（控制理论与控制工程专业论文）网络化串级控制系统的建模、分析与控制.pdf

s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： f i i r l 1 l rrr r 删 2 5 1 p r o f b a iy a n d o c t o ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g s c h o o lo fc o n t r o la n d c o m p u t e r e n g m e e n n g j u n e ，2 0 1 0 d e g r e e - - c o n f e r r i n g i n s t i t u t i o n ： n o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y 关于学位论文使用授权的说明 统的建 师指导 用的内 本论文 方式标 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名拙 e t 期：盈“五 导师签名： 日期： 华北电力人学博十学位论文 摘要 ， 串级控制系统中，控制回路是通过实时网络闭合的，称之为网络化串级 控制系统。网络化串级控制系统在实际工业过程控制中广泛存在，但由于系 统结构的复杂性和网络性质的多样性，使得传统的串级控制理论和网络控制 理论都无能为力，因而系统深入地研究网络化串级控制系统的分析与综合问 题具有极其重要的理论价值和现实意义。 本文基于工业过程控制实际，提出了网络化串级控制系统的概念，并将 其归纳为四种典型结构，解决了其系统建模、稳定性分析、控制器设计、性 能评估与优化、实验平台的设计与实现等问题，建立了一套完整、系统的关 于网络化串级控制系统建模、分析与控制的理论体系。主要内容如下： 首先，提出了网络化串级控制系统的四种典型结构形式，并采用提出的 节点设备连接阵和网络传输阵以及系统配置图、方框图等三种方法，分别描 述了这些不同结构的网络化串级控制系统。指出了网络化串级控制系统中存 在的基本问题，如网络诱导时延、数据包丢失、时钟同步和量化误差等。 其次，针对一类有不同性质网络诱导时延的网络化串级控制系统，在控 制器分别都采用位置式p i d 和增量式p i d 的情况下，在离散时间域采用增广 状态向量法建立了闭环系统的状态空间模型。针对通用结构形式的网络化串 级控制系统，同时考虑网络诱导时延和丢包，提出了广义对象和广义控制器 的概念，在离散时间域以状态空间表达式形式建立了统一的系统闭环模型。 再次，针对两类有常数网络诱导时延的网络化串级控制系统，基于过程 模型和期望闭环系统响应，采用一阶p r i d e 近似纯迟延环节，以解析的形式提 出了主控制器和副控制器p i d 整定参数的表达式。基于l y a p u n o v 稳定性理 论和l m i 方法，针对一类有不确定网络诱导时延的网络化串级控制系统，在 系统无扰动和有扰动时，分别设计了鲁棒h o o 状态反馈和输出反馈控制律。 基于综合理论，针对两类有不确定网络诱导时延的网络化串级控制系统， 将不确定时延建模为乘性摄动，建立了综合控制框架，在副控制器为已整 定好的传统p i d 时采用d k 迭代方法分别设计了综合主控制器。 然后，以控制回路中无网络时网络化串级控制系统的稳态和动态性能指 标为基准，以加权和形式提出了网络化串级控制系统的一个综合控制性能指 标。主控制器采用模糊自整定p i d 控制器，副控制器仍采用传统的p i d 控制 器，对两类网络化串级控制系统的性能进行了评估与优化。 最后，设计并实现了一套基于基金会现场总线( f f ) 的网络化串级控制系 统实验平台。设计了模糊p i 在线自动优化程序，基于模糊自整定推理规则在 摘要 线自动调整主控制器的p i 参数，实现了储水罐水温的网络化串级控制系统。 调试结果表明模糊自整定p i d 控制方法在网络化串级控制系统中实现的可行 性和有效性。 关键词：网络化串级控制系统，建模，稳定性分析，控制器设计，性能 评估与优化 华北f 乜力人学博十学位论文 a b s t r a c t c a s c a d ec o n t r o ls y s t e m s ，w h e r e i nt h ec o n t r o ll o o p sa r ec l o s e dv i ar e a l - t i m e n e t w o r k s ，a r ec a l l e dn e t w o r k e dc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m s ( n c c s sf o rs h o r t ) t h e n c c sh a sb e e nw i d e l ye m p l o y e di np r a c t i c a li n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，h o w e v e r , d u e t ot h ec o m p l e x i t yo fi t sc o n f i g u r a t i o n sa n dt h ev a r i a t i o no f n e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e