[发明专利]一种基于时延丢包模态依赖的网络控制系统切换控制方法

说明书

一种基于时延丢包模态依赖的网络控制系统切换控制方法，步骤一：建立网络控制系统的状态空间方程，分析一个采样周期内时延和丢包对网络控制系统动态性能的影响；步骤二：引入有效采样时间点建立网络控制系统的综合状态空间模型；步骤三：将步骤二建立的闭环网络控制系统模型转化为可以同时包含稳定子系统和不稳定子系统的网络控制系统的切换控制模型；步骤四：采用多Lyapunov函数方法设计并实现满足允许平均驻留时间的网络控制系统基于时延和丢包的模态依赖的切换控制器，保证了网络控制系统在不同时延和丢包情况下的系统稳定；本发明采用循环算法求解控制器增益LMI矩阵不等式，保证在随机时延和丢包情况下网络控制系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种基于时延丢包模态依赖的网络控制系统切换控制方法。

背景技术

随着3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合和深度协作，传统的点对点的控制系统结构已经不能满足日益复杂的围绕网络和物理环境的多维复杂系统控制要求，网络控制系统以其具备的实时快速感知、动态协同控制和智能数据信息服务的共性理论与关键技术已广泛的应用在机器人、太空操作、远程手术、智能电网及高性能汽车操作系统中。控制器、传感器和执行器等各网络节点基于跨系统、跨平台的互联、互通和互操作研究多源异构数据的集成、交换、分析、计算和共享，实现信息的深度融合和学习，在全局范围内建立信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行的基础。NCS的研究已经成为国内外控制领域的一个研究热点。

在传统的自动化控制系统研究中，通常假设节点之间的信息交换是精确的。但是在网络控制系统中，由于有限的通信带宽或者受通信速率的限制，在发送、传输和接收信息的过程中，不可避免的会发生时延和丢包，致使各节点不能实时的获得其它节点的状态信息，严重地影响了系统的整体性能以及网络节点之间的协同控制性能，在实际的网络系统中，网络诱导时延将呈现固定、或随机、或有界、或无界的特征，同时其它的网络诱导因素如丢包、采样方式、变化的通信拓扑等也都制约着多智能体系统的协调性能，此外，智能体之间的通信会受外部噪声的干扰以及不确定因素的影响。因此，解决网络节点之间的不可靠通信问题，实现网络控制系统的稳定控制问题，针对网络控制系统的不确定网络诱导因素，建立新的系统模型、重新评估和建立基于网络的控制模型和控制方法是非常重要也是很有必要的。

同时，随着计算机技术和信息通信技术的迅猛发展，在生产制造、航天航空、交通运输、机器人控制等诸多工业领域出现了一系列同时包含离散事件动态和连续变量动态的一类复杂系统，系统中的离散事件和连续变量相互作用，互为约束，时间-事件的演化在不同的子系统中实时、并行地进行，称这类系统为混杂系统(Hybrid Systems)。切换系统就是一类十分重要的混杂系统。典型的切换系统是由一组连续(或离散)时间子系统和一组决定子系统间如何切换的切换规则构成，该切换规则也称为切换律、切换信号或切换函数。整个切换系统的演化过程由子系统的动态和这组切换规则决定。针对网络控制系统的结构特性“离散子系统和连续子系统的混杂系统，及不确定时延和丢包导致的控制量作用到被控对象的时间是非周期性的，变化的”，将不确定时延和丢包认为是作用在被控对象上的不确定事件，在两个离散的控制事件之间，被控对象的动态特性是不同的，将随着不定期到来的时变控制量而变化。因此可以认为网络控制系统是根据一定的由时延和丢包决定的切换规则在连续的子系统之间切换的切换控制系统。

发明内容

针对不确定网络诱导因素时延和丢包所引起的网络控制系统动态特性变化以及导致系统失稳的问题，本发明的目的在于提供一种基于时延丢包模态依赖的网络控制系统切换控制方法，考虑所有可能发生的网络情况结合网格离散化方法将不确定的时延和丢包离散化到一个有限集中，给出一种能更好的综合描述不确定网络诱导因素对网络化控制系统动态性能影响的建模方法，将不确定时延和丢包作为被控对象上的不确定切换事件，使网络控制系统离散化为包含稳定子系统和不稳定子系统的切换系统；基于多Lyapunov函数方法给出网络控制系统的基于时延和丢包的模态依赖的切换控制器的设计方法和实现方法，保证了网络控制系统在不同时延和丢包情况下的系统稳定。