网络控制系统的建模、稳定性分析及其调度的研究

分布式控制系统的发展趋势是采用串行通讯网络作为控制器、传感器和执行器间信息的交换通道，这种通过控制网络实现闭环控制回路的反馈控制系统称为网络控制系统。网络控制系统具有系统连线少、可靠性高、结构灵活、易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等优点。在具有多重优点的同时，网络控制系统自身的缺点也是明显的。由于控制网络是分时复用的，信息只有等到网络空闲时才能发送出去，这样就不可避免地将网络传输延时引入到控制系统中。而且不同的网络协议，延时可能是恒定或者时变的，使得网络控制系统的分析和设计变得十分复杂。 对控制网络的协议和延时的组成及性质进行分析，讨论了影响延时的因素。在此基础之上，研究了多输入多输出的线性网络控制系统的连续时间模型，此模型中包含有多个网络延时。另一方面，利用离散控制系统理论，分析了控制系统中的各信号关系，提出了控制器节点分别工作在时间触发方式和事件触发方式下的闭环网络控制系统的离散数学模型，其系数矩阵依赖于延时。当延时为常数时，系统的状态方程是时不变的。 分别利用时滞理论、矩阵理论和线性矩阵不等式从不同的角度研究了网络控制系统的稳定性，得到了使网络控制系统渐近稳定的最大允许网络延时MATI，只要实际网络控制系统的传输延时小于MATI，闭环网络控制系统就是稳定的。因此应该针对实际问题选取适当的控制网络以及设计合适的网络调度算法，以保证控制系统信息传输延时小于其MATI。仿真实验验证了所提定理的有效性。 控制回路延时的大小直接依赖于回路的采样周期和采样时刻，因此应该对回路的采样时刻进行调度。利用稳定性定理求出了MATI，针对一个具有多个回路的网络控制系统设计了基于最大允许网络延时的网络调度算法，用随机Petri网理论研究了网络控制系统的调度方法对延时的影响。