基于通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)控制及濾波問(wèn)題研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的控制和濾波問(wèn)題是當(dāng)今控制領(lǐng)域的主流研究方向之一。隨著網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（如環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和移動(dòng)通信），針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的研究吸引了國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的興趣。在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，所有系統(tǒng)元件都以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式接入一共享的通信網(wǎng)絡(luò)，并利用基于網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。為了防止基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，通信網(wǎng)絡(luò)通常都配備了相應(yīng)的通信協(xié)議。在通信協(xié)議的規(guī)范下，網(wǎng)絡(luò)中僅有一個(gè)（或有限個(gè)）節(jié)點(diǎn)能獲得網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán)限。

2、典型的通信協(xié)議有Round-Robin（RR）協(xié)議、Weighted Try-Once-Discard（WTOD）協(xié)議和隨機(jī)通信協(xié)議（Stochastic Communication Protocol，SCP）。目前，基于通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)分析與綜合研究主要是針對(duì)線性系統(tǒng)和確定性系統(tǒng)。然而，對(duì)于非線性隨機(jī)系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)、時(shí)滯系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)，相應(yīng)的基于通信協(xié)議的控制和濾波問(wèn)題尚未得到充分研究，并存在許多亟待解決的重難點(diǎn)問(wèn)題。
　　

3、本論文旨在探討幾類網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)在協(xié)議影響下的控制和濾波問(wèn)題，如通信協(xié)議影響下時(shí)變系統(tǒng)的控制和濾波問(wèn)題、非線性系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)和最終有界控制問(wèn)題、復(fù)雜系統(tǒng)的一致性控制和狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。為了處理以上問(wèn)題，本論文提出了一些新方法，如映射方法、基于Riccati差分方程的分析法和基于類Lyapunov泛函的參數(shù)設(shè)計(jì)法。根據(jù)研究?jī)?nèi)容的不同，本論文可分成以下六部分。第一部分中，我們?cè)诘谝徽略敿?xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的研究背景、通信協(xié)議的工作原理、基于通信協(xié)議的

4、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)研究框架和主要研究成果。在此基礎(chǔ)上，我們提出一些現(xiàn)有研究方向的不足和有待解決的問(wèn)題，并引出本論文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二部分中，我們?cè)诘诙绿接懥送ㄐ艆f(xié)議影響下網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的濾波/狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。首先，我們研究了一類非線性系統(tǒng)在SCP影響下的滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)問(wèn)題。首先，我們?cè)谶@一章介紹了SCP調(diào)度下的信號(hào)傳輸模型——基于Markov鏈描述的隨機(jī)模型，用以描述傳感器節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則。然后，通過(guò)拓展魯棒滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)方法，我們得到

5、了一類新型的非線性滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)器和一類近似非線性滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)器。針對(duì)近似非線性滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)算法，這一章給出了上述算法下估計(jì)誤差在均方意義下最終有界的充分條件。在此基礎(chǔ)上，我們將所得結(jié)果進(jìn)一步推廣到SCP影響下線性系統(tǒng)的滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)問(wèn)題。其次，本章還探討了通信協(xié)議影響下，一類具有混合時(shí)滯的時(shí)變系統(tǒng)集員濾波問(wèn)題。這里考慮了另兩類協(xié)議，分別為RR協(xié)議和WTOD協(xié)議。該問(wèn)題旨在針對(duì)一類受有界非高斯噪聲干擾的時(shí)滯時(shí)變系統(tǒng)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的集員濾波器，以

6、確保估計(jì)誤差能被約束在某個(gè)橢球集合內(nèi)。通過(guò)一遞推算法，我們得到了濾波器存在的充分條件。此外，我們針對(duì)系統(tǒng)所使用的通信協(xié)議提出了兩個(gè)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)求解該問(wèn)題得到相應(yīng)的濾波器參數(shù)。
　　第三部分中，我們?cè)诘谌卵芯苛嗽赗R協(xié)議影響下，一類時(shí)滯隨機(jī)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。為了預(yù)防各節(jié)點(diǎn)在傳輸信號(hào)時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，這一章中，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)與估計(jì)器之間的通信通過(guò)RR協(xié)議進(jìn)行調(diào)度。這一章旨在為這類時(shí)滯隨機(jī)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一狀態(tài)估計(jì)器，確保在

