不確定時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

楊新偉，郭彩霞

（河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)　453007）

不確定時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

楊新偉，郭彩霞

（河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453007）

摘要：針對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的控制系統(tǒng)所具有的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和不確定性特點(diǎn)，考慮最大允許網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延下界不為零及系統(tǒng)帶有不確定性的情況，采用不需事先指定參數(shù)的更具一般性的狀態(tài)反饋控制器，建立狀態(tài)反饋的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。通過(guò)引入積分不等式方法，對(duì)Lyapunov?Krsasovskii泛函中的二次型積分項(xiàng)直接進(jìn)行界定，避免了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型變換和對(duì)交叉項(xiàng)的界定所帶來(lái)的保守性。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的條件。最后通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行Matlab仿真，得到狀態(tài)響應(yīng)曲線。系統(tǒng)狀態(tài)很快趨于穩(wěn)定，表明該結(jié)論的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延；積分不等式方法；Lyapunov?Krasovskii泛函

0　引　言

隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制理論的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）被廣泛應(yīng)用于航空航天、傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和微機(jī)電系統(tǒng)等復(fù)雜的控制系統(tǒng)中［1?8］。然而，通信與控制的相互作用使NCS的分析和設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)給信號(hào)處理、通信技術(shù)和控制技術(shù)等提出了新的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)NCS的研究非?；钴S，如NCS的穩(wěn)定性分析與控制綜合、最大時(shí)延上界的求取等，它們統(tǒng)稱(chēng)為基于網(wǎng)絡(luò)的控制，也被確定為控制領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方法之一［9］。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是導(dǎo)致NCS性能下降的主要原因，同時(shí)，系統(tǒng)建模誤差和工作環(huán)境的變化也導(dǎo)致系統(tǒng)存在不確定性，因此，考慮具有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和不確定性的NCS的分析和設(shè)計(jì)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［6，10］。文獻(xiàn)［9］將NCS中誘導(dǎo)延時(shí)、丟包和數(shù)據(jù)包錯(cuò)序等問(wèn)題表示成最大允許時(shí)延的NCS綜合模型，考慮外界擾動(dòng)下不確定性系統(tǒng)的魯棒分析和綜合問(wèn)題。但是在系統(tǒng)綜合分析時(shí)，必須事先指定一些參數(shù)，且這些參數(shù)只能采用試湊的方法，因此給系統(tǒng)帶來(lái)很大的保守性。

文獻(xiàn)［11］中為了處理上的方便，在構(gòu)造Lyapunov?Krasovskii泛函時(shí)，利用牛頓?萊布尼茨公式對(duì)泛函中的雙積分項(xiàng)進(jìn)行了模型變換，變換的目的是產(chǎn)生積分項(xiàng)，使得交叉項(xiàng)和二次型積分項(xiàng)同時(shí)出現(xiàn)，對(duì)交叉項(xiàng)的界定抵消泛函導(dǎo)數(shù)中的二次型積分項(xiàng)，獲得了時(shí)延相關(guān)的系統(tǒng)穩(wěn)定條件；但是，此變換將導(dǎo)致變換后的系統(tǒng)產(chǎn)生新的動(dòng)態(tài)而與原系統(tǒng)不等價(jià)，使得系統(tǒng)結(jié)果變得保守［9］。文獻(xiàn)［12］把數(shù)據(jù)包丟失情況作為不確定性處理，考慮網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有上界，并通過(guò)引入自由權(quán)矩陣消除了交叉項(xiàng)，但是自由權(quán)矩陣的引入會(huì)需要耗費(fèi)更多的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

本文考慮最大允許網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延下界不為零及系統(tǒng)帶有不確定性的情況，并采用更具一般性的狀態(tài)反饋控制器。引入積分不等式方法，通過(guò)對(duì)泛函中的二次型積分項(xiàng)直接進(jìn)行界定，避免了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型變換和對(duì)交叉項(xiàng)的界定所帶來(lái)的保守性，推導(dǎo)出使閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性條件。

1　NCS問(wèn)題描述

考慮被控對(duì)象具有時(shí)變結(jié)構(gòu)不確定性，可表示為如下?tīng)顟B(tài)方程：

為方便分析，先做如下假設(shè)：傳感器采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式，而控制器采用事件驅(qū)動(dòng)方式，T為采樣周期。傳感器在采樣時(shí)刻0，T，2T，…，nT都采樣數(shù)據(jù)并給數(shù)據(jù)包打上時(shí)間標(biāo)簽向控制器發(fā)送，如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τsc后，控制器收到數(shù)據(jù)后立即進(jìn)行計(jì)算，控制器計(jì)算時(shí)間為τc，計(jì)算出控制信號(hào)后向執(zhí)行器發(fā)送，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τca后控制信號(hào)到達(dá)執(zhí)行器，在此過(guò)程中始終保持系統(tǒng)時(shí)鐘同步。采用狀態(tài)反饋控制器：

則可知執(zhí)行器收到的控制信號(hào)為：

假定網(wǎng)絡(luò)時(shí)變時(shí)延τ=τsc+τc+τca≤γ，γ是從傳感器到執(zhí)行器之間的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延上界。綜合式（1）～式（3），網(wǎng)絡(luò)控制閉環(huán)系統(tǒng)就可表示為：

