具有数据包丢失与错序的网络控制系统的建模与控制

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网络控制系统(Networked control systems, NCSs)是指通过计算机网络和总线将传感器、执行器和控制器单元作为网络节点连接起来共同完成控制任务的闭环反馈控制系统。与传统的控制系统相比,这种网络化的控制系统具有信息资源共享,可远程操作,并具有省时、易于维护等优点。在现代工业和商业各个领域中已经广泛应用实时网络来交换信息和控制信号,网络控制系统发挥着重要作用,网络控制系统已成为研究热点。然而,由于网络的介入,不可避免地会在控制系统中引发传输时延,数据包丢失,数据包错序等问题,这些问题的存在不可避免地降低系统的性能,甚至使系统不稳定,使得控制系统的分析和设计变得更加复杂,给控制系统的研究带来了新的挑战。因此,对网络控制系统的分析与设计是当前控制理论研究的重要内容。数据传输错序已经是现代工业、商业网络化应用中的一个普遍现象。在Internet的网络体系机构中,IP层提供的是“尽已所能”的无保证的数据包传输服务,加之往往是多路由传输,错序等异常现象是不可避免的。因此,有必要研究网络控制系统中的错序问题。近年来,基于网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统的研究已取得了一些成果。但是,基于数据包错序的分析与控制还未得到充分考虑。本文针对网络中存在时延和数据包丢失以及错序的情况,提出了能充分描述网络中的丢包和错序现象并且能有效消除丢包和错序对系统性能影响的NCSs模型。首先,针对数据包丢失,考虑了被控对象为离散模型的网络控制系统的建模与控制问题。根据数据包丢失的Markov特性,将数据包的连续丢包量描述为一个Markov链,建立了网络控制系统的Markov跳变模型,为了讨论方便,引入了增广向量,进而将系统模型转化为模型依赖的闭环Markov时滞跳变线性系统,根据线性跳变系统理论分析了系统的稳定性,给出了状态反馈控制器的设计方法。最后,通过数值算例验证了结论的正确性。然后,给出了被控对象为离散系统的错序模型,定义了连续错序量的概念,将随机网络诱导时延以及连续错序量分别描述为两个独立的Markov链,通过引入增广向量的方法,得到了具有两个模态的闭环跳变线性系统,进而研究了该闭环系统的稳定性,并设计了状态反馈控制器使闭环网络控制系统稳定。
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