具有通信序列的网络控制系统ＬＱＧ控制器设计

2012年03月16日11:29:33 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

窦立谦，宗　群，孙连坤，吉月辉
天津大学电气与自动化工程学院，天津　

天津工业大学计算机科学与软件学院，天津

摘　　　要：研究了具有通信序列的网络控制系统控制器设计问题。通过在系统的输入输出端设计通信序列，分时占用网络，以降低带宽约束对系统的影响，进而构建了具有通信序列的网络控制系统模型；在此基础上，将网络控制器设计分为２个部分，首先，基于输出值设计Ｋａｌｍａｎ滤波器，用于提供较优状态估计值；然后，在考虑通信序列的基础上利用ＬＱＧ方法协同设计系统了的较优控制器，较后，用一个仿真示例验证了该方法的有效性。

关　键　词：网络控制系统；通信序列；ＬＱＧ；控制器设计

１　引　言
随着控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗透，控制系统结构越来越复杂，空间分布也越来越广，因此，利用网络构成闭环控制系统已经成为一种发展趋势［１］。网络化控制系统（ＮｅｔｗｏｒｋｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓ，ＮＣＳｓ）与传统的点对点结构的系统相比，具有资源共享、远程操作和控制，提高系统的诊断能力、方便安装与维护，增加系统的灵活性和可靠性的特点［２３］。近年来带宽约束问题成为ＮＣＳｓ研究的一个重要问题。控制回路中网络的引入，使得ＮＳＣｓ的分析与设计趋于复杂化。由于网络带宽的限制以及控制系统的时限要求，控制任务的信息传递必须在一定的时间内完成，否则信息会产生较大的时延，从而降低了系统的控制性能，严重时将导致系统不稳定［４］。从保证周期数据实时性及提高带宽利用率的角度出发，２００２年，Ｗａｌｓｈ提出了一种给关键信息动态分配网络资源的ＴＯＤ（ＴｒｙＯｎｃｅＤｉｓｃａｒｄ）协议［５］。该协议规定具有较大加权误差的节点先传输信息，即ＭＥＦ（ＭａｘｉｍｕｍＥｒｒｏｒＦｉｒｓｔ）调度技术，并丢弃过时的数据而使用较新数据，但是结论极为保守。从基于控制的角度出发，１９９８年，文献［６］提出用较优随机控制方法对随机时延网络ＮＣＳｓ进行控制，研究了具有独立随机分布特性和Ｍａｒｋｏｖ特性的网络时延下，离散时间ＮＣＳｓ的ＬＱＧ较优控制问题。２０００年，文献［７］将其推广到多步随机时延情况，得到在传感器和执行器采用时间驱动方式，控制器采用事件驱动方式策略下，给出了保证闭环系统均方稳定的必要条件，进而设计了在给定性能指标下的随机较优控制律。２００３年，文献［８］研究了一种基于模型的ＮＣＳｓ，这种结构较大的优势在于，系统在开环时依然工作在被控状态，控制率将根据模型状态产生，这样可以在较大程度上减少系统对网络的使用。针对ＭＩＭＯＮＣＳｓ，２００７年，文献［９］提出了一种在每个网络节点附加状态估计器的网络结构，通过牺牲计算代价来换取网络带宽的节省，但只能控制局部节点业务流量，难以获取系统全局性能的调度策略。２００６年，文献［１０］设计了基于周期动态分配输入输出通道的调度策略，但由于没有考虑零阶保持器（ＺＯＨ）的影响，使得状态波动较大。２００８年，文献［１１］针对ＮＣＳｓ中存在不确定的网络时延和数据包丢失的情况，利用ＬｙａｐｕｎｏｖＫｒａｓｏｖｓｋｉｉ泛函，推导出网络控制系统渐近稳定的充分条件，通过迭代求解带等式约束的ＬＭＩｓ，构造出系统的Ｈ∞控制器。本文在文献［８］的基础上，进一步考虑了ＺＯＨ的影响，使用通信序列来减少网络带宽的使用，构建了具有通信序列的网络控制系统模型；在此基础上，将网络控制器设计分为２个部分，首先基于输出值设计Ｋａｌｍａｎ滤波器，用于提供较优状态估计值；然后，在考虑通信序列的基础上利用ＬＱＧ方法协同设计系统了的较优控制器，较后，通过仿真示例说明提出方法的有效性。

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