(huán)Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定,且滿足指定H∞性能指標(biāo)的基于觀測器的動態(tài)輸出反饋控制器存在的充分條件,給出了設(shè)計基于觀測器

8、的控制器的線性矩陣不等式(LMI)方法,并轉(zhuǎn)化為一類具有線性矩陣不等式約束的凸優(yōu)化問題,通過求解建立的凸優(yōu)化問題得到Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的擾動抑制最優(yōu)控制器。最后用一個數(shù)值算例驗證了提出的方法的有效性。
　　 4.針對具有獨立隨機時延概率的多傳感器Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),認(rèn)為空間分布不同的多個傳感器具有獨立的工作特性,即每個傳感器到控制器通道發(fā)生時延的概率是不同的,也是互相獨立的。同時考慮傳感器

9、一控制器和控制器一執(zhí)行器通道的隨機時延,用滿足Bernoulli分布的二進制切換序列來描述隨機時延,并建立模型。利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,給出了一個基于線性矩陣不等式(LMI)的閉環(huán)系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定的充分條件。進一步地給出了使閉環(huán)Lipschitz非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定,且滿足指定h∞性能指標(biāo)的基于觀測器的動態(tài)輸出反饋控制器存在的充分條件,給出了設(shè)計基于觀測器的控制器的線性矩陣不等式(LMI)方法,并轉(zhuǎn)化為一類具有線性矩陣不等式