基于正切换系统建模的网络化系统非脆弱事件触发控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于正切换系统建模的网络化系统的非脆弱事件触发控制方法，利用正切换系统理论对网络化控制系统进行建模，设计相应的非脆弱事件触发控制器。首先，利用传感器设备采集系统自身固有信息，建立网络化控制系统的状态空间模型；然后，针对执行器故障问题以及系统资源利用率问题设计一簇非脆弱事件触发控制器，使得系统能够在执行器部分故障的情况下正常运行。本发明专利技术不仅有效解决了网络化控制系统的执行构件故障下的处理问题，且在系统安全稳定运行的情况下，节省了一定的系统资源、释放了不必要的算力。释放了不必要的算力。释放了不必要的算力。

【技术实现步骤摘要】
基于正切换系统建模的网络化系统非脆弱事件触发控制方法


[0001]本专利技术属于网络工程
，涉及一种基于正切换系统的网络化系统的非脆弱事件触发控制方法。

技术介绍

[0002]网络化系统是指系统回路中的元件可以利用通信网络交换数据的控制系统，其特征在于控制系统的命令及回传是在网络中以封包的方式传送。随着互联网的快速发展，网络化系统迅速吸引了研究者的关注。不过网络化系统也存在许多挑战性的研究问题，如，通信的可靠性、带宽分配、数据传输错误侦测、实时资讯收集以及传感器数据有效处理等。
[0003]网络化系统连结了网络空间与现实空间，可远距离执行多种任务，且网络化系统的传输采用共用线材传输，省去了不必要的配线，减少了系统复杂度，降低了设计及架设系统需要的成本。在共用传输信道的优势下，使得网络信道中出现拥塞情况。通常，可将网络通信分为忙碌模态和空闲模态。在忙碌模态下，网络中存在大量的数据包，使得数据传输速度大幅降低；在空闲模态下，网络中存在少量的数据包，传输过程相较来说会流畅。控制中心可对网络数据包流量进行监控并且进行系统模态的切换。此时，借助切换系统可准确描述这种行为。在网络信道上的数据包的数量始终是非负的，此时可利用正变量来刻画数据包数量。进而，用正切换系统对网络系统建模是合理的。系统能耗是系统设计过程中必须考虑的。在网络化控制系统中，控制中心需在每个时刻对传输信道中的数据包进行检测，该操作无疑增加了信道的能耗。如何降低能耗也是一直困扰网络化系统实际应用的难题之一。事件触发控制通过设计事件触发条件，在满足系统性能的前提下，避免系统执行不必要的采样操作。这种控制策略可以一定程度上降低系统的设计代价和能耗，进而引起了人们的研究兴趣。通常情况下，执行元件的频繁使用和其自身执行力的减弱会导致故障的发生，采用非脆弱控制方法，对执行器故障下的控制系统设计合适的控制律，可以保障系统的安全平稳运行。
[0004]针对上述问题，本专利技术利用现代控制理论技术建立网络化系统的状态空间模型，分析其正性及稳定性，设计了一簇非脆弱事件触发控制器，降低了系统的设计成本，保证网络系统的安全稳定运行。综上，设计一种基于正切换系统的网络化系统的非脆弱事件触发控制方法具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种利用现代控制理论技术建立网络化系统非脆弱控制设计的方法，分析了系统的正性和稳定性，设计了非脆弱事件触发控制器，降低了系统设计成本。具体技术方案如下：
[0006]一种基于正切换系统建模的网络化控制系统的非脆弱事件触发控制方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、构建网络化控制系统的状态空间模型；
[0008]步骤2、建立网络化控制系统的事件触发控制条件；
[0009]步骤3、设计网络化控制系统的非脆弱事件触发控制器；
[0010]步骤4、在所述控制器下验证所构造的网络化控制系统的正性；
[0011]步骤5、在所述控制器下验证所构造的网络化控制系统的指数稳定性。
[0012]进一步的，步骤1中所述状态空间模型的构造形式如下：
[0013][0014]其中，x(t)∈R
n
和分别为通信网络系统的状态变量和执行器故障的输入，x(t)代表相应的通讯节点传输数据包的数量，为避免网络系统故障下的控制输入；当网络在正常运行时，表示取消若干数据包的传输，表示向当前信道分发更多的数据包信息；A
σ(t)
∈R
n
×
n
表示系统矩阵，B
σ(t)
∈R
n
×
m
表示具有加权系数的输入矩阵，均为实数矩阵且由实际数据包传输过程中的传感器采集得到；
[0015]函数σ(t):[0,∞)
→
S＝{1,2,
…
,N}，表示依赖于时间t的分段常值函数，是网络化控制系统的切换信号，对任意一组切换序列0≤t0≤t1≤
…
,它是右连续的，其中N∈N
+
；当t∈[t
i
,t
i+1
)时，系统的第σ(t)个子系统在t
i
时刻被激活，在t
i+1
时刻离开。
[0016]进一步的，步骤2中所述事件触发控制条件构建形式如下：
[0017]‖x
e
(t)‖1＞α‖x(t)‖1,其中，常量0＜α＜1，x
e
(t)是采样误差，表示采样状态。
