一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法技术方案

一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法，建立主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，保证网络诱导时延总是小于一个采样周期；基于主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，建立不确定网络控制系统的跟踪控制模型：基于栅格化处理方法，将网络控制系统跟踪控制模型转化为具有有限切换规则的切换系统模型，设计满足给定扰动抑制水平的离散化网络控制系统的H∞鲁棒跟踪控制器，最终实现通信受限和系统不确定情况下网络控制系统的跟踪控制，本发明专利技术对不确定网络诱导时延、丢包、系统不确定性因素有很好的抑制作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法
本专利技术涉及自动控制
，特别涉及一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法，主要针对网络引入后所带来的传输时滞、丢包、系统不确定性以及外界扰动因素所引起的控制系统性能下降甚至失稳问题，基于切换控制系统理论建立包含跟踪误差的不确定网络控制系统时变跟踪控制模型，分析了具有时延及丢包的不确定离散化网络控制系统的H∞输出跟踪性能,并给出了满足给定扰动抑制水平的H∞鲁棒跟踪控制的方法。
技术介绍
随着控制科学、计算机技术及网络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，空间分布越来越广，网络控制系统以其成本低、连接灵活、易于安装扩展、维护简单、功能复杂等优点从根本上突破了传统的“点对点”式信号控制的局限性，是复杂大系统和远程控制系统的客观需求，已广泛的应用在大型复杂的工业系统、机器人、太空操作、遥医学、智能电网、远程故障诊断、高性能汽车操作系统及某些兵器系统中。它是一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点通信与控制的实时反馈控制系统，图1是网络控制系统的典型结构，由于网络对通信介质分时复用的特点，当多个节点通过网络进行数据交互时，常常出现数据碰撞、信息阻塞、连接中断、多帧传输等现象，因而不可避免地出现信息的非实时传输。因此时滞问题是网络控制系统面临的主要问题之一，它往往是导致系统性能恶化的重要原因。另一方面，随着现代控制系统规模的不断扩大，复杂性迅速增加，系统结构不确定性、未建模参数不确定性、外部环境不可预知性、外部干扰的随机性等使人们很难得到系统确定或精确的描述，因此考虑系统的不确定因素，设计网络控制系统的鲁棒控制策略，以保证系统动态特性在一定摄动范围内变化时仍能保持较好性能是非常重要也是很有必要的。跟踪控制是控制理论和工程中的基本问题之一，在机械控制系统、飞行器控制、工业过程以及机器人控制中有着广泛的应用。跟踪控制的主要目的是设计跟踪控制器使被控对象的状态或输出尽可能的跟踪给定的参考模型的轨迹。对于网络控制系统而言，由于网络的引入带来了时延、丢包和大量的不确定性，为了达到系统的跟踪控制性能，跟踪问题本身就比系统稳定性分析和镇定控制器设计要难很多，再加上网络诱导因素的引入就更增加了跟踪控制器设计的难度，网络控制系统的跟踪控制器必须在克服不确定时延和丢包因素对系统性能影响的同时，保证系统动态特性在一定摄动范围内变化仍达到所需的跟踪性能。因此，综合考虑网络诱导时延、丢包特性以及系统不确定因素和外界干扰，设计网络控制系统的鲁棒跟踪控制器的是具有重要的理论意义和实际应用价值的。
技术实现思路
