单输入网络化控制系统的时延补偿滑模控制
摘 要:针对网络化控制系统中存在的网络诱导时延问题,提出了一种离散滑模控制方法。基于一类线性时不变被控对象的单输入网络化控制系统离散模型,构造了具有时延补偿的滑模面。通过系统状态预估及对状态运动的分析,设计了可以完全消除系统抖振的滑模控制器。李亚普诺夫方法证明了该控制器能使系统状态在不产生抖振的前提下收敛于滑模面,并保证系统的渐近稳定,同时不要求网络诱导时延小于一个采样周期。以位置伺服系统为对象的仿真实例验证了该设计方法的有效性。
引 言
随着控制系统规模的日益扩大以及网络通讯技术的迅速发展,网络化控制系统的应用也越来越广泛。网络化控制系统(networked control systems, NCS),是指通过计算机网络将传感器、执行器、控制器作为网络节点连接起来共同完成控制任务的系统[1 2]。它是一种分布式控制结构,具有全开放、互操作性、低成本及灵活性高等优点。但是控制回路中网络的引入,使得系统的分析和设计变得十分复杂。常规的控制理论采用的许多理想假设,如同步控制、非时延的传感和执行,有些已不再适用,所以将已有理论应用于NCS时必须重新评价[3]。这是由于网络本身的缺陷引起的,最明显的问题就是网络诱导时延的引入。这种时延可能是定常的、时变的甚至是随机的。它会使系统的控制作用或被控对象的状态发生变化。如果在设计中不考虑时延问题,将会影响闭环控制系统的性能,甚至使系统不稳定[4]。图1示意了NCS中具有网络诱导时延的反馈控制回路。其中τsc指传感器到控制器的时延,τa指控制器到执行器的时延。
针对网络诱导时延对系统的影响,如何设计鲁棒的控制器就成为一个关键问题。滑模变结构控制的完全鲁棒性,使其对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有很强的不敏感性。文献[5]基于离散的系统模型,在状态预估的基础上,设计了滑模预估控制器。该方法是通过引入信息接受缓冲区来实现时延的确定化。这样人为扩大了时延,降低了系统性能。文献[6]针对系统的时变不确定性,设计了基于预报器的鲁棒滑模控制器。文献[7]针对一类具有多状态时延和不确定性的单输入线性网络化控制系统,通过假定一个虚拟状态,将滑模控制和LQR结合起来。但文献[6,7]是基于连续系统模型进行控制器设计的,这与实际NCS不符。
本文针对单输入网络化控制系统的离散模型,基于文献[5]系统状态预估,构造具有时延补偿的滑模面。通过分析系统不存在抖振时状态运动的条件,设计离散滑模控制方法。利用李亚普诺夫方法证明该控制方法能使系统状态在不产生抖振的前提下收敛于滑模面,并保证系统的渐近稳定。设计过程中不要求网络诱导时延小于一个采样周
1 系统描述
假设单输入网络化控制系统中的被控对象为连续线性时不变系统,其动态方程为
的滑模超平面,设计了从本质上消除抖振的离散滑模控制器,并通过李亚普诺夫方法证明了该控制律可使系统渐近稳定。设计中不要求网络诱导时延小于一个采样周期。仿真结果表明:该离散滑模控制律可以完全消除抖振,保证系统的快速稳定。但是这里只考虑了网络化控制系统中确定的网络诱导时延,对于时变或随机的网络诱导时延,同时考虑数据丢包和错序的问题以及输出反馈变结构控制器的设计等问题,则是需要进一步研究的。
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