640 浏览网络化线性系统的控制与通信协同设计
摘要：在网络化控制系统中,多个控制器或传感器节点通过共享网络实现相互通信。由于网络的引入,各节点需要媒介接入控制协议调度以接入网络;另外,在通信过程中可能会产生数据丢包、传输延时等现象。上述通信系统的因素都会影响控制系统的性能。另一方面,不同的控制系统对网络通信能力的要求存在差异,并且控制系统数据传输量的变化会直接影响通信系统的性能。因此,网络化控制系统中的控制部分和通信部分相互耦合,为了保证网络化控制系统整体的稳定,需要同时兼顾这两部分的性能。本文主要面向线性时不变的网络化控制系统,分别考虑时隙ALOHA协议和事件触发通信机制对系统的影响,研究控制与通信的协同设计问题。主要研究工作总结为如下三部分:1.研究了多个传感器共享通信信道情况下的网络化线性控制系统的协同设计问题,利用基于二进制指数退避策略的时隙ALOHA协议调度各传感器接入网络。首先,根据时隙ALOHA协议的特点,将采用状态反馈的控制系统用随机系统模型描述,从而得到依赖于网络吞吐率的系统均方稳定的充分条件;然后,利用极点配置方法和梯度下降优化算法设计状态反馈控制器以降低控制系统对吞吐率的要求,同时对时隙ALOHA协议进行了设计,给出最大重传次数、时隙长度和初始竞争窗的计算方法,从而完成了基于时隙ALOHA协议的多传感器网络化线性控制系统的控制与通信的协同设计,保证了系统是均方稳定的。2.分别针对多个传感器或多个线性子系统共享一个通信信道的网络化控制系统,利用基于等间距退避策略的时隙ALOHA协议进行通信调度,依据切换系统的思想,设计了能保证状态反馈控制系统指数稳定的状态反馈控制器和通信协议。对于多传感器网络化线性控制系统,首先通过引入状态反馈控制器和利用时隙ALOHA协议的特点将反馈系统描述为切换系统,然后利用平均驻留时间技术,得到反馈控制系统指数衰减率与通信系统吞吐率之间的定量关系;进而结合时隙ALOHA协议的退避策略,得到其最大重传次数应满足的条件,从而实现此网络化控制系统的控制与通信的协同设计,保证了系统的指数稳定。对于多个独立线性子控制系统共享信道的情况,同样采用状态反馈控制器和利用切换系统的相关分析方法,获得依赖于吞吐率的各子系统在开环模式和闭环模式切换下指数稳定的充分条件,进而给出算法计算能降低系统对通信吞吐率要求的状态反馈控制器增益。3.研究了基于事件触发通信机制的耦合线性网络化控制系统的协同设计问题。首先,提出一种新的事件触发通信条件以降低子系统间的通信次数;然后,针对连续时间系统模型,分析得到系统有限增益L2稳定的充分条件;针对离散时间系统模型,分析得到系统状态有界的充分条件;最后,分别采用集中式方法和分布式方法设计了控制器与事件触发通信协议,并通过对比分析,展示了新的事件触发通信条件在降低通信系统业务量方面的优越性。进而以网联车队为典型研究对象,采用新提出的分布式事件触发通信机制进行车队的协同式自适应巡航控制。通过结合奇异值分解方法和队列稳定性理论,完成了控制与通信的协同设计,保证了每辆车的跟踪误差是有界的,整个车队是队列稳定的。
关键词：网络化控制系统;媒介接入控制协议
文章目录
摘要
ABSTRACT
符号说明
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 网络化控制系统的研究现状
1.2.1 丢包问题
1.2.2 调度问题
1.2.3 事件触发问题
1.2.4 协同设计问题
1.3 论文的主要研究内容和结构
2 基于时隙ALOHA协议和随机系统模型的协同设计
2.1 时隙ALOHA协议
2.2 系统模型
2.3 基于通信吞吐率的控制器设计
2.3.1 有重传机制的控制器设计
2.3.2 无重传机制的控制器设计
2.4 控制器和时隙ALOHA协议的协同设计
2.5 仿真算例
2.6 本章小结
3 基于时隙ALOHA协议和切换系统模型的协同设计
3.1 多传感器控制系统的协同设计
3.1.1 系统模型
3.1.2 控制器和时隙ALOHA协议的协同设计
3.1.3 仿真算例
3.2 多子系统的吞吐率分析与控制器设计
3.2.1 系统模型
3.2.2 基于通信吞吐率的控制器设计
3.2.3 仿真算例
3.3 本章小结
4 基于事件触发通信机制的耦合线性系统的协同设计
4.1 系统模型
4.2 集中式协同设计
4.2.1 连续时间系统的控制器和事件触发通信条件的协同设计
4.2.2 离散时间系统的控制器和事件触发通信条件的协同设计
4.2.3 仿真算例
4.3 分布式协同设计
4.3.1 连续时间系统的控制器和事件触发通信条件的协同设计
4.3.2 离散时间系统的控制器和事件触发通信条件的协同设计
4.3.3 仿真算例
4.4 本章小结
5 基于事件触发通信的网联车队的协同式自适应巡航控制
5.1 网联车队模型
5.2 控制器和事件触发通信条件的协同设计
5.3 仿真算例
5.4 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
[1]离散时间切换线性系统的优化镇定研究[D]. 程福亨.华南理工大学 2017
[2]一类切换线性系统的分析与控制[D]. 宋杨.南京理工大学 2006
[3]切换线性系统的分段聚合与优化设计[D]. 祝庚.华南理工大学 2012
[4]大稀疏鞍点线性系统的迭代解法[D]. 李铮.东北大学 2005
[5]基于连续—离散二维模型的周期系数线性系统鲁棒重复控制设计[D]. 周兰.中南大学 2011
[6]无线网络化控制系统的协同控制与分布式一致性研究[D]. 黄俊华.华南理工大学 2019
[7]互联网环境下的网络化控制系统调度优化与应用[D]. 王湛昱.哈尔滨工业大学 2018
[8]通信约束下的网络化控制系统事件触发控制与调度研究[D]. 张进.上海大学 2018
[9]具有干扰和不确定性的网络化控制系统研究及应用[D]. 李猛.电子科技大学 2018
[10]在量化效应下网络化控制系统的研究[D]. 胡斌.华南理工大学 2018