t h e o r i e so ft r a d i t i o n a lc a s c a d ec o n t r o ls y s t e ma n dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ma r en o l o n g e rv a l i d a n dt h e r e f o r e ，i t so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lm e a n i n g st o i n v e s t i g a t et h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i so fn c c ss y s t e m a t i c a l l ya n dt h o r o u g h l y b a s e do np r a c t i c a li n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，t h ec o n c e p ta n dt y p i c a lc o n f i g u r a t i o n s o fn c c sa r ep r o p o s e d t od e v e l o pa l li n t a c ta n ds y s t e m a t i ct h e o r ys y s t e mf o rt h e a n a l y s i sa n ds y n t h e s i so fn c c s ，t h ei s s u e so fm o d e l i n g ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，c o n t r o l l e r d e s i g n i n g , p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o n , a sw e l l a s t h ed e s i g na n d i m p l e m e n to fap i l o tp l a n tf o ra l ln c c s h a v eb e e nr e s o l v e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，f o u rt y p i c a lc o n f i g u r a t i o n so fa nn c c sa r ep r o p o s e d t h ec o n c e p t so f n o d e - d e v i c ec o n n e c t i o nm a t r i xa n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm a t r i xa r ep r o p o s e d w i t h t h ep r o p o s e dm a t r i c e s ，s y s t e mc o n f i g u r m i o nd i a g r a m s ，a n db l o c kd i a g r a m s ，t h ef o u r d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n so fn c c s sa r ed e s c r i b e d t h ef u n d a m e n t a li s s u e si na nn c c s a r e p o i n t e do u t ，i n c l u d i n gn e t w o r k i n d u c e dd e l a y s ，d a t ap a c k e td r o p o u t ，c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n ，q u a n t i z a t i o ne r r o r , a n ds oo n s e c o n d l y , t h ec l o s e d - l o o ps y s t e mm o d e l sf o r ac l a s so fn c c s sw i t hd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r k i n d u c e dd e l a y s ，i nw h i c ht h ec o n t r o l l e r sa r eb o t hp o s i t i o n a l p i do ri n c r e m e n t a lp i d ，a r ed e v e l o p e di nd i s c r e t et i m ed o m a i nb ys t a t es p a c em e t h o d t h ec o n c e p t so fg e n e r a lp r o c e s sa n dg e n e r a lc o n t r o l l e ra r ep r o p o s e d ，a n dt h