网络控制系统的研究与应用

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伴随计算机及网络技术的不断发展,控制系统中的各类部件利用通信网络相互连接已成为控制系统在未来的主要发展趋势。本研究针对网络控制系统中时变采样周期、数据包丢失等问题,结合Lyapunov稳定性理论,采用LMI方法,综合Schur补引理、Markov链跳变系统理论等多元化的数学工具,研究NCS的模型建立、控制器设计等各方面的问题。主要研究内容包括:首先,针对具有时变采样周期和随机数据包丢失的网络控制系统,分析其鲁棒H_∞控制器的设计问题。在这之后建立标准化的NCS的离散区间动态模型,这个模型通过Bernoulli分布序列对NCS数据丢包的特性进行描述,并通过不确定区间矩阵对NCS的采样周期与传输时延所具有的时变性进行描述。在这个前提下,给出了让闭环系统渐近稳定的鲁棒H_∞控制器存在的必要条件。开发的控制器能够确保系统渐近稳定,而且体现出一定的H_∞扰动抑制水平g。其次,针对短时延、长时延这两类情况,分析系统同时具有随机诱导时延和异步数据包丢失特性时所对应的镇定问题。进而将网络时延的不确定性转化为系统参数的不确定性,在这之后把系统建模为包含两个时间速率约束的异步独立动态系统。结合异步动态系统理论,给出系统状态反馈和动态输出反馈下指数稳定的充分性判据和相应的控制器设计方法,在这之后通过LMI的形式对其进行具体表示。再次,为深入分析数据所具有的丢包特性,分析了随机时变短时延,并带有Markov跳跃特性数据丢包的NCS状态反馈鲁棒H_∞控制问题。从而把网络时延的不确定性转化为系统参数所具有的不确定性,并将网络控制系统建模为包含两个模式的Markov跳跃系统。根据Markov跳变系统理论,通过LMI组的方法给出了系统状态反馈鲁棒H_∞控制器存在的必要条件。最后,分析石油化工中蒸馏塔控制所具有的各项特点,将网络控制与蒸馏塔温度控制进行衔接。应用了本研究中给出的具有随机诱导时延以及异步数据包丢失NCS的设计方法,在这之后仿真分析其可行性。这部分内容是NCS面向实际问题的具体应用。本文的研究结果都进行了数值算例和仿真研究,得到的结果表明研究的内容具有理想的可行性和有效性。
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