网络控制系统稳定性研究
摘 要本文所研究的是对于网络控制系统的事件触发的动态输出反馈控制器。随着通信网络的发展，将通信网络引入控制系统，已成为近些年来的发展趋势。将通信网络引入控制系统有很多的优点，例如：可以使系统易于安装降低系统成本。但网络通信控制系统受到带宽的限制，当大量数据包通过通信网络时会造成丢包，使得系统性能下降甚至是不稳定，因此为解决这一问题，采用了事件触发机制。通过引入基于离散事件触发机制的输出，对系统的可测量输出信号进行周期性的采样，来选择满足触发条件的采样数据包。选定的数据包通过通信网络传输给临界保持器，临界保持器作为驱动，为控制器提供了设计所需的输入信号，控制器对输入的信号进行设计。在事件触发机制下，首先将所得的闭环系统被建模成线性时变迟滞系统，应用李雅普诺夫函数法新的稳定标准被建立，基于这个新的标准，可以共同设计出满意的动态输出反馈控制系统和事件触发参数 ，最后利用卫星模型来验证这一新的方法的有效性。
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 控制理论的发展 1
1.2线性矩阵不等式（LMI）简介 1
1.3网络控制系统问题的引入 2
第2章 网络控制系统的各部分的描述 7
2.1系统 7
2.2采样器 7
2.3事件触发 8
2.4 通信网络 8
2.5临界保持器 9
2.6动态输出反馈控制 9
第3章 对于网络控制系统的事件触发动态输出反馈控制的稳定性分析 13
3.1事件触发动态输出反馈的问题 13
3.2事件触发的闭环系统的稳定分析 14
3.3事件触发动态输出反馈设计 17
第4章 网络控制系统稳定性验证 25
4.1 卫星控制系统模型的建立 25
4.2 设计卫星控制系统的动态输出反馈 26
第5章 总结与展望 30
5.1总结 30
5.2 展望 30
致 谢 32
参考文献 33
第1章 绪论
1.1 控制理论的发
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展
控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面，从生活中常见的马桶水箱水位问题，洗衣机，太阳能热水器，到工程中的自动车床，在到航天飞船、卫星，无不体现了控制工程的应用。
经典控制理论在20世纪30到40年代开始形成，奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理论的初步形成奠定了基础，1948年维纳提出了《控制论》，至此形成了完整的控制理论体系——以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设计问题[1]。所用的方法是频率法，根轨迹法和相平面法。其能很好的解决单输入单输出的线性定常系统问题，但其很难解决非线性时变系统。
20世纪50至60年代，随着航天技术的发展，第二代控制理论现代控制理论问世，其中包括了以状态为基础的状态空间法，运动规划法，极小值原理以及卡尔曼滤波器。状态空间法可以解决多输入多输出问题，将经典控制理论的高阶微分方程转化为一阶微分方程，系统由仅仅局限于单输入但输出线性定常系统，扩展到非线性，多输入多输出系统。
20世纪70年代开始，随着计算机技术的不断发展，出现了许多已计算机控制为代表的自动化技术，自动控制研究也出现了很多的分支如：自适应控制，混杂控制，模糊控制，以及神经网络控制。目前，控制论正朝着控制论、信息论、和伪生学为基础的智能控制理论方向深入。
回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代[2]。
1.2线性矩阵不等式（LMI）简介
线性矩阵不等式（LMI）工具箱是求解一般线性矩阵不等式问题的一个高性能软件包。由于其面向结构的线性矩阵不等式表示方式，使得各种线性矩阵不等式能够以自然块矩阵的形式加以描述。一个线性矩阵不等式问题一旦确定，就可以通过调用适当的线性矩阵不等式求解器来对这个问题进行数值求解。
LMI工具箱提供了确定、处理和数值求解线性矩阵不等式的一些工具，它们主要用于：
①以自然块矩阵形式来直接描述线性矩阵不等式；
② 获取关于现有的线性矩阵不等式系统的信息；
③修改现有的线性矩阵不等式系统；
④求解三个一般的线性矩阵不等式问题；
⑤验证结果[3]。
1.3网络控制系统问题的引入