e ya r e u s e dt od e v e l o pau n i f o r mc l o s e d l o o ps y s t e mm o d e lf o rt h en c c sw i mu n i f o r m c o n f i g u r a t i o n s i nd i s c r e t et i m ed o m a i n b y s t a t e s p a c e m e t h o d b o t ht h e n e t w o r k i n d u c e dd e l a y sa n dd a t ap a c k e td r o p o u ta r ec o n s i d e r e d t h i r d l y , b a s e do np r o c e s sm o d e l sa n dd e s i r e dc l o s e d l o o ps y s t e mr e s p o n s e s ，t h e a n a l y t i c a le x p r e s s i o n so ft h ep i dt u n i n gp a r a m e t e r si nb o t ho ft h ep r i m a r ya n d s e c o n d a r yc o n t r o l l e r sa r ep r o p o s e db ya p p r o x i m a t i n gp u r ed e l a yw i t hf i r s t o r d e rp r i d e e x p r e s s i o nf o rt w ot y p i c a lc o n f i g u r a t i o n so fn c c s sw i t hc o n s t a n tn e t w o r k i n d u c e d d e l a y s b a s e do nl y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r ya n dl m ia p p r o a c h ，t h er o b u s th o os t a t e f e e d b a c ka n do u t p u tf e e d b a c kc o n t r o ll a w sf o rat y p i c a lk i n do fn c c s sw i t l la n d w i t h o u td i s t u r b a n c e sa r ed e s i g n e d ，i nw h i c ht h en e t w o r k i n d u c e dd e l a y sa r eu n c e r t a i n i i i a b s t r a c t b u tb o u n d e d b a s e do n # s y n t h e s i st h e o r y , t h eu n c e r t a i nb u tb o u n d e dd e l a yi sm o d e l e d a sam u l t i p l i e dp e r t u r b a t i o n t h e v s y n t h e s i sf r a m e w o r k sf o rt w ot y p i c a lc l a s s e so f n c c s sw i t hu n c e r t a i nb u tb o u n d e dn e t w o r k - i n d u c e dd e l a y sa r ed e v e l o p e d ，a n dt h e n t h ed ki t e r a t i o nm e t h o di su s e dt od e s i g n s y n t h e s i sp r i m a r yc o n t r o l l e r sf o rt h e s y s t e mw h i l et h es e c o n d a r yc o n t r o l l e r i sap i dc o n t r o l l e ra n dh a sb e e nt u n e d b e f o r e h a n d t h e n ，b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ei n d i c e so fs t a b l ea n dd y n a m i c a ls t a t e so fa nn c c s w i t h o u tn e t w o r k si nt h ec o n t r o ll o o p s ，ac o m p r e h e n s i v ec o n t r o lp e r f o r m a n c ei n d e xf o r a nn c c si sp r o p o s e di nt h ef o r mo fw e i g h t e ds u m m a t i o n t h ep e r f o r m a n c e sf o rt w o k i n d so fn c c s sa r ee v a l u a t