2　NCS魯棒穩(wěn)定性分析

為了對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，引入幾個(gè)定理：

Park不等式［12］：對(duì)任意給定向量 α，b∈Rn，矩陣M∈Rn×n，則以下不等式成立：

應(yīng)用Park不等式，有：

將式（10）代入式（9）可得：

對(duì)于NCS構(gòu)造如下形式的Lyapunov?Krasovskii泛函：

式中，P=PT＞0，R=RT＞0是待定矩陣。

計(jì)算V（t，xt）沿系統(tǒng)（4）的導(dǎo)數(shù)，并由式（4）和式（13）可得：

將式（14）整理得：

式中：

若Ε＜0可解，則由Lyapunov?Krasovskii穩(wěn)定性定理知，閉環(huán)NCS式（4）是漸進(jìn)穩(wěn)定的。

兩次利用Schur補(bǔ)引理，Ε＜0等價(jià)于:

式中:

式（15）可整理為:

由引理2，若存在標(biāo)量ε＞0，則滿足:

即得:

再次利用Schur補(bǔ)引理，可得式（18）等價(jià)于式（8）。

且有：

即可用求解器gevp求得最大時(shí)延上界。

3　系統(tǒng)仿真

用Matlab的 gevp求解器可得最大時(shí)延上屆γ=3.028，即時(shí)延0≤τ≤0.330 2。

取ε=1，γ=0.3，h=0.2，用feasp求解器驗(yàn)證可行性，可得tmin=-0.035 9，正定矩陣：

矩陣：

系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示，從圖2中可以看出，系統(tǒng)狀態(tài)很快趨于穩(wěn)定。

4　結(jié)　論

本文針對(duì)具有時(shí)變時(shí)延和不確定性的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，通過(guò)引入積分不等式方法，對(duì)Lyapunov?Krsaso?vskii泛函中的二次型積分項(xiàng)直接進(jìn)行界定，避免了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型變換和對(duì)交叉項(xiàng)的界定所帶來(lái)的保守性，推導(dǎo)出使網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的條件。并給出滿足閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定條件下的最大允許時(shí)延上界的求取方法，最后的仿真算例表明了該結(jié)論的有效性和可行性。

圖2　網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)曲線

參考文獻(xiàn)

［1］康科飛.基于不確定非線性智能電網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（21）：139?141.

［2］程滿玲，孫峙華.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延預(yù)測(cè)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（23）：28?30.

［3］張芳，吳斌，季曉靜，等.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（6）：90?92.

［4］李煒，王艷飛.少保守性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)魯棒保性能容錯(cuò)控制［J］.兵工學(xué)報(bào)，2012，33（2）：170?178.

［5］李同濤，鄧麗，費(fèi)敏銳，等.一類(lèi)帶有隨機(jī)、有界時(shí)滯網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的脈沖控制［J］.控制與決策，2013，28（2）：294?298.

［6］游科友，謝立華.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最新研究綜述［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，39（2）：101?118.

［7］MAO Zehui，JING Bin，PENG Shi.Observer?based fault?tolerant control for a class of netwotrked control systems with transfer delays［J］.Journal of the Franklin Institute，2011，348：763?776.

［8］胥吉林，屈百達(dá)，徐保國(guó).不確定時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的保性能控制［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2014，50（5）：239?242.

［9］彭晨，田恩剛.一種改進(jìn)的具有非理想網(wǎng)絡(luò)狀況的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與綜合方法［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，36（1）：188?192.

［10］張先明.基于積分不等式方法的時(shí)滯相關(guān)魯棒控制研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.

［11］HUAI C Y，XIN H，MIN W，et al.Delay?dependent stability criteria for a class of networked control systems with muti?input and muti?output［J］.Chaos solitions&fractals，2007，34：997?1005.

［12］WEI Lisheng，F(xiàn)EI Minrui.New delay?dependent stabilisation criterion for a class of networked control systems［J］.Computer Application in Technology，2012，43（1）：29?35.

中圖分類(lèi)號(hào)：TN926?34；TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004?373X（2016）16?0010?04

doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2016.16.003

作者簡(jiǎn)介：楊新偉（1982—），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，碩士。主要從事電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究工作。郭彩霞（1979—），女，河南虞城人，講師，碩士。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和魯棒控制。

收稿日期：2015?12?25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61273120）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（01026631079）

Stability design for networked control system with uncertain time delay

YANG Xinwei，GUO Caixia
（College of Physics and Electrical Engineering，Henan Normal University，Xinxiang 453007，China）

Abstract：Since the control systems have characteristics of network time?delay and uncertainty in the network environment，a common mode feedback controller without assigning specify parameters in advance is used to establish the closed?loop network control system model with the state feedback by taking into account of fact that the lower bound of the maximum allowable net?work induced delay is not zero and the system has uncertainty characteristics.The quadratic integral item in Lyapunov?Krsaso?vskii functional is defined directly by introducing the integral inequality approach，which can avoid the conservative property caused by model transformation of the system and definition of the cross terms.On this basis，the condition that makes the net?worked control system robust stability is derived.The state response curve of the system is obtained by conducting Matlab simulation for the model.The system state tends to be stable，which shows the validity and feasibility of the conclusion.

Keywords：network control system；network deduced time?delay；integral inequality approach；Lyapunov?krasovskii func?tion