基于事件触发机制的线性网络控制系统设计与分析

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近年来,随着数字技术、通信工程、控制科学和计算机技术等学科的不断发展与融合,网络化控制系统(Networked control systems,NCSs)成为了综合自动化技术发展的必然趋势。网络化控制系统是一种通过通讯网络将系统的传感器、控制器、执行器等部件连接起来的闭环分布式控制系统,具有易于拓展及维护等优点。但随着控制规模的增大,节点数目的增加,在网络的承载能力和通讯带宽有限的现状下,必然会造成数据包拥堵、丢失及重传等现象,导致控制系统性能下降甚至系统失稳的情况。传统的时间触发控制方式周期性地执行控制任务会造成能源及带宽的浪费,因此,从节约带宽和提高资源利用率两方面考虑,使得基于事件触发机制的网络控制系统研究得到了越来越多的关注。基于事件触发机制,本文就控制可靠性、降低保守性及安全性等方面对网络控制系统进行了设计及稳定性分析。具体包括以下几个方面内容:首先,针对具有时变时延的网络控制系统,为了更好的减少数据包发送数量和降低保守性,我们引入了一种更为先进的事件触发算法,相较于传统的事件触发算法,该算法加入了含有加权参数的对角矩阵,矩阵中的每个元素可以赋予状态分量不同的权值,从而利用了系统更多信息,在一定程度上降低了保守性;在控制器设计方面,为保证系统更加可靠、平稳的运行,考虑到可能存在的执行器故障,设计了可靠控制器,该控制器可以容忍一定程度的执行器故障。最后借助Lyapunov稳定性理论及线性矩阵不等式技术分析了系统的稳定性及H_?性能。其次,将时变采样控制系统建模成状态延迟系统,然后基于非周期采样引入改进的事件触发算法,该算法在降低保守性方面有其一定的优势,同时,在改变事件触发算法中含有加权参数矩阵的不同元素及相应触发参数后,该算法可以更好地减少数据包在网络中的传输数量。稳定性分析中选择离散的Lyapunov-Krasovskii泛函,该泛函利用了系统中的更多原有信息,从而使系统具有更小的保守性。在利用李雅普诺夫稳定性理论进行稳定性分析中,我们采用改进型的Jason不等式,同时加入了自由权矩阵的方法等等。最后利用线性矩阵不等式工具对系统进行若干仿真,验证所提方案的有效性。最后,针对多区域负荷频率控制系统,完成了动态模型到状态空间模型的建立。考虑到安全控制问题,引入周期DoS攻击并建立了最终的切换系统模型;考虑到带宽资源有限的现状而引入离散事件触发机制完成控制方案设计。最后利用李雅普诺夫稳定性理论及线性矩阵不等式知识对系统进行稳定性分析。
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