CN110298144B - 基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，构建在周期采样和连续事件触发机制之间切换的交替式事件触发机制，传输触发信息和模态信息给控制器，通过连续地检测触发条件避免遗漏有效信息，通过引入采样周期减少数据传输和更新。将飞行控制系统刻画为网络化切换系统，在存在网络诱导时延和丢包的情况下设计了基于事件触发机制的异步切换控制，符合飞行控制系统中模型动态快速变化特性和各内部组件间基于实时网络传输并处理数据的实际飞行工况，降低飞行控制系统的数据计算负荷、节约有限的数据传输带宽、提高整体的性能和精度要求。本发明技术方案仅需使用输出误差信息，不依赖传感器和飞行器的状态信息，易于工程实现。

Description

基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法

技术领域

本发明涉及网络控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法。

背景技术

随着现代飞行器任务越来越复杂，不可避免地增加了由传感器、控制器和执行器组成的闭环系统中的数据传输量。飞行控制系统基于实时网络实现了内部组件之间的数据共享和数据传输，从而将飞行器建模为网络飞行控制系统。近年来，切换系统理论研究的成果不断涌现，其易于刻画快速变化模型的特点极大地推动了切换技术在飞行控制系统的应用。因此，利用飞机全包线内每个操作点的动态模型信息，可以将整个飞行动态建模为一个切换的网络化系统。随着工业信息化的快速发展，网络化系统以其低损耗、安装简便、可远程操作、成本低等优势逐渐被广泛研究和应用。然而，网络化传输在改善系统性能的同时，也会受到网络诱导约束，例如网络时延和数据丢包等。传统的周期采样机制使得数据的采样和传输同步进行，一些对系统性能没有较大改善的采样也被传输，这势必会造成网络拥塞，从而导致网络时延和数据丢包问题。而事件触发机制可以有效地减少数据传输次数和控制器更新频率，缓解通信信道压力，继而避免网络延迟和降低数据丢包率。因此，基于事件触发传输机制，考虑存在网络诱导时延和数据丢包问题的网络化切换控制系统具有重要的研究意义。

发明内容

根据上述提出现有事件触发技术中的连续事件触发机制和周期采样机制产生过多不必要的数据传输和容易遗漏有效信息从而导致的网络时延和数据丢包的技术问题，而提供一种基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法。本发明将飞行控制系统刻画为网络化切换系统，并且在存在网络诱导时延和丢包的情况下设计了基于事件触发机制的异步切换控制，这更加符合飞行控制系统中模型动态快速变化的特性和各内部组件间基于实时网络传输并处理数据的实际飞行工况，有利于降低飞行控制系统的数据计算负荷、节约有限的数据传输带宽、提高其整体的性能和精度要求。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，包括以下步骤：

S1、构建一个基于网络化切换控制的飞行控制系统的状态方程；

S2、构建交替式的事件触发机制；

S3、构建基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器；

S4、构建一个基于交替式事件触发控件和相应的误差反馈控制器的闭环系统方程；

S5、利用切换技术分析上述闭环系统方程，在存在网络诱导时延和丢包的情况下，确定保证飞行控制系统输出调节问题可解的判据。

进一步地，所述基于网络化切换控制的飞行控制系统的状态方程具体为：

其中，

和

分别表示系统状态，控制输入和可测输出跟踪误差，A_σ(t),B_σ(t),C_σ(t),D_σ(t),Q_σ(t)分别表示已知的适当维数常数矩阵，σ(t):[0,∞)→M＝{1,2,...,m}表示分段常值的切换信号，