e da n do p t i m i z e d ，i nw h i c ht h ef u z z ya u t o t u n i n gp i d c o n t r o lm e t h o di se m p l o y e di nt h ep r i m a r yc o n t r o l l e rw h i l et h es e c o n d a r yc o n t r o l l e r s t i l la d o p t st r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lm e t h o d f i n a l l y , a nn c c sp i l o tp l a n tb a s e do nf f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d af u z z yp io n l i n ea u t o m a t i co p t i m i z a t i o np r o g r a mi s d e s i g n e d ，b y w h i c ht h ep it u n i n gp a r a m e t e r so ft h ep r i m a r yc o n t r o l l e r c a nb ea u t o m a t i c a l l y a d j u s t e db a s e do nf u z z ya u t o t u n i n g i n f e r e n c er u l e s a nn c c sf o rt h et a n kw a t e r t e m p e r a t u r ei si m p l e m e n t e da n dc o m m i s s i o n e d t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f f u z z va u t o t u n i n gp i dc o n t r o lm e t h o di na nn c c sa r ev a l i d a t e db yt h ep r a c t i c a l c o m m i s s i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m ，m o d e l i n g ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ， c o n t r o l l e rd e s i g n ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o n i v 1 1 1 8 9 9 1 6 论文的主要内容9 1 7 小结1 l 第二章网络化串级控制系统的基本问题1 2 2 1 网络化串级控制系统的结构1 2 2 1 1 节点设备连接阵和网络传输阵1 2 2 1 2 网络化串级控制系统的结构1 3 2 1 3 网络化串级控制系统的结构描述1 4 2 2 网络化串级控制系统中的网络诱导时延1 8 2 3 网络化串级控制系统中的其它基本问题1 9 2 3 1 数据包丢失。1 9 2 3 2 单包传输与多包传输l9 2 3 3 量化误差19 2 3 4 时钟同步2 0 2 3 5 驱动方式2 0 2 4 小结2 0 第三章网络化串级控制系统的建模2 1 3 1 采用p i d 的网络化串级控制系统的建模2 1 3 1 1 采用位置式p i d 的n c c s 建模2 2 3 1 2 采用增量式p i d 的n c c s 建模2 6 3 2 有时延和丢包的网络化串级控制系统的统一建模2 9 3 2 1 广义对象3 0 3 2 2 广义控制器3 0 3 2 3 有时延和丢包的网络化串级控制系统的统一建模3 l 3 3 小结3 5 第四章网络化串级控制系统的p i d 控制3 6 4 1 基于期望闭环系统响应的p i d 控制器整定3 6 4 2 第1 类n c c s 的p i d 整定3 7 4 2 1 第1 类n c c s 结构分析3 7 4 2 2 基于期望闭环系统响应的p i d 整定。3 7 4 2 3 仿真实例3 9 目录 4 3 第1 i 类n c c s 的p i d 整定4 3 4 3 1 第1 i 类n c c s 结构分析4 3 4 3 2 基于期望闭环系统响应的p i d 整定4 4 4 3 3 仿真实例4 6 4 4 小结4 9 第五章网络化串级控制系统的鲁棒舶反馈控制5 0 5 1 预备知识5 0 5 2 网络化串级控制系统的鲁棒状态反馈控制5 0 5 2 1 问题描述5 0 5 2 2 无扰动时n c c s 的鲁棒状态反馈控制律设计5 3 5 2 3 有扰动时n c c s 的鲁棒h o o 状态反馈控制律设计5 5 5 2 4 仿真实例5 9 5 3 网络化串级控制系统的鲁棒输出反馈控制6 4 5 3 1 问题描述6 5 5 3 2 无扰动时n c c s 的鲁棒h o o 输出反馈控制律设计6 7 5 3 3 有扰动时n c c s 的鲁棒输出反馈控制律设计6 9 5 3 4 仿真实例7 2 5 4 小结7 7 第六章网络化串级控制系统的分析与综合7 8 6 1 预备知识7 8 6 1 1 不确定网络诱导时延建模7 8 6 1 2 分析与综合理论基础一7 8 6 2 基于综合的网络化串级控制系统分析7 9 6 2 1 第1 类n c c s 的“综合框架7 9 6 2 2 第1 i 类n c c s 的综合框架8 l 6 3 基于综合的网络化串级控制系统设计实例8 2 6 3 1 第1 类n c c s 的口综合设计实例8 2 6 3 2 第1 i 类n c c s 的综合设计实例8 5 6 4 小结8 9 第七章网络化串级控制系统的性能评估与优化9 0 7 1 网络化串级控制系统的性能评估。