近些年来随着通信网络的迅速发展，其被广泛应用于各个领域。将通信网络引入控制系统能够减少系统的成本，易于系统的安装和维护，因其有诸多优点因此通信网络控制系统得到了广泛的关注。虽然其具有优点，但由于受到带宽的限制，当大量的数据包在某一时间段通过通信网络时，会造成数据包延迟、丢失或者乱序，这会造成系统的性能下降甚至导致系统不稳定。近些年来，已经在有关网络控制系统稳定性的分析和控制方面做了大量的工作，有关这方面的知识可参考[410]。
利用通信网络使信息和闭环系统成为闭环的反馈控制系统叫做网络控制系统。网络控制系统是空间分布式系统的量之间的通信传感器，执行器和控制器是支持一个共享通信网络。其图如下所示，使用多功能共享网络的连接空间分布，会使系统的架构灵活，降低安装和维护成本。因此，网络控制系统已经得到的应用。
图1.1 网络控制结构
将通信网络引入控制系统，对于连续的系统而言，信号被周期采样后通过通信网络传输到控制器。在实践中，通信，尤其是无线通信，放置在其中的数据是网络中的离散的数据包，这些分组可能会在在通信过程中会丢失。此外，通信介质是一个资源，这种资源的利用通常是相互排斥的方式。这意味着，其承载信息的能力是有限的。通信资源会受到带宽的限制，任何通信网络能在单位时间能携带信息是有限数量的。
在许多应用中，这种限制对网络控制系统的操作存在显著的约束。通过求最高位的结果的启发，确定最低的位速率可以使通信信道可变的可靠。要发送连续时间信号通过网络，信号必须被采样，编码的数字格式，在网络上传输，和最后数据必须在接收机侧解码。这个过程明显不同于平常的定期抽样的数字控制。总的延迟采样和最终解码的接收机之间可以是高度可变的，因为这两个网络访问延迟（即，它需要一个共享的网络的时间接受数据）与传输延迟（即，在时间在此期间，数据在传输过程中的网络内部）取决于高度变化的网络条件如拥塞和信道质量。
丢包也是网络控制系统会出现的情况，通常情况下，数据包丢失，是在在网络链路传输过程中出现错误（无线比有线网络更常见）或从缓冲区溢出由于拥塞。延迟有时会导致数据包重新排序相当于一个包丢失[4]。
因此当网络控制系统传输过程中出现以下情况，网络传输的的优点将体现不出来，一：采样周期短，大量的采样信号包将要通过网络控制系统传输，这将会使通信网络过载，导致更长的延迟时间造成数据包的丢失，不可避免的导致系统系能下降，甚至不稳定；二：在某些时间间隔内，对于系统的测量信号波动范围很小，大量的信号包不必通过通信网络传输给控制器。将事件触发机制引入实时控制系统，可以有效的减少数据包的传输，通信资源得以有效的利用同时闭环系统的性能也不会收到影响[11]。
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 控制理论的发展 1
1.2线性矩阵不等式（LMI）简介 1
1.3网络控制系统问题的引入 2
第2章 网络控制系统的各部分的描述 7
2.1系统 7
2.2采样器 7
2.3事件触发 8
2.4 通信网络 8
2.5临界保持器 9
2.6动态输出反馈控制 9
第3章 对于网络控制系统的事件触发动态输出反馈控制的稳定性分析 13
3.1事件触发动态输出反馈的问题 13
3.2事件触发的闭环系统的稳定分析 14
3.3事件触发动态输出反馈设计 17
第4章 网络控制系统稳定性验证 25
4.1 卫星控制系统模型的建立 25
4.2 设计卫星控制系统的动态输出反馈 26
第5章 总结与展望 30
5.1总结 30
5.2 展望 30
致 谢 32
参考文献 33
第1章 绪论
1.1 控制理论的发
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
展
控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面，从生活中常见的马桶水箱水位问题，洗衣机，太阳能热水器，到工程中的自动车床，在到航天飞船、卫星，无不体现了控制工程的应用。
经典控制理论在20世纪30到40年代开始形成，奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理论的初步形成奠定了基础，1948年维纳提出了《控制论》，至此形成了完整的控制理论体系——以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设计问题[1]。所用的方法是频率法，根轨迹法和相平面法。其能很好的解决单输入单输出的线性定常系统问题，但其很难解决非线性时变系统。
