無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制.pdf

1、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介所組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其傳感器、控制器及執(zhí)行器由實(shí)時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連接。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)于一體，相比于傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直接相連控制系統(tǒng)而言，其具有低成本、便于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的引入，不可避免的存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟包等問(wèn)題。這些問(wèn)題的存在影響了控制系統(tǒng)的性能，甚至可能會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，如何結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制

2、理論方法來(lái)解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，已成為控制領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　 本文的主要目的是研究網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包多包傳輸和丟包等因素對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模、分析及穩(wěn)定性的影響。因而，本文以一類基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，具體的研究成果如下:
　　 (1)針對(duì)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從機(jī)理出發(fā)，研究了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的組成;討論了數(shù)據(jù)包丟包的主導(dǎo)因素;分析了在單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下

3、，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的分布范圍及丟包概率問(wèn)題。
　　 (2)結(jié)合ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)切換系統(tǒng)的相關(guān)理論，提出了一類不確定切換系統(tǒng)模型來(lái)表示具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延及數(shù)據(jù)包丟包的單邊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。該模型中，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延可以長(zhǎng)于或短于系統(tǒng)的采樣周期，該模型適合于單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其不確定性滿足范數(shù)有界條件?；谠撃Ｐ?，采用多個(gè)李雅普諾夫函數(shù)的方法，得到了相應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)方法，使得閉環(huán)系統(tǒng)在任意切換情況下指數(shù)均

4、方穩(wěn)定。
　　 (3)針對(duì)雙邊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特性，給出了數(shù)據(jù)包丟包過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步討論了具有連續(xù)丟包、時(shí)變網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的雙邊多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模方法，將該系統(tǒng)建模為一類隨機(jī)切換系統(tǒng)。進(jìn)一步構(gòu)造了基于數(shù)據(jù)包丟包性質(zhì)(丟包概率、連續(xù)丟包個(gè)數(shù))的李雅普諾夫函數(shù)，得到了使系統(tǒng)均方穩(wěn)定的丟包概率依賴條件。
　　 (4)在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，由于協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)包大小的限制，如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

5、包過(guò)大，就不得不采取多數(shù)據(jù)包傳輸方法。針對(duì)存在多包傳輸?shù)亩嗦窂綗o(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，建立了一類新的隨機(jī)模型，并基于該模型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器，進(jìn)而得到了使閉環(huán)系統(tǒng)指數(shù)均方穩(wěn)定的條件。
　　 (5)在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)中，由于設(shè)備的物理約束，會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行器飽和的現(xiàn)象。因而，針對(duì)一類具有執(zhí)行器飽和的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，將其飽和非線性轉(zhuǎn)化為滿足扇形條件的有界非線性項(xiàng)，把網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模為一類非線性隨機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)據(jù)包的丟包特性及扇形

6、條件構(gòu)造了李雅普諾夫函數(shù)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的狀態(tài)反饋控制器，討論了閉環(huán)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題。
　　 (6)將基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定化控制器的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)化雙邊遙操作系統(tǒng)上，該遙操作系統(tǒng)的主、從操作器存在參數(shù)上的差異，主、從操作器之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)的。綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延及數(shù)據(jù)包丟包問(wèn)題，針對(duì)主、從操縱器分別設(shè)計(jì)了H∞控制器，建立了網(wǎng)絡(luò)化雙邊遙操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差模型，得到了使動(dòng)態(tài)誤差模型指數(shù)均方穩(wěn)定的充