考虑时延与丢包的网络控制系统分析与综合

针对具有时变网络诱导时延和丢包问题的网络控制系统稳定性分析与控制器设计问题,通过考虑网络诱导时延是时变和有界的情形,并分析网络诱导时延与其上界之间的关系,应用Lyapunov-Krasovskii泛函结合积分不等式方法,提出了一种改进的、同时考虑了网络诱导时延和丢包问题的网络控制系统稳定条件,并基于改进的锥补线性化迭代算法（improved cone complementary linearization, ICCL）给出了一种具有更低保守性的控制器设计方法。数值实例表明上述方法的有效性。     

具有时变时延和丢包的网络控制系统H∞优化控制

研究了一类存在时变时延和丢包的网络控制系统(networked control systems, NCS )的H∞优化控制问题。当网络时延和连续丢包有界时,NCS被建模为等效的具有时变时滞的系统,利用Lvapunov Krasovskii泛函和线性矩阵不等式方法,在NCS渐近稳定的基础上给出NCS状态反馈次优和最优H∞控制律的设计方法,求解时不需要使用重复迭代,设计控制器时也无须知道调节参数。仿真表明了此方法的可行性和有效性。     

单输入网络化控制系统的时延补偿滑模控制

针对网络化控制系统中存在的网络诱导时延问题,提出了一种离散滑模控制方法。基于一类线性时不变被控对象的单输入网络化控制系统离散模型,构造了具有时延补偿的滑模面。通过系统状态预估及对状态运动的分析,设计了可以完全消除系统抖振的滑模控制器。李亚普诺夫方法证明了该控制器能使系统状态在不产生抖振的前提下收敛于滑模面,并保证系统的渐近稳定,同时不要求网络诱导时延小于一个采样周期。以位置伺服系统为对象的仿真实例验证了该设计方法的有效性。     

基于变采样周期方法的网络控制系统协同设计

提出了一种基于变采样周期的动态调度策略,通过实时调整控制系统的采样周期以适应网络中信息流的变化,改善网络中时延、丢包等问题.采用动态调度策略的NCS为一个变采样周期系统,考虑时延的影响,通过等效变换将时延和采样周期的不确定性转化为系统参数的不确定性,从而将NCS建模为一类具有参数不确定性的离散时间系统,并给出了系统D-稳定的控制器设计方法,实现NCS的控制与调度协同设计.最后通过数值仿真验证了所提出的方法的有效性.     

一类不确定时延的NCS的保性能控制律设计

采用工业通信网络的网络控制系统（networked control systems,NCS）具有开放性、速度快和强大的软硬件技术支持等优势,但不确定的网络时延对系统的稳定性和控制性能有着很大的影响。在实际的NCS中,不仅要求NCS稳定运行,而且还要求NCS满足一定的性能指标;同时,采用状态反馈是兼顾系统性能和敏感性的最有效的控制方式。针对一类具有不确定时延的状态反馈NCS,建模为不确定的线性时滞系统,利用Lyapunov理论和线性矩阵不等式（linear matrix inequality, LMI）方法研究NCS的保性能控制问题,给出NCS保性能控制律存在的条件和设计方法,最优保性能控制律的设计。     

长时延闭环网络控制系统稳定性分析与H∞控制器设计

研究了传感器、执行器为时钟驱动,控制器为事件驱动,网络诱导时延大于一个采样周期的网络(NCS)的稳定性问题。首先将NCS视为时变时滞系统,然后利用Lyapunov-Krasovskii V泛函方法,在处理V导数的时候,不进行放大估计,而是通过引入一些恰当的零项,构造出LMI,得到了闭环系统渐近稳定的一个充分条件,并给出了系统H∞控制器的设计方法。Matlab仿真算例说明了本文方法和结果的有效性。     

有时延和数据包丢失的网络控制系统反馈控制

针对同时具有网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统,假设数据包丢失率一定,网络诱导时延小于一个采样周期,将网络控制系统建模为具有事件率约束的异步动态系统。提出了使得该系统达到指数稳定的动态输出反馈控制器的设计方法。利用遗传算法获得了NCS的事件衰减率的局部极大值。通过仿真算例证明了该方法的有效性。     

非线性网络控制系统的T-S模糊H∞控制与数值仿真

研究了一类非线性网络控制系统的控制和数值仿真问题.首先建立了非线性网络控制系统的连续时间T-S模糊模型.然后基于时变网络诱导时滞,分别设计了系统在无外部干扰和有外部干扰两种情形下的模糊控制器,同时以线性矩阵不等式(LMIs)的形式给出了控制器存在的充分条件.最后通过数值仿真验证了以上两种情形下控制器的有效性.     