7、噪聲干擾和RR協(xié)議影響下估計(jì)誤差在均方意義下是最終有界的，本章提出了一種類Lyapunov泛函，結(jié)合隨機(jī)分析得到了估計(jì)誤差的動(dòng)態(tài)分析，并通過(guò)設(shè)計(jì)的估計(jì)器參數(shù)令估計(jì)誤差的漸近上界最小化。此外，本章的主要結(jié)果還進(jìn)一步拓展到兩類特殊情況——無(wú)時(shí)滯的非線性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)以及含時(shí)滯的線性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
　　第四部分中，我們?cè)诘谒恼驴紤]了通信協(xié)議影響下網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的控制問(wèn)題。首先，本章探討了一類網(wǎng)絡(luò)化非線性系統(tǒng)在WTOD協(xié)議影響下的最終有界控制問(wèn)題。該網(wǎng)

8、絡(luò)化非線性系統(tǒng)同時(shí)考慮了兩類網(wǎng)絡(luò)化約束，分別為通信協(xié)議的調(diào)度作用和均勻量化作用。針對(duì)此類問(wèn)題，這一章研究一類基于非線性觀測(cè)器的控制器設(shè)計(jì)方法。和傳統(tǒng)的基于Luenberger觀測(cè)器的控制器相比，這一章提出的控制器多了一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。然后，利用第二章和第三章介紹的基于類Lyapunov函數(shù)/泛函的方法，并進(jìn)一步得到了閉環(huán)系統(tǒng)在均方意義下最終有界的充分條件。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)最小化被控輸出的漸近上界，得到了控制器所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。其次，這一章還研

9、究了SCP調(diào)度作用下網(wǎng)絡(luò)化時(shí)變系統(tǒng)的有限時(shí)域H∞控制問(wèn)題。該系統(tǒng)包含兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)（即傳感器到控制器網(wǎng)絡(luò)和控制器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)），并且每個(gè)通信時(shí)刻有且僅有一個(gè)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許接入通信網(wǎng)絡(luò)。該問(wèn)題旨在設(shè)計(jì)一類基于觀測(cè)器的控制方法，確保閉環(huán)系統(tǒng)在給定的時(shí)域范圍內(nèi)滿足H∞性能指標(biāo)。我們利用映射方法得到了一新的Markov鏈，通過(guò)該Markov鏈刻畫了網(wǎng)絡(luò)中的SCP調(diào)度作用。在此基礎(chǔ)上，基于隨機(jī)分析和完全平方法，我們得到了控制器存在的充分條件

10、，并通過(guò)求解兩個(gè)耦合的倒推Riccati差分方程得到了控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　第五部分中，我們?cè)诘谖逭箩槍?duì)一類在SCP調(diào)度影響下離散時(shí)變多智能體，研究了對(duì)應(yīng)的有限時(shí)域H∞一致性控制問(wèn)題。這一章所研究的多智能體系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可通過(guò)一有向圖描述，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)與自己的通信過(guò)程受到SCP調(diào)度影響。在SCP調(diào)度影響下，每個(gè)傳輸時(shí)刻，任何節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)中僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得與之通信的權(quán)限。這一章我們引入了SCP調(diào)度的另一個(gè)模型（即基于一組隨機(jī)變

11、量描述SCP調(diào)度過(guò)程），并通過(guò)映射法和Hadamard乘積，閉環(huán)的多智能體系統(tǒng)被建模為一個(gè)具有隨機(jī)參數(shù)矩陣的時(shí)變系統(tǒng)。本章的目的為針對(duì)任意可能的協(xié)議調(diào)度過(guò)程，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的協(xié)同控制器，使得給定時(shí)域內(nèi)的H∞一致性性能指標(biāo)得到滿足。針對(duì)得到的閉環(huán)系統(tǒng)，本章利用隨機(jī)分析和完全平方法得到了一個(gè)確保其滿足H∞一致性指標(biāo)的充分必要條件，并通過(guò)求解兩個(gè)耦合的倒推Riccati差分方程得到了所需的控制器設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　第六部分為本論文的第六章。這一章

12、我們考慮了基于通信的列車控制（communication-based train control，CBTC）系統(tǒng)在p-持續(xù)CSMA協(xié)議影響下的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題。首先，我們利用牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立了一含有n節(jié)車廂列車的行駛過(guò)程模型，其中該列車車廂之間通過(guò)耦合器連接。然后，我們利用一組滿足Bernoulli分布的隨機(jī)序列建立了p-持續(xù)CSMA協(xié)議影響下的信號(hào)傳輸模型。該模型中隨機(jī)分布的概率由共享一個(gè)信道的列車數(shù)量決定（即N(k)）。本文假設(shè)N(k