具有时延的网络化系统模型预测控制研究

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随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展,利用网络实现系统各个节点间信息交互的网络化控制系统(NCSs)获得了迅速的发展,并在众多领域得到了广泛应用。由于NCSs有着布线少、成本低、易于扩展和维护等优点,近些年来吸引了许多专家和学者的关注,并成为控制理论研究领域的一个热门方向。然而,网络的引入也为实时控制系统带来了一些新的问题,例如网络诱导时延、数据包乱序、丢包等问题。如果在系统建模和控制器设计的过程中,忽略这些因素的影响,将会使得系统控制性能下降,甚至导致系统的不稳定。为此本文针对具有时延和数据包乱序的NCSs,采用预测控制的方法设计了稳定化控制器。主要研究工作如下:1.针对具有随机短时延和输入约束的NCSs,研究了稳定化模型预测控制器的设计问题。在执行器更新频率高于系统采样频率的工作模式下,将NCSs建模为一类马尔可夫跳变系统。采用MPC方法,给出了保证闭环NCSs随机稳定的充分条件。进一步,将MPC问题转化为一个具有LMI约束的凸优化问题,得到了模式依赖状态反控制器的设计方法。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性。2.针对具有随机长时延的NCSs,研究了时序重整建模和控制器设计问题。首先对执行器选取最新的数据包建模,从而将NCSs建模为一类马尔可夫跳变系统,并给出了时序重整后转移概率矩阵的计算方法。进一步,基于Lyapunov稳定性理论,给出了保证闭环NCSs随机稳定的充分条件并运用LMI技术求解预测控制器。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性。3.针对具有时变时延的NCSs,研究了基于动态矩阵控制的稳定化控制器设计问题。通过时序分析,给出了控制器端和执行器端处理数据包乱序的方法,建立了包含时延和乱序的NCSs模型。进而,提出了改进的动态矩阵控制算法,并给出了控制器的设计方法。进一步,通过对系统的稳定性分析,推导了保证闭环系统稳定的充分条件。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性。
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