内容简介
本书全面介绍了作者近年来在网络控制系统领域的研究成果。主要内容包括：网络控制建模方法综述；区间化随机时延的网络控制系统镇定研究；区间化时变时延的网络控制系统镇定研究；网络控制系统时变采样周期的建模与切换控制；具有网络诱导时延与随机丢包的网络化系统建模与控制；具有时延与丢包的网络化切换系统建模与控制；混合事件触发下的不确定网络化系统建模与控制；不确定网络化系统的鲁棒H∞输出跟踪控制；网络化保性能PID控制；二自由度机器人的网络化PID跟踪控制；网络随机时延下的机器人遥操作控制研究；TrueTime在网络控制系统仿真中的应用。
本书适合控制系统与工程、网络化控制系统以及物理信息系统等领域的研究人员阅读，也可作为高等院校控制理论与控制工程等相关专业的研究生及高年级本科生的参考书。
目录
第1章绪论(1)
1.1研究背景及意义(1)
1.2研究现状(3)
1.2.1NCS的基本问题研究现状(3)
1.2.2基于事件触发机制的NCS研究现状(7)
1.2.3网络化输出跟踪控制研究现状(8)
1.3研究内容及创新点(9)
1.4本章小结(10)
参考文献(10)
第2章预备知识——LMI工具箱在控制领域的相关应用(20)
2.1LMI的表示方法(20)
2.2可转化为LMI表示的问题(21)
2.3一些标准的LMI问题(22)
2.4求解LMI问题的算法(25)
2.5MATLAB中LMI工具箱的使用(25)
2.5.1LMI的确定(26)
2.5.2LMI标准求解器(29)
2.5.3综合示例(33)
2.6本章小结(35)
参考文献(35)
第3章网络控制系统建模方法综述(37)
3.1问题描述(37)
3.2系统建模(38)
3.3本章小结(40)
参考文献(41)
第4章区间化随机时延的网络控制系统镇定研究(42)
4.1问题描述(43)
4.2系统建模(45)
4.3系统随机稳定性分析(46)
4.4镇定控制器设计(48)
4.5数值算例仿真(49)
4.6本章小结(53)
参考文献(54)
第5章区间化时变时延的网络控制系统镇定研究(56)
5.1问题描述及系统建模(57)
5.2系统指数稳定性分析(58)
5.3镇定控制器设计(59)
5.4数值算例仿真(62)
5.5实验(65)
5.6本章小结(74)
参考文献(75)
第6章网络控制系统时变采样周期的建模与切换控制(78)
6.1问题描述及系统建模(79)
6.2系统指数稳定性分析(81)
6.3镇定控制器设计(83)
6.4数值算例仿真(85)
6.5本章小结(87)
参考文献(87)
第7章具有网络诱导时延与随机丢包的网络化系统建模与控制(89)
7.1问题描述及系统建模(90)
7.2系统随机稳定性分析(94)
7.3镇定控制器设计(95)
7.4数值算例仿真(97)
7.5本章小结(100)
参考文献(100)
第8章具有时延与丢包的网络化切换系统建模与控制(104)
8.1问题描述及系统建模(105)
8.2系统指数稳定性分析(107)
8.3镇定控制器设计(109)
8.4数值算例仿真(111)
8.5实验(113)
8.6本章小结(115)
参考文献(115)
第9章混合事件触发下的不确定网络化系统建模与控制(119)
9.1问题描述及系统建模(120)
9.1.1混合事件触发机制的建立(120)
9.1.2系统模型的建立(121)
9.2系统稳定性分析(123)
9.3镇定控制器设计(127)
9.4数值算例仿真与实验(130)
9.4.1数值算例仿真(130)
9.4.2实验(133)
9.5本章小结(136)
参考文献(136)
第10章不确定网络化系统的鲁棒H∞输出跟踪控制(140)
10.1问题描述及系统建模(141)
10.2鲁棒H∞输出跟踪性能分析(143)
10.3鲁棒H∞输出跟踪控制器设计(145)
10.4数值算例仿真(147)
10.5本章小结(152)
参考文献(152)
第11章网络化保性能PID控制(156)
11.1问题描述及系统模型(157)
11.2网络化PID控制稳定性分析(158)
11.3网络化PID控制器设计(161)
11.4数值算例仿真与实验(163)
11.4.1数值算例仿真(163)
11.4.2实验(166)
11.5本章小结(169)
参考文献(170)
第12章二自由度机器人的网络化PID跟踪控制(173)
12.1问题描述及系统建模(174)
12.2网络化PID控制稳定性分析(176)
12.3网络化PID跟踪控制控制器设计(179)
12.4数值算例仿真与实验(181)
12.5本章小结(183)
参考文献(183)
第13章网络随机时延下的机器人遥操作控制研究(186)
13.1机器人遥操作系统动力学模型建立(189)
13.2网络时延分布特性(193)
13.3基于平均驻留时间切换方法的网络遥操作机器人稳定性控制研究(194)
13.4区间化时滞时延方法的遥操作系统建模与控制(195)
13.5仿真算法设计与实现(198)
13.6本章小结(202)
参考文献(203)
第14章TrueTime在网络控制系统仿真中的应用(207)
14.1TrueTime1.5工具箱介绍(207)
14.1.1TrueTime开发工具历史(207)