表示参考信号和/或干扰的外部输入，由切换外部系统

生成,并且矩阵S_σ(t)的所有特征值具有非负实部。

进一步地，所述的构建交替式的事件触发机制具体为：

S21、为研究基于网络化切换控制的飞行控制系统基于事件触发机制的输出调节问题，给出如下假设：

假设1、在切换信号σ(t)下，所述基于网络化切换控制的飞行控制系统的切换序列表示为

其中t_k是切换时刻，此时系统模态从

切换到σ(t_k)＝i≠j，i,j∈M；

假设2、满足事件触发通信协议的事件触发传输序列描述为

以上数据在网络传输过程中可能会丢失；

假设3、事件触发采样序列

通过网络进行传输，成功向控制器传输的采样序列表示为

假设4、成功传输采样序列

在经过网络时延传递给控制器的采样序列表示为

其中

满足

η_r表示从传感器到执行器的总通信时延满足η_r≤η_M＜h，η_M＝sup_{r∈{1,2,...,n'}}{η_r}，n'表示第i个子系统运行时事件触发的最大次数，h为传感器等待时间；

S22、当网络中存在通信时延时，构建基于成功传输点序列

的交替式事件触发机制如下：

其中，

是数据成功传输时两个相邻的事件触发时刻，h为传感器等待时间，

是阈值；

S23、假设在子系统i运行期间有n′个事件被成功传输，当n′个事件经过网络传递给控制器，不可避免会有网络时延发生，讨论

的情况，υ＝0,1,2,...,n'；当

时，定义一个分段时滞函数

使得根据(2)可得出在该时间段内事件触发条件为：

当

(3)成立，

且

即

满足：

S24、当网络中同时存在通信时延和丢包时，构建的交替式的事件触发机制为：

其中，

是阈值。

进一步地，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器，具体为：

其中，H_σ(t)和E_σ(t)表示适当维数的常数矩阵，

表示待设计的控制器增益，ξ(t)表示控制器的内部状态，

表示控制器的切换信号，

d₀＝0，d_k表示控制器u_i(模态为i)滞后于对应的子系统i的时延，即

0≤d_k＜d_Mi，d_Mi表示控制器u_i的最大滞后时延。

进一步地，由于所述交替式事件触发机制和异步切换信号相互协作，因此分为以下四种情况讨论误差反馈控制器的具体形式：

情况1、当

时，记τ(t)＝t-s_r≤h+η_M＝τ_M，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况2、当

时，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况3、当

时，记τ(t)＝t-s_r+υ≤h+η_M＝τ_M，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况4、当

时，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

进一步地，所述闭环系统方程包括同步切换和异步切换两种情况，具体为：

S41、当

时，控制器模态与系统模态不匹配造成异步切换

其中，

S42、当

时，控制器与相应的切换子系统同步运行

其中，

进一步地，所述飞行控制系统输出调节问题可解的判据为：

Π_iS_i＝A_iΠ_i+B_iH_iΣ_i+D_i,E_iΣ_i＝Σ_iS_i,0＝C_iΠ_i+Q_i

最大可允许连续丢包数d_r满足：

切换规则满足依赖于触发时刻和系统模态的平均驻留时间条件：

其中，s_r+n′是在

后的首次触发时刻，h是交替式触发机制中传感器的等待时间，d_Mi是控制输入u_i滞后于子系统i的最大时延，h＞0,η_M＞0,τ_M＞0,d_Mi＞0,

λ_i＞0,λ_ij＜0,

和ε＞0是常数，

是对称正定矩阵，

是任意适当维数矩阵，S_σ(t)的所有特征值具有非负实部，式中：

l∈{i,ij},i≠j,i,j∈M

λ_i＝β_i,λ_ij＝-κ_i,

其它项均为适当维数的零矩阵。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，构建了一个在周期采样和连续事件触发机制之间切换的交替式事件触发机制，该机制不仅传输触发信息还有模态信息给控制器，既能通过连续地检测触发条件从而在一定程度上避免遗漏有效信息，又能通过引入采样周期从而减少不必要的数据传输和更新。

2、本发明提供的基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，将飞行控制系统刻画为网络化切换系统，并且在存在网络诱导时延和丢包的情况下设计了基于事件触发机制的异步切换控制。由于系统信息在传输过程中不可避免地会产生网络诱导时延和数据丢包，从而出现控制器模态和系统模态更新时间不匹配的情况。因此，这种建模方法更加符合飞行控制系统中模型动态快速变化的特性和各内部组件间基于实时网络传输并处理数据的实际飞行工况，有利于降低飞行控制系统的数据计算负荷、节约有限的数据传输带宽、提高其整体的性能和精度要求。