为了克服复杂网络引入后所带来的导致系统性能下降甚至失稳的各类因素，本专利技术的目的在于提供一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法，结合切换控制系统理论，提出一种能更好的综合描述不确定变化的随机时延，丢包、通信干扰以及由于大规模网络化控制系统本身的复杂性所带来的系统不确定性对网络控制系统动态特性影响的离散化不确定切换系统建模方法，建立主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，设计满足给定扰动抑制水平的离散化网络控制系统的H∞鲁棒跟踪控制器，实现通信受限和系统不确定情况下网络控制系统的跟踪控制。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤一、分析从传感器到控制器及从控制器到执行器的信息传递通道上时延和丢包的不确定时变特性，建立主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，保证网络诱导时延总是小于一个采样周期；所述机制具体如下：假设时间轴被划分成间隔为l的小时间格，令uk表示第k个成功传送到执行器的控制量的时间点，并且用网络时延τk表示第k个到达执行器的数据包从传感器到控制器的时延与控制器到执行器的时延之和；设第k个作用到被控对象的控制量的采样时间点为sk，则下一个采样时间点sk+1的选择方法为：其中，Tmax是所允许的最大采样间隔，Tmax＝Nl，N是正整数，n是正整数且0<n<N；当在采样时间点sk发出的数据包到达执行器的时延小于最大允许传输时延Tmax时，执行器中的缓冲区将被新的控制量更新，这个事件将触发传感器准备采样，传感器将在下一个小的时间格开始时刻采样，采样时间点sk被称作是有效采样时刻；而当在采样时间点sk发出的数据包在最大允许传输时延Tmax之前没有到达执行器时，数据包将被丢弃，传感器将采用时间驱动方式，下一个采样时间点取作sk+Tmax；步骤二、基于主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，建立不确定网络控制系统的跟踪控制模型：定义ik为有效采样时间点，即在此时刻采样的数据包最终被成功作用到被控对象，dk是两个有效采样点ik和ik+1之间的连续丢包数，则可以得到ik+1-ik＝dk+1；假设最大连续丢包数为dmax，则dk的取值范围为Ω＝{1,…,dmax}，基于上述的主动采样技术，当时延小于最大允许传输时延Tmax的数据包达到执行器时，传感器的下一个采样周期将被触发，因此，数据包的传输时延取值范围是Μ＝{l,2l,…,Tmax}(l是所划分的时间轴的小时间格，Tmax＝l*N)，则两个有效采样点ik和ik+1之间的采样间隔hk为：hk＝τk+Tmaxdk(3)基于上述的主动采样过程，可以保证从传感器到执行器的网络诱导时延小于一个采样周期，将hk作为第k个采样周期的时间长度，则基于上述的主动变采样技术可以得到离散化后的被控对象状态方程为：x(ik+1)＝(Φk+ΔΦk)x(ik)+(Γ0k+ΔΓ0k)u(ik)+(Γ1k+ΔΓ1k)u(ik-1)+Γ2kw(ik)y(ik)＝(C+ΔC)x(ik)+(D+ΔD)u(ik-1)(4)其中ΔΦk,ΔΓ0k,ΔΓ1k,ΔC,ΔD代表系统的不确定性；相应的，同理被跟踪的给定参考模型的离散化状态空间方程为：其中根据H∞鲁棒控制器设计方法，将跟踪误差作为增广系统输出，得到离散化的网络控制系统跟踪控制模型如下：其中Kk＝[K1kK2k],要设计的跟踪控制器需满足如下的输出跟踪要求：(1)当v(k)＝0时，扩展系统(8)渐进稳定；(2)如果v(k)≠0且v(k)∈L2[0,∞)，在零初始条件下，||e(k)||2<γ||v(k)||2(γ>0)如果以上两个要求满足，则扩展系统(8)具有H∞输出跟踪性能γ；步骤三、基于栅格化处理方法，将网络控制系统跟踪控制模型转化为具有有限切换规则的切换系统模型：由式(5)看出，系统矩阵Φk,Γ0k,Γ1k,Γ2k的值是由时延τk和丢包dk的两维变量的组合决定的，基于上述的时间轴的栅格化方法，时延τk和丢包dk的两维变量的组合是有限的，其中，dk的取值范围为Ω＝{0,1,…,dmax}，τk的取值范围是T＝{l,2l,…,Tmax}，那么经过排列组合后，得到扩展系统(8)可以被看作是一个由时延τk和丢包dk决定的有限个切换规则的离散切换系统，其中系统矩阵(A1k,A2k,A3k,A4k,K1)的取值将来自有限集{(A11,A21,A31,A41,K1),…(A1M,A2M,A3M,A4M,KM)},M＝N×dmax；定义σ(k)是系统的切换信号，Ai是各个子系统的系统矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