【摘要】：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NCSs)是一種分布式反饋控制系統(tǒng)。其中,系統(tǒng)部件,如執(zhí)行器、傳感器和控制器分布在不同的區(qū)域,通過無線或有線通信網(wǎng)絡(luò)連接。與傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)相比,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有資源共享、成本低、易于擴展、便于安裝和維護及高可靠性等優(yōu)點。然而,隨著網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用的同時,也帶來了許多挑戰(zhàn)性的問題。一方面,網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中會出現(xiàn)很多不確定性的因素,如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、數(shù)據(jù)丟包和亂序等。另一方面,控制系統(tǒng)本身不可避免的會受到干擾的影響,如外界輸入干擾、傳感器和執(zhí)行器故障、網(wǎng)絡(luò)攻擊等。這些不確定性和干擾會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,甚至導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)癱瘓。如何有效補償網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不確定性因素,如何有效抑制干擾和故障、如何有效防御網(wǎng)絡(luò)攻擊,是當(dāng)今科學(xué)界所面臨的共同難題,也是本文所要解決的關(guān)鍵問題。為了處理上述問題,本文設(shè)計出了相應(yīng)的控制算法,并結(jié)合工業(yè)控制中的電機系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、智能車系統(tǒng)及質(zhì)量-彈簧-抑制系統(tǒng)驗證了算法的有效性。主要研究內(nèi)容分為以下五個部分。1)研究了具有隨機延時和數(shù)據(jù)丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的滑模跟蹤控制問題。針對網(wǎng)絡(luò)化直流永磁同步電機系統(tǒng)中,隨機延時和數(shù)據(jù)丟包存在前饋通道和反饋通道,提出了一種基于滑模控制和偽偏導(dǎo)數(shù)理論的網(wǎng)絡(luò)補償算法。首先,把直流電機數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為等效偏格式的動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。其次,設(shè)計了基于偽偏導(dǎo)數(shù)理論的滑模跟蹤控制器。進一步,為了補償隨機延時和數(shù)據(jù)丟包,設(shè)計了一種基于滑模的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法。最后,通過網(wǎng)絡(luò)化直流電機仿真實驗,驗證了所設(shè)計算法的有效性。2)研究了具有變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的魯棒H∞控制問題。針對多個汽車相互耦合的智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng),其中,車與車之間通過汽車網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信交互,提出了一種基于魯棒H∞控制的穩(wěn)定性分析算法。首先,建立了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的離散時間狀態(tài)空間模型,在該數(shù)學(xué)模型中,汽車網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)隨機時延被同時考慮。其次,考慮控制器是否存在耦合,設(shè)計出了兩種輸出反饋控制器。其中,為了實現(xiàn)解耦,一種新的輸出反饋耦合控制器被設(shè)計。進一步,為了保證閉環(huán)智能網(wǎng)絡(luò)汽車系統(tǒng)的隨機穩(wěn)定性,給出了基于Lyapunov理論的時延依賴穩(wěn)定性條件。最后,通過智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真實驗,驗證了所設(shè)計算法的有效性。3)研究了具有傳感器和執(zhí)行器故障的切換網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)滑�？刂茊栴}。針對具有傳感器和執(zhí)行器故障的切換網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),設(shè)計了一種新的基于觀測器的魯棒滑�？刂扑惴āＪ紫�,為了估計系統(tǒng)的狀態(tài)和補償干擾,設(shè)計了一種觀測器。其次,提出了一種基于觀測器的二階離散時間自適應(yīng)滑�？刂破�,其中,基于估計狀態(tài)和故障的二階離散時間自適應(yīng)滑模函數(shù)被設(shè)計。不同于存在的算法,提出的二階滑模函數(shù)的自適應(yīng)性主要依賴故障的估計。進一步,設(shè)計的魯棒滑模控制器被用在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中,為了補償網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、數(shù)據(jù)丟包和數(shù)據(jù)包亂序,設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法。最后,通過一個數(shù)字仿真例子和一個機械系統(tǒng)仿真驗證了提出算法的有效性。4)研究了具有通信約束和外界干擾的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的K-階滑模跟蹤控制問題。針對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中通信約束和外界干擾同時存在的問題,提出了一種基于K-階自適應(yīng)離散滑�？刂频木W(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法。首先,設(shè)計了一種K-階自適應(yīng)離散滑�？刂破�,抑制外界干擾。其次,為了補償通信約束,設(shè)計出了一種新的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法。最后,通過伺服直流電機系統(tǒng)驗證了提出算法的有效性。仿真結(jié)果表明設(shè)計的控制算法能夠有效的抑制外界干擾、補償通信約束、并實現(xiàn)了很好的跟蹤效果。5)研究了具有虛假數(shù)據(jù)注入攻擊的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的魯棒滑�？刂茊栴}。針對廣域電力系統(tǒng)中虛假數(shù)據(jù)注入(FDI)攻擊造成的區(qū)域間震蕩問題。為了防御對手攻擊和抑制區(qū)域間的震蕩,提出了一種廣域魯棒滑模控制(WARSMC)算法。首先,為了估計系統(tǒng)的狀態(tài)和防御執(zhí)行器攻擊,設(shè)計了一種擴展?fàn)顟B(tài)觀測器。其次,提出了一種基于估計狀態(tài)的廣域魯棒滑�？刂扑惴�,其中,一種新的滑模函數(shù)被構(gòu)造,并設(shè)計出了一種新的趨近律。進一步,證明了提出算法的穩(wěn)定性,并分析了系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后,通過兩區(qū)-四機電力系統(tǒng)和五區(qū)16-機68-路電力系統(tǒng)驗證了算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP273

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本文編號：2593357