3、本发明所提出的交替式事件触发机制，以及基于该事件触发机制的异步切换控制器和异步切换规则的联合设计方案仅需使用输出误差信息，不依赖于传感器和飞行器的状态信息，易于工程实现。

综上，考虑到网络传输中的有限带宽限制和飞控系统更高精度的建模需求，本发明将飞行控制系统刻画为网络化切换系统，并且在存在网络诱导时延和丢包的情况下设计了基于事件触发机制的异步切换控制，构建了一个在周期采样和连续事件触发机制之间切换的交替式事件触发机制，所提出的设计方案仅依赖于输出误差信息。因此，本发明的技术方案解决了现有事件触发技术中的连续事件触发机制和周期采样机制产生过多不必要的数据传输和容易遗漏有效信息从而导致的网络时延和数据丢包等问题。另外，基于网络化切换系统的建模方式、基于上述事件触发机制的异步切换控制方法更符合实际工况，有利于提高飞控系统的整体性能和精度要求。

基于上述理由本发明可在网络控制等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明网络化切换系统的事件触发误差反馈控制框图。

图3为本发明实施例提供的具有通信时延的事件触发时刻与切换时刻关系示意图。

图4为本发明实施例提供的基于事件触发时刻和系统模态的平均驻留时间条件的切换信号。

图5为本发明实施例提供的存在通信时延和丢包情况下的闭环系统的状态响应示意图。

图6为本发明实施例提供的存在丢包和时延情况下的系统输出跟踪误差示意图。

图7为本发明实施例提供的事件触发时刻和丢包时刻示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，包括以下步骤：

S1、构建一个基于网络化切换控制的飞行控制系统的状态方程；

S2、构建交替式的事件触发机制；

S3、构建基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器；

S4、构建一个基于交替式事件触发控件和相应的误差反馈控制器的闭环系统方程；

S5、利用切换技术分析上述闭环系统方程，在存在网络诱导时延和丢包的情况下，确定保证飞行控制系统输出调节问题可解的判据。

实施例1

本实施例中，以麦克唐纳-道格拉斯公司研制的F-18飞机为研究对象，F-18是一种舰载喷气推进多用途作战飞机，它在空中电子战中具有强大的火力和良好的性能，是美国海军的主流飞机，在整个飞行过程中，飞机纵向运动的初始阶段以短时运动为主，由于其周期短、变化快，飞行员没有足够的时间采取纠正措施，因此，纵向短周期运动对飞行安全和射击精度上有很大的影响，特别是在F-18飞机的研究中；F-18飞机的非线性动力学模型如下

其中，α和q表示迎角和俯仰角速度，m表示飞机的质量，

和

表示飞机动压沿OX轴分量和平均几何弦，S表示机翼面积，U₁和θ₁分别表示飞机速度沿OX轴分量和飞机俯仰姿态角摄动值，I_yy表示飞机对OY轴的惯性矩，δ_e和

表示升降舵偏转角和飞机阻力系数，

分别表示飞机升力系数随迎角、无量纲迎角变化率、无量纲俯仰角速度、升降舵偏转角的变化，

表示飞机俯仰力矩系数随迎角推力的变化，

分别表示飞机俯仰力矩系数随迎角、无量纲迎角变化率、俯仰角速度、升降舵偏转角的变化.