20世纪50至60年代，随着航天技术的发展，第二代控制理论现代控制理论问世，其中包括了以状态为基础的状态空间法，运动规划法，极小值原理以及卡尔曼滤波器。状态空间法可以解决多输入多输出问题，将经典控制理论的高阶微分方程转化为一阶微分方程，系统由仅仅局限于单输入但输出线性定常系统，扩展到非线性，多输入多输出系统。
20世纪70年代开始，随着计算机技术的不断发展，出现了许多已计算机控制为代表的自动化技术，自动控制研究也出现了很多的分支如：自适应控制，混杂控制，模糊控制，以及神经网络控制。目前，控制论正朝着控制论、信息论、和伪生学为基础的智能控制理论方向深入。
回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代[2]。
1.2线性矩阵不等式（LMI）简介
线性矩阵不等式（LMI）工具箱是求解一般线性矩阵不等式问题的一个高性能软件包。由于其面向结构的线性矩阵不等式表示方式，使得各种线性矩阵不等式能够以自然块矩阵的形式加以描述。一个线性矩阵不等式问题一旦确定，就可以通过调用适当的线性矩阵不等式求解器来对这个问题进行数值求解。
LMI工具箱提供了确定、处理和数值求解线性矩阵不等式的一些工具，它们主要用于：
①以自然块矩阵形式来直接描述线性矩阵不等式；
② 获取关于现有的线性矩阵不等式系统的信息；
③修改现有的线性矩阵不等式系统；
④求解三个一般的线性矩阵不等式问题；
⑤验证结果[3]。
1.3网络控制系统问题的引入
近些年来随着通信网络的迅速发展，其被广泛应用于各个领域。将通信网络引入控制系统能够减少系统的成本，易于系统的安装和维护，因其有诸多优点因此通信网络控制系统得到了广泛的关注。虽然其具有优点，但由于受到带宽的限制，当大量的数据包在某一时间段通过通信网络时，会造成数据包延迟、丢失或者乱序，这会造成系统的性能下降甚至导致系统不稳定。近些年来，已经在有关网络控制系统稳定性的分析和控制方面做了大量的工作，有关这方面的知识可参考[410]。
利用通信网络使信息和闭环系统成为闭环的反馈控制系统叫做网络控制系统。网络控制系统是空间分布式系统的量之间的通信传感器，执行器和控制器是支持一个共享通信网络。其图如下所示，使用多功能共享网络的连接空间分布，会使系统的架构灵活，降低安装和维护成本。因此，网络控制系统已经得到的应用。
图1.1 网络控制结构
将通信网络引入控制系统，对于连续的系统而言，信号被周期采样后通过通信网络传输到控制器。在实践中，通信，尤其是无线通信，放置在其中的数据是网络中的离散的数据包，这些分组可能会在在通信过程中会丢失。此外，通信介质是一个资源，这种资源的利用通常是相互排斥的方式。这意味着，其承载信息的能力是有限的。通信资源会受到带宽的限制，任何通信网络能在单位时间能携带信息是有限数量的。
在许多应用中，这种限制对网络控制系统的操作存在显著的约束。通过求最高位的结果的启发，确定最低的位速率可以使通信信道可变的可靠。要发送连续时间信号通过网络，信号必须被采样，编码的数字格式，在网络上传输，和最后数据必须在接收机侧解码。这个过程明显不同于平常的定期抽样的数字控制。总的延迟采样和最终解码的接收机之间可以是高度可变的，因为这两个网络访问延迟（即，它需要一个共享的网络的时间接受数据）与传输延迟（即，在时间在此期间，数据在传输过程中的网络内部）取决于高度变化的网络条件如拥塞和信道质量。
丢包也是网络控制系统会出现的情况，通常情况下，数据包丢失，是在在网络链路传输过程中出现错误（无线比有线网络更常见）或从缓冲区溢出由于拥塞。延迟有时会导致数据包重新排序相当于一个包丢失[4]。
因此当网络控制系统传输过程中出现以下情况，网络传输的的优点将体现不出来，一：采样周期短，大量的采样信号包将要通过网络控制系统传输，这将会使通信网络过载，导致更长的延迟时间造成数据包的丢失，不可避免的导致系统系能下降，甚至不稳定；二：在某些时间间隔内，对于系统的测量信号波动范围很小，大量的信号包不必通过通信网络传输给控制器。将事件触发机制引入实时控制系统，可以有效的减少数据包的传输，通信资源得以有效的利用同时闭环系统的性能也不会收到影响[11]。
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