随机时延网络控制系统的鲁棒H∞状态反馈控制

研究了含有双随机时延的不确定网络控制系统的鲁棒H_∞状态反馈控制问题。将传感器到控制器和控制器到执行器的网络时延建模为相互独立的连续时间离散状态的马尔可夫随机过程。基于此网络环境,构造时延依赖的控制器,将不确定网络控制系统转化为马尔可夫跳变系统。通过Lyapunov Krasovskii泛函方法和新的矩阵不等式技术,给出了系统随机稳定且满足H_∞性能的充分条件,并以矩阵不等式形式给出了相应的控制器设计方法。最后,给出了仿真算例,验证了该方法的有效性。     

基于LS-SVM的网络化控制系统自适应预测控制

针对网络化控制系统（NCS）中的随机时变时延,提出了一种用最小二乘支持向量机（LS-SVM）预估网络时延的方法。先将网络时延建模为非线性时间序列,再用径向基函数（RBF）作为LS-SVM的核函数,建立了网络控制系统的时延预测模型,然后用该模型预估的时延作为控制器的参数,对网络化控制系统的时延进行补偿和预测控制。仿真结果表明提出的时延预测方法,对网络控制系统的随机时变时延有较高的预测精度,根据该时延设计的控制器能使系统的输出很好地跟踪期望的输出。     

基于T-S模糊模型的网络控制系统鲁棒H∝容错控制

针对同时存在网络时延和数据包丢失的网络环境,研究了执行器故障下一类非线性网络控制系统的鲁棒H_∞容错控制问题。基于不确定T-S模糊模型描述的非线性网络控制系统模型,考虑了更实际、更常见的执行器部分失效情况。通过引入一个积分不等式,获得了此类系统的时滞相关鲁棒稳定性条件,且采用锥补线性化算法给出了此类系统的鲁棒H_∞容错控制器设计方法。仿真算例表明,对于任意容许的不确定性以及执行器故障,所设计的控制器能使系统鲁棒渐近稳定,且具有H_∞范数界。       

网络控制系统的事件触发与量化控制协同设计

针对资源受限的离散时间网络控制系统,提出一种基于性能优化的事件触发和量化控制协同设计方法。该方法主要通过事件触发降低网络带宽占用,采用带有缩放因子的动态量化器降低量化误差的影响,并将该网络控制系统建模成具有不确定参数的离散时间切换系统;根据稳定性和二次性能指标要求,利用分段李雅普诺夫函数和线性矩阵不等式技术将性能指标最优问题转化为具有矩阵不等式约束的优化问题,给出了保证系统渐近稳定且二次性能指标最小的事件触发器参数、动态量化器可调参数及控制器增益协同设计方法。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性。     

有数据包丢失的网络控制系统H∞状态反馈控制

研究了有数据包丢失的网络控制系统H∞状态反馈控制问题。考虑网络控制系统中存在数据包丢失的情况,丢包过程建模为有限状态的马尔可夫过程。在此模型的基础上,利用马尔可夫跳变线性系统的理论和线性矩阵不等式方法,给出了保持系统均方稳定且满足H∞性能的控制器存在的充分条件,并给出了相应的控制器设计方法。最后数例仿真结果表明了控制器设计方法的有效性。     

网络化控制系统观测器/控制器集成设计方法

针对一类网络化控制系统,提出一种输出反馈控制的新方法--观测器/控制器集成设计。该方法借助状态观测器重构系统状态,设计输出反馈控制器,将闭环系统建模为一类混杂系统。利用Lyapunov-Krasovskii泛函方法,以线性矩阵不等式（linear matrix inequality, LMI）形式给出了闭环系统的稳定性判据以及观测器/控制器的集成设计方法。仿真算例说明了所提出的方法简单、有效且易于实现。     

Uniformed model of networked control systems with long time delay

Feedback control systems wherein the control loops are closed through a real-time network are called networked control systems （NCS）. The defining feature of an NCS is that information is exchanged using a network among control system components. Two new concepts including long time delay and short time delay are proposed. The sensor is almost always clock driven. The controller or the actuator is either clock driven or event driven. Four possible driving modes of networked control systems are presented. The open loop mathematic models of networked control systems with long time delay are developed when the system is driven by anyone of the four different modes. The uniformed modeling method of networked control systems with long time delay is proposed. The simulation results are given in the end.     