表1F-18飞机中12个操作点

通常，纵向短周期运动在飞行全包线内可被划分成多个操作点，对每个操作点利用雅可比线性化方法，非线性动态模型(13)可被转化为如下线性化的动态模型

e(t)＝Cx(t)+Qw(t)          (15)

其中，

表示状态向量；

表示控制输入；w表示外部输入信号，可被视为(14)中的干扰或(15)中的参考信号；e表示可测输出跟踪误差，即实际输出和期望输出之间的差；A＝[Z_αZ_q；M_αM_q]和

是系统矩阵，Z_α,Z_q,M_α,M_q是纵向稳定性导数，

是纵向控制导数，δ_E和δ_PTV表示对称的水平尾翼偏转和俯仰推力矢量喷管偏转；D和Q表示添加到系统或输出跟踪误差上的干扰或参考信号的系数矩阵；C是输出跟踪误差系统矩阵。

每个操作点的线性模型都能描述相应操作点附近的动态行为；假设存在12个模型涵盖了F-18飞机的整个动态行为，相应的12个操作点如表1所示，纵向短周期运动可视为相邻操作点之间的线性动态切换；因此，飞机模型(13)能被建模为一个切换的网络化系统。

根据相邻操作点之间的线性动态切换，所述构建的基于网络化切换控制的飞行控制系统的状态方程具体为：

其中，

和

分别表示系统状态，控制输入和可测输出跟踪误差，A_σ(t),B_σ(t),C_σ(t),D_σ(t),Q_σ(t)分别表示已知的适当维数常数矩阵，σ(t):[0,∞)→M＝{1,2,...,m}表示分段常值的切换信号，

表示参考信号和/或干扰的外部输入，由切换外部系统

生成,并且矩阵S_σ(t)的所有特征值具有非负实部。

实施例2

通过设计一个交替式事件触发机制和基于控制输入δ_E和δ_PTV的控制器，基于事件触发机制的网络化飞行控制系统的输出调节问题转化为网络化切换系统的输出调节问题；

所述的构建交替式的事件触发机制具体为：

S21、为研究基于网络化切换控制的飞行控制系统基于事件触发机制的输出调节问题，给出如下假设：

假设1、在切换信号σ(t)下，所述基于网络化切换控制的飞行控制系统的切换序列表示为

其中t_k是切换时刻，此时系统模态从

切换到σ(t_k)＝i≠j，i,j∈M；

假设2、满足事件触发通信协议的事件触发传输序列描述为

以上数据在网络传输过程中可能会丢失；

假设3、事件触发采样序列

通过网络进行传输，成功向控制器传输的采样序列表示为

假设4、如图2所示，成功传输采样序列

在经过网络时延传递给控制器的采样序列表示为

其中

满足

η_r表示从传感器到执行器的总通信时延满足η_r≤η_M＜h，η_M＝sup_{r∈{1,2,...,n'}}{η_r}，n'表示第i个子系统运行时事件触发的最大次数，h为传感器等待时间；

如果所有的事件触发采样数据都经过网络被成功传输，则

如果

表示有丢包发生。

S22、结合图3，当网络中存在通信时延时，构建基于成功传输点序列

的交替式事件触发机制如下：

其中，

是数据成功传输时两个相邻的事件触发时刻，h为传感器等待时间，

是阈值；

S23、假设在子系统i运行期间有n′个事件被成功传输，当n′个事件经过网络传递给控制器，不可避免会有网络时延发生，如图3所示，讨论

的情况，υ＝0,1,2,...,n'；当

时，定义一个分段时滞函数

使得根据(2)可得出在该时间段内事件触发条件为：

当

(3)成立，

且

即

满足：

S24、当网络中同时存在通信时延和丢包时，构建的交替式的事件触发机制为：

其中，

是阈值。

实施例3

所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器，具体为：

其中，H_σ(t)和E_σ(t)表示适当维数的常数矩阵，

表示待设计的控制器增益，ξ(t)表示控制器的内部状态，

表示控制器的切换信号，

d₀＝0，d_k表示控制器u_i(模态为i)滞后于对应的子系统i的时延，即

0≤d_k＜d_Mi，d_Mi表示控制器u_i的最大滞后时延。

如图3所示，由于所述交替式事件触发机制和异步切换信号相互协作，因此分为以下四种情况讨论误差反馈控制器的具体形式：

情况1、当

时，根据交替式事件触发机制(2)，该时间段内传感器处于等待阶段；若

时，传感器等待时间为h；若

时，传感器等待时间小于h。由于切换系统在t_k时刻已经切换到第i个子系统，而数据包未传输到控制器，使得控制器模态和控制输入仍保持上一个事件触发成功传输时刻

时的信息，这将会造成异步切换；利用输入时滞方法，将该传感器等待时段内控制输入表示为具有时变延迟τ(t)＝t-s_r≤h+η_M＝τ_M的连续时间函数，此时，基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况2、当