、分析从传感器到控制器及从控制器到执行器的信息传递通道上时延和丢包的不确定时变特性，建立主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，保证网络诱导时延总是小于一个采样周期；步骤二、基于主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，建立不确定网络控制系统的跟踪控制模型：定义ik为有效采样时间点，即在此时刻采样的数据包最终被成功作用到被控对象，dk是两个有效采样点ik和ik+1之间的连续丢包数，则可以得到ik+1‑ik＝dk+1；假设最大连续丢包数为dmax，则dk的取值范围为Ω＝{1,…,dmax}，基于上述的主动采样技术，当时延小于最大允许传输时延Tmax的数据包达到执行器时，传感器的下一个采样周期将被触发，因此，数据包的传输时延取值范围是Μ＝{l,2l,…,Tmax}(l是所划分的时间轴的小时间格，Tmax＝l*N)，则两个有效采样点ik和ik+1之间的采样间隔hk为：hk＝τk+Tmaxdk        (3)基于上述的主动采样过程，可以保证从传感器到执行器的网络诱导时延小于一个采样周期，将hk作为第k个采样周期的时间长度，则基于上述的主动变采样技术可以得到离散化后的被控对象状态方程为：x(ik+1)＝(Φk+ΔΦk)x(ik)+(Γ0k+ΔΓ0k)u(ik)+(Γ1k+ΔΓ1k)u(ik‑1)+Γ2kw(ik)y(ik)＝(C+ΔC)x(ik)+(D+ΔD)u(ik‑1)(4)其中Φk=eAhk,Γ0k=∫0hk-τkeAsdsB1,Γ1k=∫hk-τkhkeAsdsB1,Γ2k=∫0hkeAsdsB2---(5)]]>ΔΦk,ΔΓ0k,ΔΓ1k,ΔC,ΔD代表系统的不确定性；相应的，同理被跟踪的给定参考模型的离散化状态空间方程为：x^^(ik+1)=Φ^^kx(ik)+Γkr(ik)]]>y^^(ik)=Hx(ik)---(6)]]>其中Φ^^k=eGhk,Γk=∫0hkeGsds---(7)]]>根据H∞鲁棒控制器设计方法，将跟踪误差作为增广系统输出，得到离散化的网络控制系统跟踪控制模型如下：ξ(k+1)=(A1k+ΔA1k+(A2k+ΔA2k)Kk)ξ(k)+(A3k+ΔA3k)Kkξ(k-1)+A4kKkv(k)e(k)=(B^^+ΔB)ξ(k)+(D+AD)Kkξ(k-1)---(8)]]>其中ξ(k)=x(ik)x^(ik),e(k)=y(ik)-y^(ik),v(k)=w(ik)r(ik),A1k=Φk00Φ^k,]]>A2k=Γ0k0,A3k=Γ1k0,A4k=Γ2k00Γ^k,B^=[C-H],]]>Kk=[K1kK2k],ΔA1k=ΔΦk000,ΔA2k=ΔΓ0k0,ΔA3k=ΔΓ1k0,ΔB^=[ΔC0].]]>要设计的跟踪控制器需满足如下的输出跟踪要求：(1)当v(k)＝0时，扩展系统(8)渐进稳定；(2)如果v(k)≠0且v(k)∈L2[0,∞)，在零初始条件下，||e(k)||2<γ||v(k)||2(γ>0)如果以上两个要求满足，则扩展系统(8)具有H∞输出跟踪性能γ；步骤三、基于栅格化处理方法，将网络控制系统跟踪控制模型转化为具有有限切换规则的切换系统模型：由式(5)看出，系统矩阵Φk,Γ0k,Γ1k,Γ2k的值是由时延τk和丢包dk的两维变量的组合决定的，基于上述的时间轴的栅格化方法，时延τk和丢包dk的两维变量的组合是有限的，其中，dk的取值范围为Ω＝{0,1,…,dmax}，τk的取值范围是T＝{l,2l,…,Tmax}，那么经过排列组合后，得到扩展系统(8)可以被看作是一个由时延τk和丢包dk决定的有限个切换规则的离散切换系统，其中系统矩阵(A1k,A2k,A3k,A4k,K1)的取值将来自有限集{(A11,A21,A31,A41,K1),...(A1M,A2M,A3M,A4M,KM)},M＝N×dmax；定义σ(k)是系统的切换信号，Ai是各个子系统的系统矩阵，则网络控制系统的跟踪控制模型(8)可以写成下面的切换系统模型的形式：ξ(k+1)＝(A1σ(k)+ΔA1σ(k)+(A2σ(k)+ΔA2σ...

