通信带宽受限的网络化控制系统分析与设计 PDF下载

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内容简介

　　与传统的控制系统相比，网络化控制系统有许多优势，如可以实现网络资源共享、安装与维护简单、有效减小系统的体积、增加系统的可靠性等。但通信网络的引入也给系统的分析与设计带来了新的挑战，如数据包丢失、数据包传输时序错乱、通道传输时延、通信带宽限制等。本书把信息理论作为一项有力的技术工具，研究了具有通信带宽限制的网络化控制系统反馈控制问题，分析了在网络化控制系统中控制性能与通信代价之间的优化设计问题，提出了具有通信限制的网络化控制问题的一套新的分析方法。

　　本书内容新颖，理论深入，系统性强，可作为高等院校自动化、检测技术、通信工程等相关专业本科生、研究生的教学用书，也可供相关领域的工程设计人员参考。

作者简介

　　刘庆泉，工学博士，沈阳理工大学副教授，研究生导师。现为中国科学院沈阳自动化研究所和奥维通信股份有限公司联合培养的博士后，获“中国博士后科学基金资助项目”（China Postdoctoral Science Foundation funded project）（一等资助）。主讲的课程有：电子对抗技术、高频电子线路、探测与识别技术、DSP技术、信息论与编码等。主要研究方向为：网络化控制系统、无人驾驶飞行器控制系统等。目前已发表SCI/EI检索学术论文50多篇。主持和参与多项纵横向科研项目。曾获得两项辽宁省自然科学学术成果奖（二等奖）。

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1绪论
1.1网络化控制系统研究的内容及意义
1.2网络化控制系统的研究现状
1.2.1具有通信带宽限制的网络化控制系统
1.2.2具有通道传输时延及丢包的网络化控制系统
1.2.3其他类型问题的研究现状
1.3本书的主要创新点及未来工作展望
2网络化控制系统基本理论与分析方法
2.1传输速率
2.2保真度准则下的信源编码
2.3近似联合对角化
2.4传输速率分配策略
3具有通信带宽限制和数据包丢失
的网络化控制系统可镇定性分析
3.1引言
3.2问题描述
3.2.1离散系统描述
3.2.2数字通信通道
3.2.3主要解决的问题
3.3具有通信限制的系统可镇定性分析
3.3.1一维系统的可镇定性分析
3.3.2多维系统的可镇定性分析
3.4数值算例
4具有传输速率限制的参数不
确定系统鲁棒可镇定性分析
4.1引言
4.2问题描述
4.2.1参数不确定系统描述
4.2.2解决的主要问题
4.3具有传输速率限制的鲁棒可镇定性
4.3.1时变递归分配算法
4.3.2参数不确定系统鲁棒可镇定条件
4.4数值算例
通信带宽受限的网络化控制系统分析与设计目录5通信带宽受限的网络化控制系统最优控制
5.1引言
5.2问题描述
5.2.1离散系统描述
5.2.2主要解决的问题
5.3具有通信带宽限制的反馈控制
5.3.1确保系统均方可镇定的传输速率下界
5.3.2传输速率受限的最优线性二次型性能指标
5.4数值算例
6传输速率受限的量化输出反馈控制
6.1引言
6.2问题描述
6.2.1单输入单输出系统描述
6.2.2主要解决的问题
6.3量化输出反馈控制
6.3.1测量输出的量化与编码
6.3.2传输速率下界
6.4数值算例
7具有传输速率限制和传输
时延的量化反馈控制
7.1引言
7.2问题描述
7.2.1离散系统描述
7.2.2主要解决的问题
7.3具体传输时间延迟的量化反馈控制
7.4数值算例
参考文献

