通信帶寬受限的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計.docx

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1、前言在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，由通信網(wǎng)絡(luò)連接傳感器、控制器和執(zhí)行器而形成的閉環(huán)系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有許多的優(yōu)勢，如可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享、安裝與維護(hù)簡單、有效減少系統(tǒng)的體積、增加系統(tǒng)的可靠性等。但是通信網(wǎng)絡(luò)的引入也給系統(tǒng)的分析與設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包傳輸時序錯亂、通道傳輸時延、通信帶寬限制等?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中的結(jié)果主要考慮了具有時延及丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)反饋控制問題。然而，對于具有通信帶寬限制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)反饋控制問題還沒有得到充分考慮。本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，把信息理論作為一個有力的技術(shù)

2、工具，研究了具有通信限制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)反饋控制問題，分析了在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中控制性能與通信代價之間的優(yōu)化設(shè)計問題，提出了具有通信帶寬限制的網(wǎng)絡(luò)控制問題的一套新的分析方法。研究了同時具有通信帶寬限制和數(shù)據(jù)包丟失兩個特征的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可鎮(zhèn)定性問題。其中，采用了一個自適應(yīng)差分編碼技術(shù)和一個預(yù)測控制策略，并且給出了一個確保開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)均方可鎮(zhèn)定的最小傳輸速率。另外，研究了具有通信帶寬限制的參數(shù)不確定系統(tǒng)魯棒可鎮(zhèn)定性問題。為了解決多維不確定系統(tǒng)特征值分解和傳輸速率分配問題，提出了一個時變遞歸分配算法，并給出了確保參數(shù)不確定系統(tǒng)魯棒可鎮(zhèn)定

3、的充分條件。針對網(wǎng)絡(luò)具有通信帶寬限制這一情況，研究了具有傳輸速率限制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)線性二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制問題，并給出了一個能夠清楚地反映出線性二次型性能指標(biāo)與反饋鏈接傳輸狀態(tài)信息的速率之間關(guān)系的優(yōu)化公式。最后，研究了在通信帶寬受限情況下單輸入單輸出線性時不變系統(tǒng)的量化反饋控制問題。下面詳細(xì)介紹本文的主要工作。第1、2章系統(tǒng)地分析和總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)這一前沿研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及研究方法，并給出了與本文相關(guān)的一些預(yù)備知識。第3章研究了線性時不變系統(tǒng)的可鎮(zhèn)定性問題。其中，假設(shè)傳感器與控制器在地理上是分離的，并通過一個具有通信帶寬

4、限制、有噪聲的數(shù)字通信通道連接。數(shù)據(jù)包丟失過程被看作是一個時齊馬爾可夫過程。本章采用了一個自適應(yīng)差分編碼技術(shù)和一個預(yù)測控制策略，給出了一個確保開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)均方可鎮(zhèn)定的最小傳輸速率。本章結(jié)果表明，對于沒有干擾輸入的系統(tǒng)，確保系統(tǒng)均方可鎮(zhèn)定的充分條件是：傳輸速率要大于一個給定的下界；然而，對于一個有干擾輸入的系統(tǒng)，確保系統(tǒng)均方可鎮(zhèn)定的充分條件可以分解成兩項(xiàng)：一項(xiàng)是與傳輸速率有關(guān)的條件，另一個是與馬爾可夫鏈的轉(zhuǎn)移概率有關(guān)的條件。通過仿真例子也驗(yàn)證了所提出方法的優(yōu)越性。第4章研究了在傳輸速率受限情況下，參數(shù)不確定系統(tǒng)的魯棒可鎮(zhèn)定性問

5、題。對于一個多維不確定系統(tǒng)，特征值分解和傳輸速率分配問題是一個不得不面對的問題。為了解決這個問題，本章提出了一個時變遞歸分配算法，證明了確保閉環(huán)系統(tǒng)魯棒可鎮(zhèn)定的充分條件，并且給出了一個確保存在量化、編碼和控制策略來穩(wěn)定參數(shù)不確定系統(tǒng)的傳輸速率下界。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出策略的有效性。第5章研究了隨機(jī)離散時間、線性時不變系統(tǒng)的線性二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制問題。其中，假設(shè)傳感器與控制器在地理上是分離的，經(jīng)過一個具有通信帶寬限制、無噪聲的通信通道連接。系統(tǒng)狀態(tài)的量化與編碼采用一個自適應(yīng)差分編碼技術(shù)。本章給出了在傳輸速率受限情況下，一個可

6、以計算得到的最優(yōu)線性二次型性能指標(biāo)，證明了與傳輸速率有關(guān)的、確保系統(tǒng)可鎮(zhèn)定的充分條件，并且給出了一個能夠清楚反映出線性二次型性能指標(biāo)和信道傳輸速率之間關(guān)系的優(yōu)化公式。數(shù)值例子也驗(yàn)證了所提出方法的有效性。第6章研究了一個單輸入單輸出、線性時不變系統(tǒng)的量化輸出反饋控制問題。其中，傳感器與控制器通過一個傳輸速率受限、無損失的數(shù)字通信通道連接。這里的主要目標(biāo)就是要給出一個傳輸速率下界，當(dāng)反饋鏈接傳輸系統(tǒng)測量輸出信息的速率大于這個下界時，一定存在一個量化、編碼和控制策略，不僅能夠確保開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)的可鎮(zhèn)定性，而且還可以獲得一個給定的控制

7、性能指標(biāo)。本章基于測量輸出的概率分布和系統(tǒng)的動態(tài)性，提出了一個新的量化和編碼方法。其中的證明技術(shù)不僅依賴于控制理論工具，還依賴于信息理論工具。數(shù)值例子進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出策略的有效性。第7章研究了在傳輸速率限制情況下，隨機(jī)時不變系統(tǒng)的量化反饋控制的問題。特別地，具有信道傳輸時間延遲的情況被考慮。雖然已經(jīng)有了一些關(guān)于傳輸速率受限下LQG控制的研究成果，但是大部分都沒有考慮具有時間延遲的情況。為了解決這個問題，提出了一個自適應(yīng)差分編碼和預(yù)測控制策略來確定系統(tǒng)的控制性能。這里采用的編碼技術(shù)結(jié)合了差分編碼、自適應(yīng)編碼、最小傳輸速率定理等

8、技術(shù)方法。與以往的結(jié)果不同的是，考慮了一個傳輸速率受限，且具有傳輸時間延遲的信道，給出了一個量化、編碼和控制策略來確保系統(tǒng)的控制性能之間的平衡關(guān)系。結(jié)果表明：時間延遲對確保系統(tǒng)可鎮(zhèn)定的傳輸速率下界沒有影響；更大的傳輸速率可獲得更好的控制性能；更多的時間延遲將導(dǎo)致控制性能下降。