Transcript NCS滤波研究背景
具有长时延及丢包的NCS鲁棒H2滤 波研究报告 报告人： 潘 宁 导 师： 蔡云泽 2010.03.17 提纲 1 2 NCS滤波研究背景 NCS模型描述 3 鲁棒H2滤波稳定性分析 4 鲁棒H2滤波器设计 5 仿真研究 NCS滤波研究背景 NCS模型描述 鲁棒H2滤波稳定性分析 鲁棒H2滤波器设计 仿真分析 网络控制系统（NCS）的崛起 日常应用 Smart home（智能家居） NCS intelligent Robot（美国军用智能狗） automobiles （007智能车） Telesurgery（远程手术） NCS研究背景 军工应用 NCS 鱼雷导弹制导与控制 战斗机协同作战 航天火星探测 NCS历史追踪 《控制论—关于在动物和 机器中控制和通信的科学》 1998Walsh 给出网络控制系统的 概念和明确定义 1948维纳 马里兰大学， 给出NCS的图示结构 于之训和顾洪军 Halevi和Ray Murry和As2 trom等 将网络控制大致分为 （1）基于网络的控（控制领域） （2）对网络的控制（通讯领域） NCS领域分支---滤波（信号处理）研究现状 NCS滤波研究现状 网络诱导时延 （1）对于随机且分布特性已知的网络时延,利用随机控制理论方法进 行系统分析与设计. （2）对于时变、不确定的网络时延,采用鲁棒控制、自适应控制、智 能控制等方法进行系统分析与设计 （3）通过技术手段将时变时延转化为固定时延,利用确定性系统方法 进行分析和设计 （4）主要短时延，长时延研究较少 NCS领域分支---滤波（信号处理）研究现状 NCS滤波研究现状 数据包丢失 由于数据包丢失呈现出明显的时变和不确定性,难以准确描述数据包 丢失特性和模型. 因此： （1）一方面,建立反映时变、不确定和随机丢包特性的NCS模型 （2）并采用近年来出现的切换系统，混合系统，异步动态的分析方 法,研究控制 器的设计方法 NCS领域分支---滤波（信号处理）研究现状 带有干扰的NCS设计（去噪，滤波） H∞,H2综合的方法 引入控制器和滤波器设计 提出了一种时延补偿结构, 可实现对噪声的滤波处理 ZhangWei 于之训 Goktas Lincoln 卡尔曼滤波器, 保证分离定理 Walsh和 Bushnell Noise 考虑长时延，丢包， 等因素的滤波研究 用非线性和摄动理论,将NCS 中的时延效应看作连续系统的 摄动,提出了摄动方法 New Derection 本文研究思路 本文研究思路 传统的最优滤波理论如最小二乘法、维纳滤波以及卡尔曼滤 波理论均是基于系统部件之间数据传送具有无限可能的精度假 设,而并未考虑实际网络环境下的时延，丢包等不确定性因素； 虽然已有研究试将卡尔曼滤波算法扩展到时滞情况，但是滤波 公式推导复杂，且得不到最优解。 在Kalman滤波理论基础上发展的现代鲁棒滤波技术考虑了系 统中含有不确定参数、噪声干扰统计特性不能完全获知等情况， 在系统中存在不确定因素的情况下可以得到较好的滤波效果， 但在网络环境中，接收的信息还出现了延时和丢包现象。因此， 基于确定性系统的鲁棒滤波技术在随机系统领域已经不再适用， 需要改进或开发新的理论和算法。 本文研究思路 本文研究思路 目前对NCS的鲁棒滤波问题研究较少，且多考虑短时延。对 于同时考虑时延和丢包的鲁棒滤波研究更少。最新研究成果将 定常系统H2滤波的概念推广到随机系统，研究了同时具有随机 短时延和数据包丢失的随机系统H2滤波。 本文基于已有思想，研究了传感器和滤波器之间同时存在长 时延及丢包的 滤波器设计问题。引入随机序列，建立具有长 时延和数据包丢失的随机参数模型。基于该模型，通过扩展 范数在随机系统中的定义，给出滤波误差系统的随机范数表达 式。利用状态增广的方法给出满足滤波误差系统指数稳定和随 机性能指标的充分条件。通过求解线性矩阵不等式求出 最优 滤波参数。 NCS滤波研究背景 NCS模型描述 鲁棒H2滤波稳定性分析 鲁棒H2滤波器设计 仿真分析 NCS模型描述 模型合理假定： （1）假设NCS被控对象为线性定常系统，状态方程为： （2）传感器和滤波器均采用时钟驱动， 采样周期为T。控制器为事件驱动。 （3） （4）丢包采用开关切换系统： NCS模型描述 模型表示（处理时延和噪声）引入滤波方程 K1发生时： K2发生时 系 统 方 引入随机序列 通过状态增广，将 系统方程和滤波方 方程融合为滤波误 系统 NCS滤波研究背景 NCS模型描述 鲁棒H2滤波稳定性分析 鲁棒H2滤波器设计 仿真分析 鲁棒H2滤波稳定性分析 < 鲁棒滤波稳定性分析 （1）对于确定的线性定常系统，如果输入是标准白噪声，则系统输出的均方根等于 系统的 H2范数。而在随机系统领域，此结论将不再适用。 （2）基于 对带有随机长时延和丢包的NCS 滤波器设计问题可归结为设计滤波器 使得： ① 滤波误差系统指数稳定； ② 由扰动输入到误差状态输出的 范数小于一个指定的上界 ，即 < ： 定理 NCS滤波研究背景 NCS模型描述 鲁棒H2滤波稳定性分析 鲁棒H2滤波器设计 仿真分析 鲁棒H2滤波器设计 鲁棒H2滤波器设计（将定理1的矩阵不等式线性化） 采用矩阵分解，合同变换等方法，将定理1中的非线性矩阵不等式转化为线 性矩阵不等式得定理2： NCS滤波研究背景 NCS模型描述 鲁棒H2滤波稳定性分析 鲁棒H2滤波器设计 仿真分析 仿真分析 仿真分析 利用LMI工具包进行仿真分析，仿真结果如下： 论文总结 长时延因素 丢包因素 NCS 滤波 噪声干扰 NCS滤波前景展望 复杂网络 通信领域与控制领域融合 由于现实社会网络复杂度， 为了更贴近现实，将通信领 域的因素考虑到控制领域，所设 计的NCS滤波器将更具有实际应 用价值，更容易被工业领域认可 研究复杂网络环境，分布式系统， 多智能体领域的NCS滤波具有 重要意义