基于模型的网络控制系统设计:切换控制的平均驻留时间法

利用平均驻留时间方法对基于模型的网络控制系统(model based networked control system,MB NCS)进行了研究。MB NCS由于能够在保证系统性能的前提下有效地减少系统对网络带宽的占用,自提出以来就受到了学者的广泛关注。首先总结了网络控制系统中常用的几种减少网络带宽占用的策略;其次,将基于模型的网络控制系统建模为切换系统,并在所建立的切换系统模型的基础上,利用平均驻留时间方法给出了使得此切换系统稳定的充分条件;最后,借助Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)方法设计了使得此系统稳定的控制器,并且通过仿真验证了所提出方法的有效性。     

H_∞-based fault detection for nonlinear networked systems with random packet dropout and probabilistic interval delay

The fault detection problem for the nonlinear networked control system(NCS) with packet dropout and delay is investigated.A nonlinear stochastic system model is proposed to account for the NCS with random packet dropout and networkinduced non-uniformly distributed time-varying delay in both from sensor to controller(S/C) and from controller to actuator(C/A).Based on the obtained NCS model,employing an observer-based fault detection filter as the residual generator,the addressed fault detection problem is converted into an auxiliary nonlinear H∞ control problem.Then,with the help of Lyapunov functional approach,a sufficient condition for the desired fault detection filter is constructed in terms of certain linear matrix inequalities,which depend on not only the delay interval but also the delay interval occurrence rate and successful packet communication rate.Especially,a trade-off phenomenon between the maximum allowable delay bound and successful data packet transmission rate is found,which is typically resulted from the limited bandwidth of communication networks.The effectiveness of the proposed method is demonstrated by a simulation example.     

基于观测器的网络化控制系统故障诊断方法

在网络中,由于信息的碰撞、重发而产生的网络延迟对控制系统本身带来了负面影响。针对网络化控制系统(networkedcontrolsystem,NCS)的随机延时,在事件驱动的执行器结点设置计时器和接收缓存区,在线获得了延时数据,建立了NCS的数学模型。通过增广模型法和等同输入法构建了两种观测器,从而产生残差,对网络化系统的控制故障进行了诊断,并提供了仿真结果。     

基于预测控制的NCS时延补偿算法

针对网络控制系统(networked control system, NCS)中随机时延导致系统性能下降的问题,利用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)的最小二乘支持向量机(least square support vector machine, LS-SVM)建立NCS中随机时延预测模型,精确预测未来时刻的时延;同时利用该预测算法预测的时延通过快速隐式广义预测控制算法对NCS随机时延进行补偿。仿真结果表明,PSO优化的LS-SVM算法对随机时延具有较高的预测精度,同时快速隐式广义预测控制算法可使系统的输出很好地跟踪参考轨迹,保证系统良好的控制效果。     

基于无线传输的非线性网络控制系统的模糊控制

考虑控制器与被控对象之间采用无线传输,且被控对象为非线性模型的一类网络控制系统,对其设计了稳定的模糊控制器。首先基于T-S模糊模型将对象线性化,并利用模糊主导子系统和主导控制规则,简化了模糊控制器的设计。其次,将闭环控制系统方程等效为与无线传输跳数相关的离散切换系统,并证明了闭环系统的稳定性。最后,通过一个仿真例子验证了文中方法的有效性。

Abstract：

Considering a class of networked control systems using wireless transmission between the controller and the controlled object,and with nonlinear controlled object,the stable fuzzy controller was designed.Firstly,based on T-S fuzzy model,the object was linearized.And the design of the fuzzy controller was simplified by using the fuzzy dominant subsystem and the dominant control rule.Secondly,the equation of the closed-loop control system was equal to the discrete switched system related to the hop count of the wireless transmission.Finally,a simulation example was given to demonstrate the effectiveness of the proposed method.