时，若

时，事件发生器持续检测时长为

若

时，事件发生器无需检测.该时间段内，控制输入仍保持上一个成功传输事件触发时刻

的传输信息和模态信息，直到交替式事件触发机制(2)中的触发条件在

时刻被满足，此时，基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况3、当

时，传感器处于等待阶段.控制器与相应的切换子系统同步运行，控制输入保持成功传输事件触发时刻

的状态信息不变，记τ(t)＝t-s_r+υ≤h+η_M＝τ_M，此时，基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况4、当

时，事件触发条件被持续检测，控制输入保持上一个成功传输事件触发时刻

的传输信息和模态信息，直到

时刻下一个事件被成功传输，此时，基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

实施例4

考虑网络化切换系统(1)和切换的外系统

如果存在适当设计的异步切换规则、误差反馈控制器(6)以及相应的交替式事件触发机制(2)，使得：

w＝0时，相应的闭环系统是指数稳定的；

w≠0时，在零初始条件下，相应闭环系统的解满足：

那么称网络化切换系统(1)的异步输出调节问题是可解的。

为方便叙述该问题的求解过程，需给出以下假设：

假设5、存在矩阵Π_i,Σ_i,H_i和E_i满足下列调节器方程：

结合基于网络化切换控制的飞行控制系统的状态方程(1)和假设5，在基于交替式事件触发机制(2)的误差反馈控制器(6)下，相应的闭环系统方程包括同步切换和异步切换两种情况，具体为：

S41、当

时，控制器模态与系统模态不匹配造成异步切换

其中，

S42、当

时，控制器与相应的切换子系统同步运行

其中，

实施例5

本实施例中，分别讨论只具有通信时延以及同时具有通信时延和数据丢包的网络化切换系统，研究该系统基于事件触发的输出调节问题。

(一)具有通信时延和无丢包的事件触发输出调节问题

定理1：考虑满足假设1-5的基于网络化切换控制的飞行控制系统(1)。给定常量h＞0,η_M＞0,τ_M＞0,d_Mi＞0,

λ_i＞0,λ_ij＜0,

如果存在适当维数的对称正定矩阵

和适当维数的矩阵

其中l∈{i,ij},i≠j,i,j∈M，使得下列不等式成立：

在依赖于触发时刻和系统模态的平均驻留时间条件：

在异步切换信号和基于交替式事件触发机制(2)的误差反馈控制器(6)下，基于网络化切换控制的飞行控制系统(1)的异步输出调节问题是可解的，其中s_r+n′是在

后的首次触发时刻，且该时刻将由接下来的寻找切换点的算法计算得到，h是交替式事件触发机制(2)中传感器等待时间，d_Mi是控制输入u_i滞后于子系统i的最大时延，式中：

λ_i＝β_i,λ_ij＝-κ_i,

其它项均为适当维数的零矩阵。

证明：情况A：当

时，

控制器与相应的切换子系统异步切换，构造一个Lyapunov函数如下：

其中，

对以上函数求导，可得：

证明又分为如下三种情况：

情况B：当

考虑π(t)＝0时闭环系统方程(11)，

该时段内，系统模态与控制器模态不匹配，且事件发生器持续检测事件触发条件，则有：

结合Jensen积分不等式和Park引理，可得到：

根据事件触发条件(2)，令

结合(16)-(20)，可得：

其中，

对Φ_ij使用Schur补引理和由

推导而来的

可得Φ_ij′＜0.因此，对任意的

可知，

情况C：考虑

传感器处于等待阶段；

时，事件触发条件(2)仍然成立。当τ(t)∈[0,η_M]，基于

的π(t)＝0时的基于网络化切换控制的飞行控制系统(1)可以来描述π(t)＝1时的闭环系统(11)。即Φ_ij＜0仍可保证π(t)＝1时的闭环系统(11)满足(22)；因此，只需考虑τ(t)∈[η_M,τ_M]，π(t)＝1时的闭环系统(11)。该时段内，第i个子系统被激活，控制器u_j仍然运行，则有：