9 0 7 2 网络化串级控制系统的性能优化9 l 7 3 仿真实例9 3 7 3 1 第1 类n c c s 仿真实例9 3 7 3 2 第1 i 类n c c s 仿真实例9 7 7 4 小结9 9 第八章网络化串级控制系统实验平台的设计与实现1 0 0 8 1 网络化串级控制系统实验平台的设计1 0 0 8 1 1 实验平台工艺流程设计1 0 0 华北电力人学博十学位论文 8 1 2 实验平台控制系统设计1 0 3 8 2 网络化温度串级控制系统的实现1 0 4 8 2 1p i d 在网络化温度串级控制系统中的实现1 0 5 8 2 2 模糊p i 在网络化温度串级控制系统中的实现1 0 6 8 3 网络化温度串级控制系统的调试1 0 8 8 4 小结1 1 0 第九章总结与展望1 11 9 1 总结1 11 9 2 展望1 13 参考文献1 l 5 致谢1 2 5 个人简历、攻读博士学位期间发表的主要学术论文1 2 6 攻读博：士学位期间参加的科研工作一1 2 8 华北电力人学博十学侮论文 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机技术、控制技术、通信技术和网络技术的迅猛发展，现代工 业过程控制系统正朝着控制节点网络化、传输信息数字化、系统结构扁平化、 现场设备智能化的方向发展。分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t o r ls y s t e m ，d c s ) 在火电厂、石化等行业中已经得到了十分广泛的应用，现场总线控制系统 ( f i e l d b u sc o n t o r ls y s t e m ，f c s ) 也已经进入大规模工程应用阶段，如上海赛 科石化、中海壳牌石化联合工厂等。浙大中控等联合开发的工业以太网控制 系统e p a 也在实际应用中取得了显著的经济效益。这些系统的共同特点就 是：采用实时网络来传输控制系统的闭环回路中的传感信息和控制信息，也 即所谓的网络控制系统【1 1 e t w o r k e dc o n t o r ls y s t e m ，n c s ) 。 在实际工业生产过程中，由于串级控制系统能快速克服副回路中的扰动 从而可以显著改善系统的控制性能，它在过程控制等领域中得到了广泛的应 用。串级控制系统中，控制回路是通过实时网络闭合的，称之为网络化串级 控制系统( n e t w o r k e dc a s c a d ec o n t o r ls y s t e m ，n c c s ) 。 网络化串级控制系统既是一类特殊的网络控制系统，因其有两个控制器 两个控制回路，又是一类特殊的串级控制系统，因其传感信息和控制信息都 是通过实时网络来传输的。它同时具有网络控制系统和串级控制系统的优 点，由于它大量减少了系统布线，从而可显著降低系统布线成本。此外，它 便于系统的安装、维护和诊断，从而可大大提高系统的可靠性和可扩展性。 因此，它在工业过程控制系统中得到了广泛的应用。然而，将网络引入串级 控制系统中，也带来了一系列的基本问题，如网络诱导时延和数据包丢失， 给网络化串级控制系统的分析与综合带来了一定的挑战。传统的串级控制理 论和网络控制理论在应用到网络化串级控制系统的分析和综合前都需要重 新进行分析和研究。因此，针对工业过程控制中得到了广泛应用的网络化串 级控制系统，亟待建立一套系统的分析与综合理论体系。 1 2 网络控制系统的研究现状 网络控制系统的主要特征就是控制回路中的各种信息如传感信息和控 制信息都是通过实时网络来传输的，与传统的点到点控制系统相比，极大地 减少了系统布线和安装成本，方便了系统的维护和诊断，提高了系统的灵活 性和可靠性，因而在实际工业过程控制中得到了广泛的应用。与此同时，将 网络引入控制回路，不可避免地带来了网络诱导时延和数据丢包等一系列问 第一章绪论 题，使得系统的分析与综合变得异常复杂，急需建立新的理论体系来指导工 程实践。正是由于它在工程实践中得到了广泛应用，而在理论上又缺乏系统 的理论指导，因而近年来网络控制系统一直是国内外控制理论研究领域和工 业过程控制界研究的热点问题。国内关于n c s 的专刊主要有：信息与控制 2 0 0 7 年6 月第3 期，本领域内的一些国际知名期刊也相继出版了很多关于 n c s 的专刊，见文献 2 6 】，n c s 也一直是控制、计算、通信、网络等诸多领 域内许多国际会议的征文主题之一。 目前，关于网络控制系统的研究在系统分析与综合等各个方面都取得了 丰硕的成果，这方面的综述见文献 7 1 1 】。下面对n c s 的重要文献进行回顾 和总结。 对网络控制系统的研究，从研究方法上划分，大致有如下三类： ( 1 ) 仅从网络通信调度的角度考虑，将网络对控制性能的影响尽可能地 减d , n 最小【1 2 。5 1 。