● 摘要
网络控制系统(Networked Control System, NCS)是指通过计算机网络和总线将传感器、执行器和控制器单元作为网络节点连接起来共同完成控制任务的闭环反馈控制系统。由于网络控制系统共享网络信道传输信号，从而不可避免地引入网络时延和丢包的问题。本文采用隐半马尔可夫模型(Hidden Semi-Markov Model, HSMM)将存在时延和丢包的网络控制系统建模为多模态切换控制系统。基于半马尔可夫跳变线性系统的理论分析设计状态反馈控制器，给出了网络控制系统多模态切换控制方法，并仿真验证了控制方法的有效性。具体内容包括以下几个方面：1. 针对网络特性的描述，分析了用隐半马尔可夫模型描述网络状态和网络时延及丢包关系的优势，进而介绍了隐半马尔可夫模型的基本理论、基本问题、基本算法和主要应用。2. 针对网络时延小于一个采样周期的网络控制系统，建立NCS和HSMM的关系，并设计状态反馈 控制器。首先，将网络状态和网络时延之间的关系建立成隐半马尔可夫模型，进而对NCS的状态转移概率、驻留时间概率和网络负载模态进行估计。然后将网络控制系统建模成半马尔可夫跳变线性系统。由于半马尔可夫跳变线性系统的状态转移概率是时变的，因而利用状态自转移概率的区间表达，将时变不可解的线性不等式转换为可解的形式。进而设计状态反馈 控制器，实现网络控制系统基于HSMM的多模态切换控制。3. 针对上面的初步控制器设计方法，改变网络控制系统的建模方法。将网络时延的随机性转化为系统状态方程系数的不确定性，从而将网络控制系统建模成不确定切换系统模型，进一步研究了该模型基于 性能界的鲁棒状态反馈控制问题。 4. 针对同时存在网络时延和数据包丢失的网络控制系统，建立新的模型。将存在数据包丢失的网络看作是一段时断时闭的开关线路，用开关状态表示数据包是否丢失，即开关闭合时表示无丢包，开关断开时表示丢包。数据包丢失时，采用上一时刻最新到达的数据信息来更新控制器信息。当网络控制系统中同时存在网络时延和丢包时，网络负载模态更复杂。首先利用HSMM对网络状态和网络时延及丢包的关系进行建模。然后将网络控制系统建模成不确定切换系统模型，设计状态反馈鲁棒 控制器，从而实现网络控制系统的多模态切换控制。