隨機時滯系統(tǒng)的分析及網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的綜合研究.pdf

1、通過網(wǎng)絡(luò)形成的反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)的介入使得數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中會遇到一系列不可避免的問題,如網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)時延、數(shù)據(jù)包丟失及錯序、量化和通訊受限等。其中,起主要干擾作用的是網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)時延和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象,它們的存在降低了控制系統(tǒng)的性能,嚴(yán)重時還會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外,有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和數(shù)據(jù)傳輸通道的不可靠性使得網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)時延和丟包表現(xiàn)出不確定性和隨機性,這使得實際的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是一個更為復(fù)雜的隨機控制

2、系統(tǒng),傳統(tǒng)的控制理論不再適用于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。
　　雖然網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有安裝方便、布線減少、擴展方便、易于維護、可以實現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程操控等眾多優(yōu)點并在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用,但是網(wǎng)絡(luò)介入而誘發(fā)的問題也是不容忽視的,嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)崩潰而造成不可估量的經(jīng)濟損失。因此,深入研究網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)問題特別是隨機時延和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象,針對網(wǎng)絡(luò)特性建立隨機時延和數(shù)據(jù)丟失情況下的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制模型,針對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的特點給出系統(tǒng)分

3、析和控制設(shè)計的新思想和新方法是亟需解決的首要工作。此外,研究適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的先進控制策略,如研究不同類型隨機時滯和數(shù)據(jù)丟包發(fā)生下隨機系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,研究隨機時延和數(shù)據(jù)包丟失及錯序情況下網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制策略問題,不僅具有重要的理論意義,也有著廣泛的應(yīng)用前景,這也正是本論文的研究工作。本論文的主要工作可以概括如下:
　　研究了隨機時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析問題。這一部分以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為模型,考慮了兩種不同類型的隨機時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

4、問題,其中處理時滯的方法可以推廣到一般的隨機時滯系統(tǒng)。首先,考慮了帶有隨機離散時滯和分布式時滯的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問題。其中離散時滯隨機的分布在兩個不同的區(qū)間,且在每個區(qū)間的分布概率是已知的。通過引入一個滿足Bernoulli分布的隨機變量,于是帶有隨機離散時滯的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成帶有確定時滯和隨機參數(shù)的系統(tǒng)。通過Lyapunov穩(wěn)定性理論分析,得到了系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的條件。建立的穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則不僅考慮了時滯大小還考慮了時滯分布在不同區(qū)間的概

5、率信息,因此降低了已有結(jié)果的保守性;然后考慮了帶有區(qū)間時變時滯和時變分布式時滯的隨機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問題,考慮的離散時滯d(t)存在于區(qū)間0< d1≤d(t)≤d2,其中時滯下界不局限于0。處理方法是將時滯d(t)表示成兩個部分:常數(shù)部分d1和
　　時變部分h(t),即d(t)=d1+h(t),然后通過對常數(shù)部分d1進行時滯分割,并構(gòu)造新的Lyapunov-Krasovskii函數(shù)來處理區(qū)間時滯d(t)。結(jié)果表明:采用時滯分割的方

6、法,當(dāng)增大時滯分割整數(shù),保持系統(tǒng)穩(wěn)定的時滯上界也會變大,結(jié)果的保守性進一步降低。
　　研究了在網(wǎng)絡(luò)時延、信號量化和數(shù)據(jù)丟失情況下的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的反饋控制問題,考慮了兩種情況:一是狀態(tài)可測情況下的狀態(tài)反饋控制;二是基于狀態(tài)觀測器的反饋控制。在網(wǎng)絡(luò)化背景下,分布式時滯引入到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中來,并假定系統(tǒng)狀態(tài)(測量輸出)量化后才通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。建立了新的數(shù)據(jù)包丟失補償方法,消除了數(shù)據(jù)包丟失造成的影響;構(gòu)造了新的不等式和新的Lyapu

7、nov-Krasovskii函數(shù)來處理分布式時滯,最終分別得到了狀態(tài)反饋控制器和基于觀測器的反饋控制器設(shè)計方法。
　　研究了在網(wǎng)絡(luò)時延和丟包隨機發(fā)生下的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的預(yù)測控制問題?？紤]了兩種情況:反饋通道存在隨機時延和數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的預(yù)測控制問題;在反饋通道和前向通道中都存在隨機時延和數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的預(yù)測控制問題。提出了預(yù)測控制思想。首先考慮了網(wǎng)絡(luò)時延和丟包存在于反饋通道的情況,采用Markov鏈刻畫網(wǎng)絡(luò)

8、誘發(fā)時延的隨機性,基于預(yù)測思想,設(shè)計了基于觀測器的狀態(tài)反饋控制器,保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然后考慮了在反饋通道和前向通道都存在隨機網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的預(yù)測控制問題。構(gòu)造了網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器,它由兩部分組成:預(yù)測控制產(chǎn)生器和網(wǎng)絡(luò)時延補償器。在傳感器端,測量輸出通過網(wǎng)絡(luò)經(jīng)反饋通道到達控制器端;預(yù)測控制產(chǎn)生器產(chǎn)生一系列將來控制信號并打包通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綀?zhí)行器;網(wǎng)絡(luò)時延補償器從最新的預(yù)測控制序列中選擇合適的預(yù)測控制信號,作用于被控對

9、象,實現(xiàn)了未知網(wǎng)絡(luò)時延的補償。針對數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象,充分利用了網(wǎng)絡(luò)的包傳輸特性及預(yù)測控制產(chǎn)生器的預(yù)測控制序列,消除了數(shù)據(jù)丟包帶來的影響。
　　針對一類帶有多通訊時延和數(shù)據(jù)丟包的離散非線性網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng),提出了H∞濾波器設(shè)計新方法?？紤]了隨機多時滯(離散時滯和分布式時滯)、扇形有界的非線性函數(shù)和隨機丟包現(xiàn)象,用彼此獨立的滿足Bernoulli分布的隨機變量來刻畫通訊時滯和數(shù)據(jù)丟包的隨機性。在離散框架下,構(gòu)造了新的Lyapunov-Kras