基于采样系统的网络控制系统的分析与设计

For a general networked control system, a nonlinear sampled-data system model is proposed. Based on the new model analysis and design problems are developed for the networked control system. Considering the time delay, data packet dropout, sampling and quantilization in the net work environment, and the sector, saturate and dead zone nonlinearities in the controlled plant, a general networked control system is modeled as a nonlinear sampled-data system. For the nonlinear sampled-data system, a time-variant and discontinuous Lyapunov functional method is proposed to study Lyapunov stability, input-state stability and H∞ performance, estimate an attractive region and an upper bound for a state trajectory, compute an upper bound and the time for the state trajectory to evolve from an initial condition to a reachable domain, disclose the quantitive relationship between the time delay, data packet dropout, sampling interval and the quantilizer's parameters, and the Lyapunov stability, input-state stability and H∞ performance. Based on the analytical results, some techniques are developed for design problems, investigating the existence condition for controller, constructing and optimizing the controller.

面向一般网络环境中的实际控制系统，提出一种采样系统新模型分析网络控制系统的动态行为和抗干扰能力，基于这种网络控制系统模型创设和优化控制器使闭环系统满足期望的稳定和干扰抑制指标。 首先，综合考虑网络环境中的时滞、丢包、采样、量化和实际控制系统的扇区、饱和、死区等非线性特性，利用控制输入具有阶梯信号的特征将一般的网络控制系统建模成一种较精确的非线性采样时滞系统。然后，提出时变不连续李亚普诺夫函数新方法分析这种采样系统的稳定性、输入到状态稳定性和H∞性能，估计吸引域和系统轨线的上界，计算系统轨线从一定的初始条件出发到指定可达域的时间，揭示量化器参数、采样步长、时滞大小、数据丢包等与李亚普诺夫稳定性、输入到状态稳定性、H∞性能之间的定量关系。最后，开发新技术研究这种网络控制系统新模型的H∞设计和优化问题，探讨控制器存在性条件，给出控制器的设计方法和最优控制器的构造步骤。

网络控制系统以其灵活性、操作简便、易于安装和维护、低费用等优点，广泛应用在远程医疗、远程教学、机器人遥控操作、装备制造业、智能交通系统和虚拟制造等领域，近年来一直受到普遍关注。本项目面向一般网络环境中的实际控制系统，提出一种采样系统新模型分析网络控制系统的动态行为和抗干扰能力，基于这种网络控制系统模型创设和优化控制器使闭环系统满足期望的稳定和干扰抑制指标。.首先，综合考虑网络环境中的时滞、丢包、采样、量化和实际控制系统的扇区、饱和、死区等非线性特性，利用控制输入具有阶梯信号的特征将一般的网络控制系统建模成一种较精确的非线性采样时滞系统。.其次，提出了时变不连续李亚普诺夫函数新方法分析这种采样系统的稳定性、输入到状态稳定性和H∞性能，估计吸引域和系统轨线的上界，计算系统轨线从一定的初始条件出发到指定可达域的时间，揭示量化器参数、采样步长、时滞大小、数据丢包等与李亚普诺夫稳定性、输入到状态稳定性、H∞性能之间的定量关系。在此基础上，开发新技术研究了这种网络控制系统新模型的H∞设计和优化问题，探讨控制器存在性条件，给出控制器的设计方法和最优控制器的构造步骤。.最后，对采样系统的采样区间依赖稳定性和H∞分析、控制问题的研究方法作了归纳和总结，对研究结果进行了推广和深化，把采样区间依赖稳定性分析和H∞ 性能分析、控制设计思路进行了梳理和系统化，对采样系统给出了采样区间依赖稳定性研究的一般思想方法，初步形成了采样区间依赖H∞性能分析和设计的理论框架，从而丰富了采样系统理论，为网络控制系统研究提供了新的理论工具。