多通讯约束下的网络化控制系统最优跟踪性能研究

作     者：张斌 

作者单位：中国地质大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜晓伟;孟诚

授予年度：2023年

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

主      题：网络化控制系统 最优跟踪性能 非最小相位零点 不稳定极点 通讯约束 

摘      要：由于网络通信技术、控制技术与计算机技术的飞速发展与深度融合,网络化控制系统应运而生。至少在过去的二十年中,网络化控制系统的最优控制问题一直是控制领域中非常活跃的研究领域。网络化控制系统较于传统控制系统的一个显著特点是利用非透明的通信链路进行信息传递,其具有安装费用低、灵活性强且安装与维护简易等优点,已被广泛的应用于诸多领域,例如:工业控制网络、智能机器人与远程控制系统等。然而,由于网络是不可靠的,不可避免的存在着带宽、网络诱导时延以及丢包等通讯约束,这些因素都会对网络化控制系统的稳定性以及最优性能产生巨大的负面影响。本文正是基于这样的考虑,利用矩阵分析以及一些特殊的分解技术,充分研究了多通讯约束下的网络化控制系统的最优跟踪性能。本文的研究成果归纳如下:(1)构建了落信道下的网络化控制系统的新模型,对于反馈控制系统的稳态,通过保留乘性通道输出的一阶和二阶矩的影响,建立了等效平均通道模型,并基于互质分解、全通分解和控制器的Youla参数化,通过设计两个补偿器,得到了最优跟踪性能的精确表达式。这些表达式定量地揭示了最优跟踪性能和被控对象固有特征之间的关系。具体来说,不稳定极点和非最小相位零点的方向和位置会对跟踪性能产生不利影响。此外,带宽限制和有色噪声的存在也会降低跟踪性能。(2)构建了多通讯约束下的多输入多输出离散时间网络化控制系统的新模型,分别设计得到了单自由度控制器和双自由度控制器,并获得了在控制路径中存在编解码、带宽、量化以及在反馈路径中存在丢包、时延和加性高斯白噪声的多输入多输出网络化控制系统的最优跟踪性能。结果显示,被控对象的本质特征以及信道中的通讯约束会限制网络化控制系统的跟踪性能。(3)构建了有色噪声影响下的网络化控制系统的新模型,基于频域分析方法,研究了在反馈信道中存在有限带宽以及有色噪声的网络化控制系统的跟踪性能极限。从最优跟踪性能的显式表达式中不难发现被控对象的本质特征会对网络化控制系统的跟踪性能产生负面影响,除此之外,通讯信道中带宽约束以及有色噪声都会恶化网络化控制系统的跟踪性能。