通訊約束下的網絡控制系統(tǒng)跟蹤性能極限研究.pdf

1、隨著計算機、電子和網絡通信技術的飛速發(fā)展,網絡控制系統(tǒng)應運而生。網絡控制系統(tǒng)指的是將分布于不同地理位置的傳感器、控制器和執(zhí)行器等設備通過一個有限帶寬的數字通信網連接起來,形成的一種空間分布實時反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的成本高、可靠性差、故障診斷和維護難等諸多弊端,并由于具有信息資源能夠資源共享、易于維護與擴展、高可靠性、高效率和靈活性強等優(yōu)點,在工業(yè)自動化、分布式移動通信和無人機等眾多領域都得到了廣泛的應用。
　　

2、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能,一直是控制領域備受關注的兩大重要課題。穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的前提,而控制系統(tǒng)性能極限研究的是在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎上,設計控制器使得系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。目前相關研究成果揭示出控制系統(tǒng)的跟蹤性能極限由參考輸入信號和被控對象的本質特征共同決定。然而由于網絡的引入,使得基于網絡的控制系統(tǒng),即網絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能極限的研究,面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。本文正是基于此研究通訊約束下的網絡控制系統(tǒng)跟蹤性能極限問題,全文的研究內容歸納如

3、下:
　　研究了網絡控制系統(tǒng)在信道輸入能量約束,以及輸入擾動和高斯噪聲影響下的跟蹤性能極限。得到了系統(tǒng)跟蹤性能極限的精確表達式。研究結果表明,網絡控制系統(tǒng)的跟蹤性能極限與被控對象的本質特征如非最小相位零點和不穩(wěn)定極點的位置與方向密切相關,并揭示了輸入擾動和高斯白噪聲在一定程度上會惡化系統(tǒng)的跟蹤性能,而信道允許輸入的信號能量越大,網絡控制系統(tǒng)跟蹤性能越好。
　　研究了數據丟包影響下的網絡控制系統(tǒng)的跟蹤性能極限?；诙M制隨機過

4、程對數據丟包進行建模,分別采用單位反饋和雙自由度控制結構,得到了系統(tǒng)跟蹤性能的一個下確界和一個精確表達式。研究結果揭示了雙自由度控制結構相對于單位反饋控制可在一定程度上消除噪聲等因素對網絡控制系統(tǒng)跟蹤性能的影響;而數據丟包的頻繁發(fā)生,即隨著數據丟包概率的增大,系統(tǒng)的跟蹤性能將急劇惡化,嚴重時會使系統(tǒng)失穩(wěn)。
　　研究了基于編碼-解碼結構的網絡控制系統(tǒng)跟蹤性能極限?；谕ㄐ啪W絡中編碼-解碼存在的不同位置(反饋通道或前饋通道),采用雙自

5、由度控制結構,跟蹤給定的隨機參考輸入信號。研究結果表明系統(tǒng)的跟蹤性能與被控對象的非最小相位零點、不穩(wěn)定極點的位置和方向相關外,還與編碼器-解碼器的本質屬性相關,揭示出編碼器-解碼器的設計可以在一定程度上提高系統(tǒng)的跟蹤性能。
　　研究了離散網絡控制系統(tǒng)在信道輸入能量約束下的跟蹤性能極限,以及在控制能量約束下的調節(jié)性能極限。提出了新的優(yōu)化性能指標,基于不等式約束的最優(yōu)化方法,得到了跟蹤性能的下界以及調節(jié)性能的精確表達式確定了信道輸入能

6、量約束下達到跟蹤性能極限,以及控制能量約束下達到調節(jié)性能極限的控制器設計方法。
　　研究了數據丟包、輸入擾動和高斯噪聲影響下的網絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于傳遞函數矩陣的全通分解、控制器的Youla參數化和不等式約束的最優(yōu)化方法,得到了保證網絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定的信噪比的最小值的表達式。研究結果定量地揭示出非最小相位零點和不穩(wěn)定極點對信噪比性能的影響。所得結果從另一方面理解為網絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定時,通信基本參量(信噪比等)和通信誘導參量(數據丟

7、包等)之間的關系,從而可為通信信道的設計提供指導。
　　針對非方陣型被控對象,以及輸入擾動和高斯噪聲影響下的網絡控制系統(tǒng)跟蹤性能極限進行了研究。確定了基于非方陣型被控對象的控制器Youla參數化形式,采用內外分解技術,得到了系統(tǒng)跟蹤性能的精確表達式,并揭示出當被控對象中非最小相位零點和不穩(wěn)定極點的位置充分接近時,網絡控制系統(tǒng)的跟蹤性能急劇下降。
　　最后對全文進行了歸納總結,并對網絡控制系統(tǒng)性能極限的研究和發(fā)展方向進行了展望