【技术特征摘要】
1.一种基于切换控制理论的网络控制系统鲁棒跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、分析从传感器到控制器及从控制器到执行器的信息传递通道上时延和丢包的不确定时变特性，建立主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，保证网络诱导时延总是小于一个采样周期；步骤二、基于主动变采样的时间和事件混合节点驱动机制，建立不确定网络控制系统的跟踪控制模型：定义ik为有效采样时间点，即在此时刻采样的数据包最终被成功作用到被控对象，dk是两个有效采样点ik和ik+1之间的连续丢包数，则可以得到ik+1-ik＝dk+1；假设最大连续丢包数为dmax，则dk的取值范围为Ω＝{1,…,dmax}；基于上述的主动采样技术，当时延小于最大允许传输时延Tmax的数据包达到执行器时，传感器的下一个采样周期将被触发，因此，数据包的传输时延取值范围是T＝{l,2l,…,Tmax}，l是所划分的时间轴的小时间格，Tmax＝l*N，则两个有效采样点ik和ik+1之间的采样间隔hk为：hk＝τk+Tmaxdk(1)基于上述的主动采样过程，可以保证从传感器到执行器的网络诱导时延小于一个采样周期，将hk作为第k个采样周期的时间长度，则基于上述的主动变采样技术可以得到离散化后的被控对象状态方程为：其中△Φk,△Γ0k,△Γ1k,△C,△D代表系统的不确定性；相应的，同理被跟踪的给定参考模型的离散化状态空间方程为：其中根据H∞鲁棒控制器设计方法，将跟踪误差作为增广系统输出，得到离散化的网络控制系统跟踪控制模型如下：其中Kk＝[K1kK2k],要设计的跟踪控制器需满足如下的输出跟踪要求：(1)当v(k)＝0时，扩展系统(6)渐进稳定；(2)如果v(k)≠0且v(k)∈L2[0,∞)，在零初始条件下，||e(k)||2<γ||v(k)||2,γ>0如果以上两个要求满足，则扩展系统(6)具有H∞输出跟踪性能γ；步骤三、基于栅格化处理方法，将网络控制系统跟踪控制模型转化为具有有限切换规则的切换系统模型：从式(3)看出，系统矩阵Φk,Γ0k,Γ1k,Γ2k的值是由时延τk和丢包dk的两维变量的组合决定的，基于上述的时间轴的栅格化方法，时延τk和丢包dk的两维变量的组合是有限的，其中，dk的取值范围为Ω＝{0,1,…,dmax}，τk的取值范围是T＝{l,2l,…,Tmax}，那么经过排列组合后，得到扩展系统(6)可以被看作是一个由时延τk和丢包dk决定的有限个切换规则的离散切换系统，其中系统矩阵[A1k,A2k,A3k,A4k,K1]的取值将来自有限集{(A11,A21,A31,A41,K1),...(A1M,A2M,A3M,A4M,KM)},M＝N×dmax；定义σ(k)是系统的切换信号，Ai是各个子系统的系统矩阵，则网络控制系统的扩展系统(6)可以写成下面的跟踪切换系统模型的形式：其中σ(k)∈Ι＝{1,2,...,M},M＝N×(1+dmax)称作切换信号；步骤四、分析满足扰动抑制水平的不确定网络控制系统的H∞鲁棒跟踪控制性能以及给出便于求解的状态反馈H∞鲁棒跟踪控制器存在的充分条件：令集合Γ＝{t1,t2,t3,...}表示有效达到时间点，其含义为控制量不但成功到达执行器并且成功作用到被控对象上的时间点，采用状态反馈控制器，在两个有效控制量作用时间点之间[tk,tk+1)，执行器采用零阶保持器保证控制量在时间间隔[tk,tk+1)是稳定不变的；因此...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴莹，吴彦鹏，李皎，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61