考虑丢包和时延的网络控制系统稳定性分析和控制器设计

作     者：李敬雨 

作者单位：华北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈文颖

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：网络控制系统 时延 丢包 不确定参数 预测 线性矩阵不等式 

摘      要：由网络将控制系统的各个节点连接起来组成闭环反馈系统,即为网络控制系统(Networked Control Systems,NCS),它将控制系统的灵敏性、集成化、远程控制以及节点智能化的优点发挥的淋漓尽致。对比传统的直接点对点连接的控制系统,网络控制系统具有易于安装,维护费用相对低廉,又可以实现信息共享和远距离控制的优点,也正是因为网络控制系统具有上述优势,才使得其广泛应用于各个工业控制领域中。网络的应用给工业控制带来了极大便利的同时,也使控制系统的分析与设计变得复杂。本文针对具有干扰和不确定参数的被控对象,考虑网络随机丢包与时延对控制系统的影响,对系统的稳定性进行了分析,设计了控制器对系统进行补偿和控制,具体内容如下:(1)针对具有随机丢包与时延的网络控制系统,分析了使系统指数稳定的条件。考虑一类状态不可测量的被控对象,将控制系统中的丢包过程表述为Bernoulli随机二进制序列,针对长时延和短时延分别设计了状态观测器,并把该离散系统描述为异步动态系统,进而运用指数稳定性理论分析得出稳定性条件,然后运用了Lyapunov函数和线性不等式定理,计算得出控制器参数。最后,仿真曲线表明应用该方法的系统稳定速度快,超调量小,获得良好的控制效果。(2)进一步考虑具有外部干扰的被控对象,为了降低干扰对网络控制系统的影响,给出了一种新的具有补偿功能的鲁棒模型预测控制方法。对于网络控制系统中的随机丢包与时延仍采取(1)中的方法,得到具有干扰项的基于状态观测器的离散系统模型,选取李雅普诺夫函数运用相关定理分析得到稳定性条件,进而得到使该系统均方指数稳定且在干扰环境下满足给定H?性能指标的控制器策略。最后通过仿真得到状态曲线和控制输出曲线。曲线表明,系统在有外部干扰的情况下收敛速度较快,振荡幅度较小,所设计的H?控制器具有抗干扰效果。(3)最后,在(1)和(2)的研究基础上,针对具有不确定时延的被控对象重新设计了具有预测功能的H?控制器。将不确定时延转换为系统状态方程中的不确定系数,并且满足不确定性矩阵不等式。同样的,随机丢包与时延依旧采取上述处理方法,得到具有干扰项的基于状态观测器的线性不确定离散系统模型,基于李雅普诺夫定理和线性矩阵不等式进行稳定性分析,给出使系统均方指数稳定且在干扰环境和不确定参数情况下满足给定H?性能指标的控制器策略。最后通过仿真得到状态曲线和控制输出曲线。曲线表明,该线性系统在不确定参数的情况下经过一定时间的振荡最终趋于稳定,可以获得较好的控制性能。本文主要针对具有随机丢包与时延的网络控制系统,考虑一类具有外部干扰和不确定参数的被控对象,进行稳定性分析和控制器设计。首先只考虑具有随机丢包和时延的被控对象,然后将干扰加入模型中,最后再将不确定参数加入模型,由浅入深的分析愈加复杂的控制系统的稳定性,进而设计相应控制器来降低随机丢包、时延、干扰和不确定性问题对系统的影响。