结合Jensen积分不等式和Park引理，可得到：

令

结合(16)和(23)-(25)，可得：

其中，

对Θ_ij使用Schur补引理和由

推导而来的

可得Θ_ij′＜0。因此，对任意的

可知：

情况D：当

时，

控制器与相应的切换子系统同步运行，构造一个Lyapunov函数如下：

其中，

对以上函数求导，可得：

类似于情况B和C中的证明，容易得到：

当

时，

当

时，

对Φ_i和Θ_i分别使用Schur补引理，可得Φ_i′＜0和Θ_i′＜0。因此，当

时，

由非共同坐标变换可知，异步切换信号的存在使得

结合

飞行控制系统输出调节问题可解的判据、(16)和(28)，得到：

因此，下列不等式成立

同理，可以得到：

对

结合(27)、(32)-(34)，可得：

其中，

表示在区间[0,t)内，控制器和系统同步/异步的时间段。

表示在区间[0,t)内，第i个子系统和控制器同步/异步运行的时间段。类似地，可得当

时，不等式(35)仍成立。此外，由平均驻留时间的定义可得：

a||χ(t)||²≤V(t),V(t₀)≤b||χ(t₀)||²       (36)

其中，

应用(35)和(36)可得：

其中，

因而由飞行控制系统输出调节问题可解的判据，可知当w＝0时，闭环系统(11)、(12)是指数稳定。此外：

因此，综上所述，输出调节问题可解。

作为本发明优选的实施方式，为了得到最小的数据传输次数(minimum number oftransferred data，NTD)，需要计算最优的

首先，当

时，交替式事件触发机制(2)退化为周期采样，此时计算飞行控制系统输出调节问题可解的判据线性矩阵不等式可获得最大的h_*，同时可得相应的NTD。接下来，令h＝h_*-μ,其中μ是h_*每一次的减少量，每个h对应于一个最大值

由此可得几组

最后，找到最优的

并计算出对应的NTD。

δ将以一个小步长逐渐减小直到δ＝0，每个δ对应一个最大的

那么，可以获得最优

从而确定最小NTD。其次，固定δ₂＝…＝δ _m ，在δ附近以一个小步长调节δ₁以便获得最优

同样方法能被用来获得其他子系统的最优

最后，在系统稳定的情况下，确定使系统获得最小NTD的最优

寻找切换点的算法如下：

第1步：根据给定的参数

β_i,κ_i,d_Mi,可得模态依赖平均驻留时间

和最优的(δ_i,h_i)。给定初始值σ(t₀)＝1和

第2步：交替式事件触发机制(2)中的不等式被持续检测。如果被满足，则事件发生，此刻被记录为

继续第3步。

第3步：传感器开始等待一个采样周期h_i。然后需判断

和

如果

返回第2步。否则，T_ai被设置为

切换时刻t_k被记作

同时，下一个切换子系统被激活，返回第2步。

(二)同时具有通信时延和丢包的事件触发输出调节问题

网络化切换系统运行中不仅会出现通信时延，不可避免还会有丢包现象发生，此时交替式事件触发机制(2)无法直接用来分析基于网络化切换控制的飞行控制系统(1)的输出调节问题。因此，交替式事件触发机制(2)可被改进为：

