帶有時(shí)延和丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的切換控制算法研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networked control system，NCS)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將分布于不同地理位置的控制器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，形成的一種全分布實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。NCS充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、分布化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)。然而，由于通信機(jī)制與協(xié)議的原因，以及網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)共享有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此當(dāng)控制器、傳感器和執(zhí)行器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，不可避免的出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞、網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂、數(shù)據(jù)包丟

2、失等問(wèn)題。時(shí)延和丟包會(huì)造成控制系統(tǒng)性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)NCS中的時(shí)延和丟包進(jìn)行算法研究與補(bǔ)償。
　　首先，本文簡(jiǎn)要介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的概念、組成與結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，引出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式、網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延以及數(shù)據(jù)包丟失的問(wèn)題，同時(shí)還介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
　　其次，主要介紹的是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象的成因以及前人的研究成果。之后介紹了切換控制系統(tǒng)模型以及

3、切換算法的特點(diǎn)，分析了目前國(guó)內(nèi)外切換系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及趨勢(shì)，概括了前任學(xué)者對(duì)于切換控制器設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性證明的一些方法。
　　再次，本文在帶有丟包和時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中引入了切換算法的思想以及指數(shù)穩(wěn)定理論，平均滯留時(shí)間L2增益的概念。利用這些理論對(duì)切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究證明。更重要的是，建立了一個(gè)新的帶有時(shí)延和丟包的切換補(bǔ)償模型，這一新的模型根據(jù)不同區(qū)間段將時(shí)延分割為幾部分并且據(jù)此選擇不同的控制器進(jìn)行控制。通過(guò)這一方法，系統(tǒng)

4、性能得到了改善。通過(guò)仿真可知，切換模型有助于改善帶有時(shí)延和丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能。
　　然后，本文具體研究了NCS數(shù)據(jù)包丟失的一種模型，給出了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)率的定義，將同時(shí)具有時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失的狀態(tài)反饋NCS建模為異步動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)并給出閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)事件率定義。隨后，基于已經(jīng)建立的NCS模型，給出了結(jié)構(gòu)事件率和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失率之間的關(guān)系，并且通過(guò)穩(wěn)定性證明給出了使系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的條件。最后，將由開(kāi)關(guān)率約束的帶有時(shí)延和丟包的NCS模型與