[0018]进一步的，步骤3中所述非脆弱事件触发控制器构建形式如下：
[0019]步骤3.1非脆弱状态反馈律：
[0020]u
i
(t)＝(F
i
+ΔF
i
)x(t),
[0021]其中，F
i
∈R
r
×
n
是增益矩阵，ΔF
i
＝E
i
H
i
是增益扰动矩阵，H
i
∈R
r
×
n
是需要被设计的决策变量，E
i
∈R
r
×
r
是已知的非负矩阵，且对于0＜θ1＜θ2＜1满足
[0022]控制器故障被描述为：
[0023][0024]其中，L
i
＝diag(l
i1
,l
i2
,...,l
ir
)表示不确定有界矩阵：其中γ≥1，L
di
＝diag(l
di1
,l
di2
,...,l
dir
)和L
ui
＝diag(l
ui1
,l
ui2
,
…
,l
uir
)。
[0025]步骤3.2非脆弱事件触状态控制律如下：
[0026][0027]其中，p∈N
+
，t0＝0，t
p
代表第p次事件触发时刻，表示采样状态。
[0028]基于步骤3.1和步骤3.2，给出带有执行器故障的非脆弱事件触发控制器：
[0029][0030]其中，F
i
和H
i
是设计第i个子系统的控制器增益矩阵和辅助控制器增益矩阵。
[0031]步骤3.3网络化控制系统在执行器故障情况下平稳运行的条件设计，如下：
[0032]设计常数δ
i
＞0，μ＞0，λ＞1，γ≥1，n维向量＞0，μ＞0，λ＞1，γ≥1，n维向量使得
[0033][0034][0035][0036][0037][0038]成立，对于i≠j，s＝1,
…
,r，Γ
is2
＝γB
i
L
di
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正切换系统建模的网络化控制系统的非脆弱事件触发控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、构建网络化控制系统的状态空间模型；步骤2、建立网络化控制系统的事件触发控制条件；步骤3、设计网络化控制系统的非脆弱事件触发控制器；步骤4、在所述控制器下验证所构造的网络化控制系统的正性；步骤5、在所述控制器下验证所构造的网络化控制系统的指数稳定性。2.根据权利要求1所述的一种基于正切换系统建模的网络化控制系统的非脆弱事件触发控制方法，其特征在于：步骤1中所述状态空间模型的构造形式如下：其中，x(t)∈R
n
和分别为通信网络系统的状态变量和执行器故障的输入，x(t)代表相应的通讯节点传输数据包的数量，为避免网络系统故障下的控制输入；当网络在正常运行时，表示取消若干数据包的传输，表示向当前信道分发更多的数据包信息；A
σ(t)
∈R
n
×
n
表示系统矩阵，B
σ(t)
∈R
n
×
m
表示具有加权系数的输入矩阵，均为实数矩阵且由实际数据包传输过程中的传感器采集得到；函数σ(t):[0,∞)
→
S＝{1,2,
…
,N}，表示依赖于时间t的分段常值函数，是网络化控制系统的切换信号，对任意一个切换序列0≤t0≤t1≤
…
,它是右连续的，其中N∈N
+
；当t∈[t
i
,t
i+1
)时，系统的第σ(t)个子系统在t
i
时刻被激活，在t
i+1
时刻离开。3.根据权利要求2所述的一种基于正切换系统建模的网络化控制系统的非脆弱事件触发控制方法，其特征在于：步骤2中所述事件触发控制条件构建形式如下：‖x
e
(t)‖1＞α‖x(t)‖1,其中，常量0＜α＜1，x
e
(t)是采样误差，(t)是采样误差，表示采样状态。4.根据权利要求3所述的一种基于正切换系统建模的网络化控制系统的非脆弱事件触发控制方法，其特征在于：步骤3中所述非脆弱事件触发控制器构建形式如下：步骤3.1非脆弱状态反馈律：u
i
(t)＝(F
i
+ΔF
i
)x(t),其中，F
i
∈R
r
×
n
是增益矩阵，ΔF
i
＝E
i
H
i
是增益扰动矩阵，H
i
∈R
r
×
n
是需要被设计的决策变量，E
i
∈R
r
×
r
是已知的非负矩阵，且对于0＜θ1＜θ2＜1满足控制器故障被描述为：其中，L
i
＝diag(l
i1
,l
i2
,...,l
ir
)表示不确定有界矩阵：其中γ≥1，L
di
＝diag(l
di1
,l
di2
,...,l
dir
)和L
ui
＝diag(l
ui1
,l
ui2
,...,l
uir
)；步骤3.2非脆弱事件触状态控制律如下：
其中，p∈N
+
，t0＝0，t
p
代表第p次事件触发时刻，表示采样状态；基于步骤3.1和步骤3.2，给出带有执行器故障的非脆弱事件触发控制器：其中，F
i
和H
i
是设计第i个子系统的控制器增益矩阵和辅助控制器增益矩阵；步骤3.3网络化控制系统在执行器故障情况下平稳运行的条件设计，如下：设计常数δ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊锋，吴妍琪，林鹏，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：