其中，

是阈值。

在同时考虑通信时延和丢包情况下，讨论网络化切换系统基于交替式事件触发机制的输出调节问题。

定理2:考虑满足假设1-5的基于网络化切换控制的飞行控制系统(1)，给定常量h＞0,η_M＞0,τ_M＞0,d_Mi＞0,

λ_i＞0，λ_ij＜0，

和ε＞0,如果存在适当维数的对称正定矩阵

1_l和适当维数的矩阵

其中l∈{i,ij},i≠j,i,j∈M，使得定理1条件中的线性矩阵不等式成立，且最大可允许连续丢包数d_r满足：

那么在依赖于事件触发时刻和系统模态的平均驻留时间条件的异步切换信号和基于交替式事件触发机制(37)的误差反馈控制器(6)下，基于网络化切换控制的飞行控制系统(1)的异步输出调节问题是可解的。

其中：

证明：考虑一个数据成功传输区间[s_r,s_r+1)，假设在该区间内存在连续d_r个未成功传输的数据：

对于ι＝d₀,d₁,...,d_r，应用(37)中的事件触发条件，由于

可得：

其中，I₁＝[I_2×20]。因此，可得：

进而有

因此

同时，根据事件触发机制(2)，可得

因此，由上式可得

从而有

根据(41)和(44)，得到

因此，对任意

根据(40)和(45)，得到

应用(47)解决(46)中的

可得

结合(38)和(48)可知

根据(49)，可知事件触发机制(38)能够保证定理1中的触发机制(6)成立。同时也验证了，如果利用事件触发机制(38)，定理1可推导出定理2。

定理2式(38)中的最大可允许连续丢包数d_MANSPL是非负整数，同时也表明了

如果

d_MANSPL＝0，则不允许丢包，定理2退化为定理1。

则表示减小事件触发机制中的阈值可能会造成更多的数据包被传输。

控制算法仿真

在表1所示的飞行包线内选择两个操作点来验证被建模为基于网络化切换控制的飞行控制系统和具有切换外部系统

的网络化飞行控制系统的输出调节问题，其中实际系统矩阵如下：

是马赫数为0.5和高度为4万英尺时的纵向状态矩阵。满足假设5的矩阵如下：

选择参数如下：

d_M2＝8,

β₁＝0.8,β₂＝0.7,κ₁＝0.01,κ₂＝0.02,

及矩阵

仿真时间T_f＝100秒，求解定理1中的不等式,可得

选取ε＝0.00根据定理2中条件(38)，可以得到最大允许丢包数d_MANSPL＝1.1019,则d_r＝1。

在误差反馈控制器下，存在网络时延和数据丢包的网络化飞行控制系统的事件触发异步输出调节问题是可解的，图3展示了基于事件触发时刻和系统模态的平均驻留时间条件的切换信号。图4反映了在初始状态χ(0)＝[4 2.5 -2.5 -4]^T下闭环系统状态响应的仿真结果。图5中的曲线表明在同时考虑时延和数据丢包情况下的闭环系统输出跟踪误差是收敛的。图6展示了事件触发时刻和丢包时刻的情况，根据该图可得在T_f＝100内，事件触发次数为49次，充分表明了本发明所提出的交替式事件触发机制不仅可以求解存在网络时延和丢包的网络化飞行控制系统的输出调节问题，还可以显著减少数据传输次数，降低控制器更新频率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建一个基于网络化切换控制的飞行控制系统的状态方程；

S2、构建交替式的事件触发机制；

S3、构建基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器；

由于交替式事件触发机制和异步切换信号相互协作，因此分为以下四种情况讨论误差反馈控制器的具体形式：

情况1、当

时，记τ(t)＝t-s_r≤h+η_M＝τ_M，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况2、当

时，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况3、当

时，记τ(t)＝t-s_r+υ≤h+η_M＝τ_M，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

情况4、当

时，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器被描述为：

S4、构建一个基于交替式事件触发控件和相应的误差反馈控制器的闭环系统方程；所述闭环系统方程包括同步切换和异步切换两种情况，具体为：

S41、当

时，控制器模态与系统模态不匹配造成异步切换

其中，

τ(t)＝t-s_r，

S42、当

时，控制器与相应的切换子系统同步运行

其中，

τ(t)＝t-s_r+v，

υ∈[1,2,...,n'-1),

S5、利用切换技术分析上述闭环系统方程，在存在网络诱导时延和丢包的情况下，确定保证飞行控制系统输出调节问题可解的判据。

2.根据权利要求1所述的基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，其特征在于，所述基于网络化切换控制的飞行控制系统的状态方程具体为：

