一类Lipschitz非线性随机网络化控制系统稳定与控制

1、一类Lipschitz非线性随机网络化控制系统稳定与控制    网络化控制系统(Networked Control System,简称NCS)的研究已经成为当前自动化领域中的一个热点,网络化控制系统是一种通过共享的通讯网络将传感器,执行器和控制器连接在一起的分布式控制系统。将网络引入控制系统,连接智能现场设备和自动化系统,实现了现场设备控制的分布化和网络化,加强了现场控制和上层管理的联系,从而改善了生产过程的安全性、可靠性、效率和消耗等性能。网络的引入同时也产生了一些新问题:例如网络时延、数据丢包等。众所周知,实际系统中常存在非线性,且许多实际非线性系统

2、满足Lipschitz条件,如含有三角函数非线性项的机器人或飞行器控制系统等。Lipschitz非线性系统是指系统中关于状态与输入的非线性环节相对于系统的状态变量满足Lipschitz条件的非线性系统。因此关于Lipschitz非线性网络化控制系统的研究在理论和应用上是非常重要的,同时也是非常具有代表性和挑战性的问题。本文主要针对一类存在随机数据丢包或随机网络诱导时延的Lipschitz非线性网络化控制系统的指数稳定和控制器设计进行了深入的探讨和研究。首先,本文全面而简要地介绍了NCS的起源、发展、特点以及目前的研究现状。详细地分析了NCS中的若干基本问题、典型研究方法,同时提出了本文对NCS

3、相关研究工作的观点和看法,主要的研究工作包括:1.针对传感器-控制器和控制器-执行器通道存在随机数据包丢失的Lipschitz非线性网络化控制系统,用满足Bernoulli分布的二进制切换序列来描述随机数据包丢失,并建立模型。依据李雅普诺夫稳定性理论,给出了一个基于线性矩阵不等式(LMI)的闭环系统均方指数稳定的充分条件。进一步地给出了使闭环非线性网络控制系统均方指数稳定,且满足指定H_性能指标的基于观测器的动态输出反馈控制器存在的充分条件,给出了设计基于观测器的控制器的线性矩阵不等式(LMI)方法,并转化为一类具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,通过求解建立的凸优化问题得到Lipschitz

4、非线性网络化控制系统的扰动抑制最优控制器。最后用一个数值算例验证了提出的方法的有效性。2.针对传感器-控制器和控制器-执行器通道存在随机时延的Lipschitz非线性网络化控制系统,用满足Bernoulli分布的二进制切换序列来描述随机时延,并建立模型。利用李雅普诺夫稳定性理论,给出了一个基于线性矩阵不等式(LMI)的闭环系统指数均方稳定的充分条件。进一步地给出了使闭环Lipschitz非线性网络控制系统均方指数稳定,且满足指定H_性能指标的基于观测器的动态输出反馈控制器存在的充分条件,给出了设计基于观测器的控制器的线性矩阵不等式(LMI)方法,并转化为一类具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,

5、通过求解建立的凸优化问题得到Lipschitz非线性网络化控制系统的扰动抑制最优控制器。最后用一个数值算例验证了提出的方法的有效性。3.针对具有独立随机丢包概率的多传感器Lipschitz非线性网络化控制系统,认为空间分布不同的多个传感器具有独立的工作特性,即每个传感器到控制器通道发生数据包丢失的概率是不同的,也是互相独立的。同时考虑传感器-控制器和控制器-执行器通道的随机丢包,用满足Bernoulli分布的二进制切换序列来描述随机数据包丢失,并建立模型。利用李雅普诺夫稳定性理论,给出了一个基于线性矩阵不等式(LMI)的闭环系统均方指数稳定的充分条件。进一步地给出了使闭环Lipschitz非线

6、性网络控制系统均方指数稳定,且满足指定H_性能指标的基于观测器的动态输出反馈控制器存在的充分条件,给出了设计基于观测器的控制器的线性矩阵不等式(LMI)方法,并转化为一类具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,通过求解建立的凸优化问题得到Lipschitz非线性网络化控制系统的扰动抑制最优控制器。最后用一个数值算例验证了提出的方法的有效性。4.针对具有独立随机时延概率的多传感器Lipschitz非线性网络化控制系统,认为空间分布不同的多个传感器具有独立的工作特性,即每个传感器到控制器通道发生时延的概率是不同的,也是互相独立的。同时考虑传感器-控制器和控制器-执行器通道的随机时延,用满足Bernou

7、lli分布的二进制切换序列来描述随机时延,并建立模型。利用李雅普诺夫稳定性理论,给出了一个基于线性矩阵不等式(LMI)的闭环系统均方指数稳定的充分条件。进一步地给出了使闭环Lipschitz非线性网络控制系统均方指数稳定,且满足指定H_性能指标的基于观测器的动态输出反馈控制器存在的充分条件,给出了设计基于观测器的控制器的线性矩阵不等式(LMI)方法,并转化为一类具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,通过求解建立的凸优化问题得到Lipschitz非线性网络化控制系统的扰动抑制最优控制器。最后用一个数值算例验证了提出的方法的有效性。同主题文章1.    李璋,

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9、160; 陈幼平,陈冰,谢经明,艾武,周祖德. 网络化控制系统的科学问题与应用展望' J. 控制与决策. 2004.(09)    5.    彭可,李祥飞,陈岚,陈际达. 多回路网络化控制系统中优化采样频率的确定' J. 控制与决策. 2004.(10)    6.    郑英,方华京,王华,李力. 带有输出传输时延的网络化控制系统基于观测器的FDI设计(英文)' J. 控制理论与应用. 2003.(

10、05)    7.    郑英,方华京. 不确定网络化控制系统的鲁棒容错控制' J. 西安交通大学学报. 2004.(08)    8.    谢林柏,方华京,纪志成,郑英. 时延网络化控制系统的H_2/H_混合控制' J. 控制理论与应用. 2004.(06)    9.    白涛,吴智铭,杨根科. 网络化的控制系统' J. 控制理论与应用. 2004.(04)    10.    白涛,吴智铭,杨根科. 网络化控制系统带宽配置的一种新策略' J. 自动化学报. 2004.(06)