[发明专利]一种丢包网络控制系统的跟踪控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种丢包网络控制系统的跟踪控制器设计方法。它用带有观测的离散线性系统模型描述由于设备故障、网络拥塞、路由信息错误等原因引起丢包的网络控制系统，使用增广矩阵法建立与参考轨迹相关的增广系统模型，在有限时域情况下，基于新的极大值原理、微分Riccati方程、卡尔曼滤波理论以及李雅普诺夫理论，提出了一个与状态和参考轨迹都相关的最优输出反馈跟踪控制器设计方案，并给出了状态的最优估计，另外在无限时域的情况下，根据李雅普诺夫稳定理论和代数Riccati方程，提出了可以使系统稳定的最优跟踪控制器设计方法。给出具有输出反馈形式的控制器设计方法，进而保证了系统的稳定并提供了良好的跟踪性能。

技术领域

本发明涉及一种丢包网络控制系统的跟踪控制器设计方法，尤其涉及最优输出反馈跟踪控制器的设计。它针对用带有观测输出的离散线性系统描述的丢包网络控制系统，利用增广系统理论进行模型变换，基于新的极大值原理、Riccati方程，再根据李雅普诺夫稳定理论、卡尔曼滤波理论，在有限时域情况下和无限时域情况下分别给出了最优跟踪控制存在的充分必要条件，并提出了与状态和参考轨迹都相关的最优输出反馈跟踪控制器的设计方法。属于自动控制技术领域。

背景技术

得益于计算机和通信技术的飞速发展，网络应用迅速发展并逐渐渗透到生活中的各个领域。在控制领域，网络也是逐渐改变着控制系统的结构，通过通信网络来代替传统控制系统中的点对点结构已经变成了普遍现象。这种由网络形成的闭环控制系统被称为网络控制系统，相对于传统控制系统来说，其具有成本低、功耗小、可以远程操控、能够资源共享、便于安装维护等优点，因此网络控制系统被广泛应用于智能交通、远程医疗、航空航天、制造过程以及国防等领域。但是网络并不是一种可靠的传输介质，由于路由器中断、连接中断等方面的原因，传输过程也会出现数据包丢失现象。丢包现象的发生会破坏系统的稳定性，并且使系统的分析变得异常复杂，因此近年来对丢包网络控制系统的研究成为人们日益关注的话题。

近年来一部分对于丢包网络控制系统的研究取得了一定的成果，其中包括应用卡尔曼滤波理论得到的局部最优估计、基于矩阵线性不等式提出的乘性噪声系统的次优滤波以及丢包网络控制系统的稳定性分析等等。总的来说，大部分的研究都致力于系统状态的最优估计，但是很少有技术涉及到丢包网络控制系统的控制甚至跟踪控制设计。

众所周知，输出反馈控制已广泛应用于理论分析以及工程实践中。在该技术背景下，本发明给出了一种丢包网络控制系统的最优输出反馈跟踪控制器设计方法。对用带有观测输出的离散线性系统模型描述的由于设备故障、网络拥塞、路由信息错误等原因引起丢包的网络控制系统，使用增广矩阵法建立与参考轨迹相关的增广系统模型，在有限时域情况下，基于新的极大值原理、微分Riccati方程、卡尔曼滤波理论以及李雅普诺夫理论，提出了一个与状态和参考轨迹都相关的最优输出反馈跟踪控制，并给出了状态的最优估计，另外在无限时域的情况下，根据李雅普诺夫稳定理论和代数Riccati方程，提出了可以使系统稳定的最优跟踪控制，从而保证了系统的稳定性，并提供了良好的跟踪性能。

发明内容

发明目的：针对网络控制系统在实际工程（如远程医疗、智能交通、工业制造等）中应用时遇到的丢包和跟踪问题，利用离散线性系统模型进行描述；由于需要对丢包系统和参考轨迹分别求解使得求解过程变得异常复杂，基于增广矩阵原理建立增广系统模型，同时考虑到有限时域和无限时域两种情况，根据新的极大值原理、Riccati方程、卡尔曼滤波理论以及李雅普诺夫稳定理论提出了具有良好跟踪性且能使系统稳定的控制器设计方法，进而构造了具有输出反馈形式的跟踪控制器，保证了带有丢包的网络控制系统的稳定性和良好的跟踪性能。

技术方案：本发明是一种基于离散线性系统模型的输出反馈控制器设计方法，该方法具体步骤如下：

第一步对离散线性系统进行描述