其中，

和

分别表示系统状态，控制输入和可测输出跟踪误差，A_σ(t),B_σ(t),C_σ(t),D_σ(t),Q_σ(t)分别表示已知的适当维数常数矩阵，σ(t):[0,∞)→M＝{1,2,...,m}表示分段常值的切换信号，

表示参考信号和/或干扰的外部输入，由切换外部系统

生成,并且矩阵S_σ(t)的所有特征值具有非负实部。

3.根据权利要求1或2所述的基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，其特征在于，所述的构建交替式的事件触发机制具体为：

S21、为研究基于网络化切换控制的飞行控制系统基于事件触发机制的输出调节问题，给出如下假设：

假设1、在切换信号σ(t)下，所述基于网络化切换控制的飞行控制系统的切换序列表示为

其中t_k是切换时刻，此时系统模态从

切换到σ(t_k)＝i≠j，i,j∈M；

假设2、满足事件触发通信协议的事件触发传输序列描述为

以上数据在网络传输过程中可能会丢失；

假设3、事件触发采样序列

通过网络进行传输，成功向控制器传输的采样序列表示为

假设4、成功传输采样序列

在经过网络时延传递给控制器的采样序列表示为

其中

满足

η_r表示从传感器到执行器的总通信时延满足η_r≤η_M＜h，η_M＝sup_{r∈{1,2,...,n'}}{η_r}，n'表示第i个子系统运行时事件触发的最大次数，h为传感器等待时间；

S22、当网络中存在通信时延时，构建基于成功传输点序列

的交替式事件触发机制如下：

其中，

是数据成功传输时两个相邻的事件触发时刻，h为传感器等待时间，

是阈值；

S23、假设在子系统i运行期间有n′个事件被成功传输，当n′个事件经过网络传递给控制器，不可避免会有网络时延发生，讨论

的情况，υ＝0,1,2,...,n'；当

时，定义一个分段时滞函数

使得根据(2)可得出在该时间段内事件触发条件为：

当

(3)成立，

且

即

满足：

S24、当网络中同时存在通信时延和丢包时，构建的交替式的事件触发机制为：

其中，

是阈值。

4.根据权利要求1所述的基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，其特征在于，所述基于交替式事件触发控件的误差反馈控制器，具体为：

其中，H_σ(t)和E_σ(t)表示适当维数的常数矩阵，

表示待设计的控制器增益，ξ(t)表示控制器的内部状态，

表示控制器的切换信号，

d₀＝0，d_k表示控制器u_i(模态为i)滞后于对应的子系统i的时延，即

0≤d_k＜d_Mi，d_Mi表示控制器u_i的最大滞后时延。

5.根据权利要求1所述的基于交替事件触发的切换网络化飞控系统的输出调节方法，其特征在于，所述飞行控制系统输出调节问题可解的判据为：

Φ_l＞0,Θ_l＜0,

Π_iS_i＝A_iΠ_i+B_iH_iΣ_i+D_i,E_iΣ_i＝Σ_iS_i,0＝C_iΠ_i+Q_i

最大可允许连续丢包数d_r满足：

切换规则满足依赖于触发时刻和系统模态的平均驻留时间条件：

其中，s_r+n′是在

后的首次触发时刻，h是交替式触发机制中传感器的等待时间，d_Mi是控制输入u_i滞后于子系统i的最大时延，h＞0,η_M＞0,τ_M＞0,d_Mi＞0,

λ_i＞0,λ_ij＜0,

和ε＞0是常数，P_l,

是对称正定矩阵，

J_ij,

T_ij是任意适当维数矩阵，式中：

ρ,ν∈{1,2,...,9},

l∈{i,ij},i≠j,i,j∈M

λ_i＝β_i,λ_ij＝-κ_i,

其它项均为适当维数的零矩阵。

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