14.1.2TrueTime1.5工具箱的组成(207)
14.1.3TrueTime工具箱的用途(208)
14.1.4在MATLAB中安装TrueTime工具箱的步骤(209)
14.2有线网络控制系统的分析与设计实例(209)
14.2.1有线网络控制系统组成结构(209)
14.2.2有线网络控制系统中存在的问题(210)
14.2.3有线网络控制系统的仿真实例(210)
14.3无线网络控制系统的分析与设计实例(218)
14.3.1无线网络控制系统组成结构(218)
14.3.2无线网络控制系统中存在的问题(219)
14.3.3无
试读
略
前言/序言
近年来，网络控制系统的研究受到了国内外控制领域学者的广泛关注。相对于传统的点对点控制系统，网络控制系统更易于设计成大规模系统，且具有容易安装和维护、布局布线方便、灵活性高等优点。但是，将网络引入控制系统，数据在带宽有限的网络中传输不可避免地会存在诸如网络诱导时延、数据丢包等网络约束问题，这使得网络控制系统的分析和设计比传统的控制系统更为复杂。针对以上问题，现有文献已经做了很多的相关研究工作，也取得了较好的研究成果。因此，本书在已有研究成果的基础上，针对具有网络诱导时延与数据丢包的网络化系统的镇定与跟踪控制问题展开进一步的研究，主要完成了以下研究内容。
（1） 首先给出了本书需要的预备知识——LMI工具箱在控制领域的相关应用。接着总结了网络控制系统常用的建模方法，为后续研究做了铺垫。
（2） 研究了具有网络诱导时延的网络控制系统镇定问题。为了进一步降低设计的保守性，可将网络诱导时延的变化范围进行区间划分，将其转化为在多个区间内的小范围变时延问题。进而在随机系统分析方法中，根据时延在各个区间的跳变特性将其描述为一个基于有限状态的Markov随机过程，建立了参数不确定的离散时间跳变系统模型；同时在Markov时延转移概率矩阵中部分元素未知，甚至全部未知的条件下，设计了满足系统随机稳定性要求的时变控制器。由于难以获取时延的跳变概率，因此本书进一步地提出了确定性的切换系统分析方法。在该方法中，针对被划分为多个小区间的时延，采用增广矩阵的方法建立了参数不确定的离散时间切换系统模型；基于平均驻留时间，给出了系统满足指数稳定的条件以及控制器的设计方法，确定了时延区间划分个数与系统指数衰减率之间的定量关系。
（3） 研究了具有网络诱导时延与数据丢包的网络控制系统镇定问题。在随机系统分析方法中，采用了Markov随机过程来描述系统丢包的特性，然后利用增广矩阵的方法建立了参数不确定的离散时间跳变系统模型。接着在Markov丢包转移概率矩阵中部分元素未知，甚至全部未知的条件下，采用Lyapunov稳定性理论和随机理论的分析方法，设计了依赖于丢包特性且满足系统均方稳定要求的时变控制器。类似地，由于难以获取丢包的跳变概率，因此本书进一步地提出了确定性的切换系统分析方法。在该方法中，针对同时存在的时延与丢包问题，首先采用增广矩阵的方法建立了参数不确定的离散时间切换系统模型，然后基于模型依赖的平均驻留时间的切换系统分析方法，给出了系统满足指数稳定的条件，进而确定了系统指数衰减率和系统丢包率之间的定量关系。
（4） 研究了混合事件触发机制下的建模与控制问题。目前大部分网络控制系统的研究都是基于时间触发通信机制而展开的，它的执行周期常常是按照系统*坏的情况来设计的，因此所有的采样信号均需要通过网络发送，而不考虑被控对象状态变化的影响。显然，时间触发通信机制不能充分利用有限的网络资源，甚至会加重网络负担，破坏网络控制系统的性能。因此，本书从节约网络资源和保证系统控制性能的角度，对存在不确定参数的网络控制系统进行研究。首先利用系统状态相关信息和无关信息给出了触发阈值，其次利用时滞系统分析方法建立了具有时变时延的网络化系统模型，然后在考虑网络诱导时延分段连续可微特性的基础上，利用自由权矩阵和互逆凸组合方法给出了系统满足渐进一致有界稳定的条件和控制器的设计方法。
（5） 研究了网络化输出跟踪控制的问题。在鲁棒H∞控制方法中，利用参考模型，并采用增广状态空间模型的方法，将网络诱导时延、数据丢包以及参数不确定等问题统一在时滞系统模型下，进而将输出跟踪问题转化为系统鲁棒H∞控制问题，设计了一个鲁棒的状态反馈控制器，在鲁棒H∞的意义上保证了系统的输出跟踪性能。由于PID算法先天的优势，可消除跟踪输出误差，因此本书在前期研究的基础上提出了保性能PID控制方法。针对实际工业工程中具有的二阶传递函数对象，本书将PID控制器参数选择问题归结为线性矩阵不等式求解凸优化的系统稳定性问题，实现了网络化PID跟踪控制，具有快速平稳且输出无静差的跟踪效果。
（6） 在相关研究的基础上，本书给出了相关的实际应用研究，包括二自由度机器人的网络化PID跟踪控制、网络随机时延下的机器人遥操作控制研究。本书在*后介绍了网络控制系统的常用仿真软件——TrueTime。
本书是著者近年来从事网络控制系统研究阶段性工作和心得体会的总结。本书共14章，其中前言、第1章、第2章及第4至13章由刘义才执笔，第3章和第14章由潘登执笔。感谢武汉商学院学术著作出版基金（自然类，编号：XZ202104）对本书的资助。由于著者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。
刘义才
2024年12月
