网络控制系统中调度策略的设计与延时的处理

发布时间：2017-05-16 02:10

  本文关键词：网络控制系统中调度策略的设计与延时的处理，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为处理空间分布的大尺寸被控对象和远程的被控对象,我们可以利用现有的通信网络来实现控制系统中各单元之间的信号传输。由于网络的引入,摆脱了传统点对点控制在处理这些被控对象时所遇到的布线复杂的困境,带来了诸如结构简单,维护方便,可靠性高等优点;但也会带来一些不利影响。本文研究网络引起的通信约束和延时对控制问题的影响。通信约束是指网络的通信资源有限,可能无法传输所有节点需要传输的信息。本文一方面通过设计合理的调度策略,包括指定传输信息的时刻以及选择在传输时刻发送信息的节点,来满足这一约束条件。另一方面,本文还采用了基于模型的结构来减少占用网络传输信息的时间。延时在网络中是普遍存在的,形成的原因包括节点的驱动时序,等待发送信息所消耗的时间,传输所消耗的时间等。针对通信约束,本文讨论了调度策略的设计;针对延时,本文讨论了对传统的Lyapunov-Krasovskii泛函的一种改进方法。主要内容如下。首先,讨论了一族系统在通信约束下抑制最大状态至调度策略的设计。每个系统的控制器和被控对象通过网络相连。网络被建模成一组表示回路开闭的二值开关。由于通信约束的作用,任何时候只能有一个开关保持闭合,亦即只能有一个系统保持闭环。为了选择适当的系统保持闭环,本文讨论了抑制最大状态至调度策略,这种调度策略选择状态最大的系统保持闭环。为了刻画状态的大小,使用的是其范数。已有结论是基于状态的加权范数。本文研究了抑制最大状态至调度策略基于状态的任意范数的情况。虽然在讨论渐近稳定性时,采用不同的范数是等价的,但是根据不同范数所计算出来的调度策略是不同的。第二,讨论了时间触发模式下的最大误差优先调度策略的设计。这里,所有的节点在某些待指定的离散时刻通过网络发送信息。发送的信息用零阶保持器保持,直到下次更新。各个节点的误差被定义为该节点当前实际的状态值和上次该节点通过网络发送的状态值之间的差值。在发送时刻选择误差最大的节点优先发送信息,其他节点的信息则要等待下一个发送时刻来确定是否进行发送。对发送时刻的确定使用了一种时间触发的方式。发送时刻之间的间隔越长,表示通信开销越小。因此发送时刻的最大间隔是一个重要的待设计参数。本文在已有结论的基础上,给出了保证系统稳定的最大间隔的更好的估计,并通过仿真验证了结论的优越性。第三,讨论了事件触发模式下的调度策略的设计。为减少网络通信,同时在控制器端引入一个模型来对被控对象的状态进行估计,这个估计所得到的状态代替被控对象真实的状态被用来计算控制信号。仅在离散的时刻点,模型的状态通过由网络传输过来的被控对象的状态进行更新。这些离散的时刻点由事件触发的方式决定,即当模型的状态与被控对象的状态之间的误差大于某一个指定的水平时,进行更新。本文讨论了一族挂载在网络上的系统的同时稳定问题。在通信约束下,针对用于更新的被控对象的状态值不能完全传到模型的情况,给出了触发事件的描述,并讨论在这种框架下系统保持稳定的条件。第四,讨论了网络控制系统中延时的处理。讨论的是一个经典的两个倒立摆通过一根弹簧耦合的系统,这是分布式控制技术中的一个典型的实验对象。本文分析了此系统的稳定性及H∞性能,并给出控制器设计的方案。所使用的工具是Lyapunov-Krasovskii泛函。在计算此泛函对时间的导数时,会出现一些二次积分项,为保证负定性,需要对其进行估计。本文使用配方法进行这种估计,并将此方法与Jessen不等式方法进行了比较。
【关键词】：网络控制系统 通信约束 调度策略 基于模型的结构 网络延时
【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】：2015
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-33
• 1.1 课题的背景及意义14-19
• 1.1.1 分布式控制理论的发展14-17
• 1.1.2 网络技术和智能传感器技术的兴起17-19
• 1.2 网络控制系统的基本问题19-23
• 1.2.1 延时19-20
• 1.2.2 通信约束20-21
• 1.2.3 丢包和错序21-22
• 1.2.4 量化误差22
• 1.2.5 变采样传输间隔22-23
• 1.3 网络控制系统研究现状23-30
• 1.3.1 调度策略23-27
• 1.3.2 基于模型的结构27-29
• 1.3.3 网络诱导延时29-30
• 1.4 本文的主要内容30-33
• 第2章 受限通信媒介下的CLS- 调度策略的设计33-44
• 2.1 引言33-34
• 2.2 问题的提出34-36
• 2.3 CLS- 调度策略36-40
• 2.3.1 标量系统37-39
• 2.3.2 多变量系统39-40
• 2.4 算例40-43
• 2.5 小结43-44
• 第3章 时间触发模式下的MEF调度策略的设计44-65
• 3.1 引言44-45
• 3.2 问题的提出45-50
• 3.3 时间触发模式下的MEF调度策略50-52
• 3.4 网络控制系统的Lp特性52-56
• 3.5 网络控制系统的渐近稳定性56-58
• 3.6 算例58-63
• 3.6.1 批反应器59-61
• 3.6.2 自动蒸汽涡轮机61-63
• 3.7 小结63-65
• 第4章 事件触发模式下调度策略的设计65-94
• 4.1 引言65-66
• 4.2 问题的提出66-69
• 4.3 MEF调度策略69-72
• 4.4 传输时刻分析72-75
• 4.4.1 传输间隔的下界72-75
• 4.4.2 关于初值的讨论75
• 4.5 互联系统中的调度策略描述75-76
• 4.6 调度策略的设计76-85
• 4.7 算例85-90
• 4.7.1 空间站85-87
• 4.7.2 互联系统87-90
• 4.8 小结90-94
• 第5章 延时网络控制系统的稳定性分析94-112
• 5.1 引言94-95
• 5.2 问题的提出95-100
• 5.2.1 未网络化的初始系统95-98
• 5.2.2 网络化系统98-100
• 5.3 稳定性分析100-103
• 5.4 H_∞ 性能分析及H_∞控制器设计103-107
• 5.5 算例107-108
• 5.6 小结108-112
• 结论112-114
• 参考文献114-125
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果125-127
• 致谢127-128
• 个人简历128

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本文编号：369359