此类方法在设计n c s 的控制器时不需要考虑网络的影响， 通过设计合适的网络调度协议，尽可能地降低网络负荷，加快网络传输速度， 提高网络利用率，从而可使网络诱导时延最小且保证网络上的数据丢包率最 小，使网络对控制性能的影响最小。 ( 2 ) 仅从控制的角度考虑，在给定网络的条件下研究网络对控制性能的 影响。考虑网络对控制性能可能产生的影响，设计合适的控制器，以补偿网 络对控制性能的影响。文 1 6 从控制的角度总结了n c s 的各种控制方法。 ( 3 ) 同时考虑网络通信调度和控制，综合考虑网络对控制性能的影响， 从网络通信调度和控制的角度同时考虑，同时设计合适的网络和控制器，使 得系统的综合性能最优。文 1 7 】研究了集成控制和实时调度联合设计问题， 考虑了子任务调度和反馈调度，并利用基于m a t l a b 的j i t t e r 和t r u e t i m e 仿真 工具箱研究了n c s 的性能。 对网络控制系统的研究，从研究内容来看，主要研究了网络控制系统的 建模、稳定性和性能分析，以及控制器设计等几个主要问题；从研究对象来 看，重点研究了n c s 中的网络诱导时延、数据包丢失、多包传输、量化分析 等问题。以下从网络诱导时延和数据包丢失等方面分别阐述。 ( 1 ) 有时延的网络控制系统 在网络控制系统中，网络诱导时延主要是由数据包获取网络访问的等待 时间、在网络上的传输时间以及收发节点的处理时间等部分组成的。时延会 降低控制系统性能，增加超调量，延长过渡过程时间，减少稳定裕度，甚至 会导致系统不稳定。按时延的长短，它可分为短时延( 时延上界小于一个采样 华北电力人学博+ 学何论文 周期) 和长时延( 时延上界大于一个采样周期) ；按时延的性质划分，它可能是 常数，有界的，或随机的，这取决于所采用的网络访问协议和硬件。如在采 用c s m a a m p 协议的c a n 总线中，时延是常数；而在e t h e r n e t 中，采用 c s m a c d ，时延是随机的。文 1 8 1 将网络诱导时延分别建模为常数时延、独 立的时延和m a r k o v 链，并研究了相应的控制器设计问题。文【1 9 】针对三种网 络：c a n 、p r o f i b u s 和全双工以太网研究了n c s 的时延建模和控制器设计问 题。有常数时延的系统可用改进的s m i t h 预测器来控制，有随机时延的系统 可采用动态控制器。文 2 0 1 分析了时延对系统稳定性和性能的影响，通过仿 真研究了采样速率和时延之间的关系，并以l m i 的形式得到了使用动态控制 器时n c s 时延的上界。文【2 1 】在连续时间域和离散时间域分别建立了有时延 的n c s 闭环模型，考虑了不同性质的时延和节点驱动方式。以下分别从不同 性质的时延回顾相关的文献。 1 ) 常数时延 针对有常数时延的n c s ，可把它转化为一般时延系统的控制。s m i t h 预， 估控制器是解决常数时延的有效办法，也可采用p i d e 近似或t a y l o r 近似来 茹 解决这类问题。内模控制对常数时延的n c s 也具有很好的鲁棒性。文 2 2 1 研 究了有分布式常数时延的n c s 的最优控制器设计问题。 2 ) 不确定有界时延 实际网络控制系统中，时延往往是不确定的但是有界的。针对不确定时 延的n c s ，s m i t h 预估器一般很难奏效，鲁棒h o o 控制是解决有不确定性参等 数系统的分析和设计的一种有效方法，在网络控制系统的分析和设计中得到 了广泛的应用。针对有不确定时延的n c s 的分析和设计，许多文献基于 l y a p u n o v 稳定性理论和l m i 方法针对有不确定时延的n c s 设计了状态反馈 控制律，文 2 3 】的s c h u r 补引理和文 2 4 】的引理1 起了十分重要的作用，利用 它们可将时延的不确定性转化为系统参数矩阵的不确定性，并进而通过l m i 的形式提出了系统稳定的充分条件并设计了控制器。文【2 5 】针对有不确定时 延的n c s ，考虑了控制约束，将其建模为有不确定性的离散时变系统，基于 l y a p u n o v 稳定性理论和l m i 方法，设计了鲁棒状态反馈控制器。文 2 6 1 针对 基于t s 模糊模型的不确定非线性系统，以l m i 的形式设计了鲁棒状态反馈 控制器，保证了系统稳定且使线性二次性能准则的上界最小。文 2 7 1 针对有 时延和执行器故障的连续时间线性系统，基于l m i 方法和自适应方法，设计 了可靠的h o o 动态状态反馈控制器。文 2 8 1 针对有小于一个采样周期的不确定 时延的n c s ，控制器采用静态状态反馈，采用基于l m i 的鲁棒控制，以l m i 的形式提出了保证系统鲁棒稳定和鲁棒性能的充分必要条件。文 2 9 】针对有 3 第一章绪论 未知时变有界时延的n c s ，控制器两侧均存在时延，基于自由加权矩阵法， 推导了采用h o o 状态反馈控制的闭环系统稳定性条件并设计了控制律。 而在实际工业过程控制中，被控对象的状态变量一般很难获得，。对象的 输出变量容易获得，因此在实际工程中，一般采用输出反馈。文 3 0 1 针对有 小于一个采样周期的不确定时延和有限能量的外部扰动，基于l y a p u n o v 稳 定性定理和l m i 方法推导出系统动态输出反馈h o e 控制律存在的充要条件， 设计了最优动态输出反馈h o e 控制律。