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前言
在现代工业系统中，由通信网络连接传感器、控制器和执行器而形成的闭环系统称为网络化控制系统。与传统的控制系统相比，网络化控制系统有许多优势，如可以实现网络资源共享、安装与维护简单、有效减小系统的体积、增加系统的可靠性等。但是通信网络的引入也给系统的分析与设计带来了新的挑战，如数据包丢失、数据包传输时序错乱、通道传输时延、通信带宽限制等。现有文献中的结果主要考虑了具有时延及丢包的网络化控制系统反馈控制问题。然而，对于具有通信带宽限制的网络化控制系统反馈控制问题并未进行充分考虑。
本书在总结前人工作的基础上，把信息理论作为一项有力的技术工具，研究了具有通信带宽信限制的网络化控制系统反馈控制问题，分析了在网络化控制系统中控制性能与通信代价之间的优化设计问题，提出了具有通信带宽限制的网络化控制问题的一套新的分析方法。本书还研究了同时具有通信带宽限制和数据包丢失两个特征的网络化控制系统可镇定性问题。其中，采用了一个自适应差分编码技术和一个预测控制策略，并且给出了一个确保开环不稳定系统均方可镇定的最小传输速率。另外，本书研究了具有通信带宽限制的参数不确定系统鲁棒可镇定性问题。为了解决多维不确定系统特征值分解和传输速率分配问题，本书提出了一个时变递归分配算法，并给出了确保参数不确定系统鲁棒可镇定的充分条件。针对网络具有通信带宽限制这一情况，研究了具有传输速率限制的网络化控制系统线性二次型性能指标最优控制问题，并给出了一个能够清楚地反映出线性二次型性能指标与反馈链接传输状态信息的速率之间关系的优化公式。最后，本书研究了在通信带宽受限情况下单输入单输出线性时不变系统的量化反馈控制问题。
第1、2章系统地分析和总结了网络化控制系统这一前沿研究领域的发展现状及研究方法，并给出了相关的一些预备知识。
第3章研究了线性时不变系统的可镇定性问题。其中，假设传感器与控制器在地理上是分离的，并通过一个具有通信带宽限制、有噪声的数字通信通道连接。数据包丢失过程被看作一个时齐马尔可夫过程。本章采用了一个自适应差分编码技术和一个预测控制策略，给出了一个确保开环不稳定系统均方可镇定的最小传输速率。研究结果表明，对于没有干扰输入的系统，确保系统均方可镇定的充分条件是传输速率要大于一个给定的下界；然而，对于一个有干扰输入的系统，确保系统均方可镇定的充分条件可以分解成两项：一项是与传输速率有关的条件，另一项是与马尔可夫链的转移概率有关的条件。通过仿真算例也验证了所提出方法的优越性。
通信带宽受限的网络化控制系统分析与设计前言第4章研究了在传输速率受限情况下，参数不确定系统的鲁棒可镇定性问题。对于一个多维不确定系统，特征值分解和传输速率分配是一个不得不面对的问题。为了解决这个问题，提出了一个时变递归分配算法，证明了确保闭环系统鲁棒可镇定的充分条件，并且给出了一个确保存在量化、编码和控制策略来稳定参数不确定系统的传输速率下界。仿真结果验证了所提出策略的有效性。
第5章研究了随机离散时间、线性时不变系统的线性二次型性能指标最优控制问题。其中，假设传感器与控制器在地理上是分离的，经过一个具有通信带宽限制、无噪声的通信通道连接。系统状态的量化与编码采用一个自适应差分编码技术。给出了在传输速率受限情况下，一个可以计算得到的最优线性二次型性能指标，证明了与传输速率有关的、确保系统可镇定的充分条件，并且给出了一个能够清楚反映出线性二次型性能指标和信道传输速率之间关系的优化公式。数值算例也验证了所提出方法的有效性。
第6章研究了一个单输入单输出、线性时不变系统的量化输出反馈控制问题。其中，传感器与控制器通过一个传输速率受限、无损失的数字通信通道连接。这里的主要目标就是给出一个传输速率下界，当反馈链接传输系统测量输出信息的速率大于这个下界时，一定存在一个量化、编码和控制策略，不仅能够确保开环不稳定系统的可镇定性，而且可以获得一个给定的控制性能指标。基于测量输出的概率分布和系统的动态性，提出了一个新的量化和编码方法。其中的证明技术不仅依赖于控制理论工具，还依赖于信息理论工具。数值算例进一步验证了所提出策略的有效性。
第7章研究了在传输速率受限情况下，随机时不变系统的量化反馈控制问题。特别考虑了具有信道传输时间延迟的情况。虽然已经有了一些关于传输速率受限下LQG控制的研究成果，但是大部分都没有考虑具有时间延迟的情况。为了解决这个问题，提出了一个自适应差分编码和预测控制策略来确定系统的控制性能。这里采用的编码技术结合了差分编码、自适应编码、最小传输速率定理等技术方法。与以往的结果不同的是，考虑了一个传输速率受限且具有传输时间延迟的信道，给出了一个量化、编码和控制策略来确保系统的控制性能之间的平衡关系。结果表明：时间延迟对确保系统可镇定的传输速率下界没有影响，更大的传输速率可获得更好的控制性能，更多的时间延迟将导致控制性能下降。
本书的出版得到了中国科学院沈阳自动化研究所 “中国博士后科学基金资助项目”（编号：2013M530134，China Postdoctoral Science Foundation funded project）的资助。此外，金芳老师参与了本书编写和修改过程，修养、李东东、朱正好和张元民参与了本书的编辑和校对的大量工作，在此表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免有不妥和错误之处，殷切希望广大读者予以批评指正。