基于通信协议的网络化系统控制及滤波问题研究

发布时间：2018-03-19 21:20

本文选题：网络化系统　切入点：网络通信协议　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：网络化系统的控制和滤波问题是当今控制领域的主流研究方向之一。随着网络化系统在不同领域的广泛应用(如环境监测、工业自动化、智能电网和移动通信),针对网络化系统的研究吸引了国内外大量学者的兴趣。在网络化系统中,所有系统元件都以网络节点的形式接入一共享的通信网络,并利用基于网络的通信技术传输数据。为了防止基于网络的数据传输发生数据冲突,通信网络通常都配备了相应的通信协议。在通信协议的规范下,网络中仅有一个(或有限个)节点能获得网络的使用权限。典型的通信协议有Round-Robin(RR)协议、Weighted Try-Once-Discard(WTOD)协议和随机通信协议(Stochastic Communication Protocol,SCP)。目前,基于通信协议的网络化系统分析与综合研究主要是针对线性系统和确定性系统。然而,对于非线性随机系统、时变系统、时滞系统和复杂系统,相应的基于通信协议的控制和滤波问题尚未得到充分研究,并存在许多亟待解决的重难点问题。本论文旨在探讨几类网络化系统在协议影响下的控制和滤波问题,如通信协议影响下时变系统的控制和滤波问题、非线性系统的状态估计和最终有界控制问题、复杂系统的一致性控制和状态估计问题。为了处理以上问题,本论文提出了一些新方法,如映射方法、基于Riccati差分方程的分析法和基于类Lyapunov泛函的参数设计法。根据研究内容的不同,本论文可分成以下六部分。第一部分中,我们在第一章详细介绍了网络化系统的研究背景、通信协议的工作原理、基于通信协议的网络化系统研究框架和主要研究成果。在此基础上,我们提出一些现有研究方向的不足和有待解决的问题,并引出本论文的主要研究内容。第二部分中,我们在第二章探讨了通信协议影响下网络化系统的滤波/状态估计问题。首先,我们研究了一类非线性系统在SCP影响下的滚动时域估计问题。首先,我们在这一章介绍了SCP调度下的信号传输模型——基于Markov链描述的随机模型,用以描述传感器节点接入网络的规则。然后,通过拓展鲁棒滚动时域估计方法,我们得到了一类新型的非线性滚动时域估计器和一类近似非线性滚动时域估计器。针对近似非线性滚动时域估计算法,这一章给出了上述算法下估计误差在均方意义下最终有界的充分条件。在此基础上,我们将所得结果进一步推广到SCP影响下线性系统的滚动时域估计问题。其次,本章还探讨了通信协议影响下,一类具有混合时滞的时变系统集员滤波问题。这里考虑了另两类协议,分别为RR协议和WTOD协议。该问题旨在针对一类受有界非高斯噪声干扰的时滞时变系统,设计对应的集员滤波器,以确保估计误差能被约束在某个椭球集合内。通过一递推算法,我们得到了滤波器存在的充分条件。此外,我们针对系统所使用的通信协议提出了两个对应的优化问题,并通过求解该问题得到相应的滤波器参数。第三部分中,我们在第三章研究了在RR协议影响下,一类时滞随机复杂网络的状态估计问题。为了预防各节点在传输信号时发生数据冲突,这一章中,复杂网络各节点与估计器之间的通信通过RR协议进行调度。这一章旨在为这类时滞随机复杂网络设计一状态估计器,确保在噪声干扰和RR协议影响下估计误差在均方意义下是最终有界的,本章提出了一种类Lyapunov泛函,结合随机分析得到了估计误差的动态分析,并通过设计的估计器参数令估计误差的渐近上界最小化。此外,本章的主要结果还进一步拓展到两类特殊情况——无时滞的非线性复杂网络以及含时滞的线性复杂网络。第四部分中,我们在第四章考虑了通信协议影响下网络化系统的控制问题。首先,本章探讨了一类网络化非线性系统在WTOD协议影响下的最终有界控制问题。该网络化非线性系统同时考虑了两类网络化约束,分别为通信协议的调度作用和均匀量化作用。针对此类问题,这一章研究一类基于非线性观测器的控制器设计方法。和传统的基于Luenberger观测器的控制器相比,这一章提出的控制器多了一个设计参数。然后,利用第二章和第三章介绍的基于类Lyapunov函数/泛函的方法,并进一步得到了闭环系统在均方意义下最终有界的充分条件。在此基础上,通过最小化被控输出的渐近上界,得到了控制器所需的设计参数。其次,这一章还研究了SCP调度作用下网络化时变系统的有限时域H∞控制问题。该系统包含两个通信网络(即传感器到控制器网络和控制器到执行机构网络),并且每个通信时刻有且仅有一个传感器和执行机构允许接入通信网络。该问题旨在设计一类基于观测器的控制方法,确保闭环系统在给定的时域范围内满足H∞性能指标。我们利用映射方法得到了一新的Markov链,通过该Markov链刻画了网络中的SCP调度作用。在此基础上,基于随机分析和完全平方法,我们得到了控制器存在的充分条件,并通过求解两个耦合的倒推Riccati差分方程得到了控制器的设计参数。第五部分中,我们在第五章针对一类在SCP调度影响下离散时变多智能体,研究了对应的有限时域H∞一致性控制问题。这一章所研究的多智能体系统的拓扑结构可通过一有向图描述,每个节点的邻节点与自己的通信过程受到SCP调度影响。在SCP调度影响下,每个传输时刻,任何节点的邻节点中仅有一个节点获得与之通信的权限。这一章我们引入了SCP调度的另一个模型(即基于一组随机变量描述SCP调度过程),并通过映射法和Hadamard乘积,闭环的多智能体系统被建模为一个具有随机参数矩阵的时变系统。本章的目的为针对任意可能的协议调度过程,设计对应的协同控制器,使得给定时域内的H∞一致性性能指标得到满足。针对得到的闭环系统,本章利用随机分析和完全平方法得到了一个确保其满足H∞一致性指标的充分必要条件,并通过求解两个耦合的倒推Riccati差分方程得到了所需的控制器设计参数。第六部分为本论文的第六章。这一章我们考虑了基于通信的列车控制(communication-based train control,CBTC)系统在p-持续CSMA协议影响下的状态估计问题。首先,我们利用牛顿运动学方程建立了一含有n节车厢列车的行驶过程模型,其中该列车车厢之间通过耦合器连接。然后,我们利用一组满足Bernoulli分布的随机序列建立了p-持续CSMA协议影响下的信号传输模型。该模型中随机分布的概率由共享一个信道的列车数量决定(即N(k))。本文假设N(k)为未知但有界的正整数(存在上界和下界)。这一章的目的是利用第四章到第六章介绍的方法,设计一状态估计器,确保估计误差在均方意义下是指数最终有界的。利用类Lyapunov分析框架,我们得到了满足该目标的充分条件,并通过线性矩阵不等式求解了两个优化问题,得到了在对应要求下(最小渐近上界要求和最快收敛速度要求)的估计器增益。该研究内容是本文提出的基于通信协议的随机状态估计方法在工程应用上的探索性尝试。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273

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