文 3 1 】针对控制器两侧同时存在不确定 时延的n c s ，时延均服从某一分布函数已知的确定分布，可能大于一个采样 周期，采用动态输出反馈控制器，针对无扰动、有扰动的系统，分别基于 l y a p u n o v 稳定性定理和l m i 方法，推导出系统稳定的充分条件，并设计了 鲁棒最优、次优控制律。文 3 2 针对有常数时延的n c s ，基于l y a p u n o v 渐近 稳定性理论和l m i 方法设计了与状态反馈等价的动态输出反馈控制器。 为了处理n c s 中的不确定时延，也可将其转化为鲁棒分析与综合理论 问题【3 引。这可通过将不确定时延建模为乘性摄动环节来实现。文【3 4 】将有随 机时延的n c s 建模为随机时延采样数据系统，基于h o e 控制理论和综合方 法设计了鲁棒稳定控制器。 3 ) 随机时延 针对具有随机时延的n c s ，一般有两种处理方法：一是通过在发送接收 端均设置一定长度的缓冲区以将随机时延转化为固定时延，将随机系统转化 为确定性系统，用确定性方法处理；二是根据随机时延的统计特性，设计随 机控制器。文 3 5 】分析了有随机时延的n c s 的建模和控制，文 3 6 1 和文 3 7 】 针对有随机时延的n c s 分别设计了随机最优控制器。 随机时延分布满足m a r k o v 链的n c s 的分析和设计，主要结合m a r k o v 跳变线性系统理论进行了研究。文 3 8 】将时延建模为有上下界约束的m a r k o v 链，将n c s 建模为有范数有界不确定性的离散时间m a r k o v 跳变系统，以l m i 的形式设计了h o e 状态反馈控制器。文 3 9 】针对一类传感器与控制器之间、控 制器与执行器之间均存在随机时延的不确定n c s ，将随机时延建模为m a r k o v 过程，基于l y a p u n o v r a z u m i k h i n 方法，通过迭代b m i 方法设计控制器，保 证了系统的鲁棒稳定性并具有给定的扰动抑制性能。文 4 0 1 针对存在随机故 障和随机时延的离散n c s ，采用静态输出反馈多目标控制策略，将其建模为 离散时间m a r k o v 跳变线性系统，性能和目标包括随机稳定性、h 2 h o e 性能指 标，采用锥补算法得到控制器增益。文 4 1 】通过将随机时延建模为m a r k o v 过程，进而将有随机时延的n c s 建模为m a r k o v 跳变线性系统，使用 l y a p u n o v k r a s o v s k i i 泛函推导出了闭环系统随机指数均方稳定的时滞依赖稳 4 华北电力人学博十学位论文 定性条件，设计了切换控制器。文 4 2 1 针对有随机时延且小于一个采样周期 的n c s ，将其建模为服从于概率分布函数的不确定性，采用概率鲁棒控制方 法，提出了基于l m i 的h o o 状态反馈控制的综合条件。采用椭圆随机算法求 解矩阵变量，并设计了概率鲁棒控制器。 此外，针对n c s 中时延的测量和估计，文 4 3 提出了平均时延窗口法以 在线估计时延特性，并根据对c a n 总线所估计的时延设计了l q g 控制器， 该方法适用于短时延的估计，文 4 4 】使用平均时延窗口法实现了对基于 e t h e r n e t 的n c s 的在线时延估计。 采用基于状态观测器的文献主要有：文 4 5 针对传感器和控制器间存在 时变时延的n c s ，设计了状态观测器。文 4 6 针对时延，在控制器中设置状 态观测器和预测补偿器，在执行器接收端中设置缓冲区，基于参考模型预估 控制量。文 4 7 1 针对存在时变有界长时延的n c s ，设计了具有时延补偿功能 的状态观测器和预测器，将系统建模为一类具有多个子系统的离散切换系 统。文 4 8 使用缓冲区消除时延的不确定性，首先将采用缓冲区消除所有时 延的不确定性与使用有界间隔时延分布的无缓冲区的p i d 控制器进行比较， 舅 然后针对有界间隔且服从重尾分布的时延设计了最优缓冲区。 ( 2 ) 有丢包的网络控制系统 网络控制系统中的数据包通过网络传输，不可避免地会发生冲突，可能 导致数据包丢失。一般地，网络控制系统能够承受一定量的数据包丢失，但 是必须确定一个可以接受的丢包率来确保系统的稳定性和性能。以下分别从 番 有固定丢包率和丢包率服从随机分布的n c s 等方面分别进行阐述。 1 ) 丢包率固定 针对丢包率固定的n c s ，可将其建模为异步动态系统【4 9 1 。文 5 0 将传感 器与控制器之间和控制器与执行器之间均存在数据丢包的n c s 建模为一类 有速率约束的异步动态系统( a d s ) ，基于l y a p u n o v 稳定性理论提出了n c s 指数稳定的充分条件，基于l m i 和遗传算法求解最大衰减率。文【5 l 】针对有 丢包的n c s 和多包传输的n c s ，分别将其建模为有事件概率约束的a d s ， 并研究了其指数稳定性。文 5 2 】针对传感器与控制器之间、控制器与执行器 之间均存在网络且具有固定丢包率的n c s ，在采用状态反馈和动态输出反馈 时分别将其建模为有结构事件率约束的异步动态系统，给出了结构事件率和 数据丢包率之间的关系，基于所建立的n c s 模型，设计了n c s 相应的状态 反馈控制律和动态输出反馈控制律。 2 ) 丢包服从m a r k o v 分布 第一章绪论 文 5 3 】将有任意丢包过程或服从m a r k o v 丢包过程的n c s 建模为切换系 统，基于丢包依赖的l y a p u n o v 函数，提出了能使系统