（运筹学与控制论专业论文）网络控制系统的建模与分散能控.pdf

纸 一 焉嶙。?，#” a t h e s i s f t h e r_j， 1 卜_一- 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：正 恧。 学位论文作者签名：王弓 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： r pe- 1 、 t，毒 =1“零：0，一；剖 东北大学硕士学位论文摘要 网络控制系统的建模与分散能控 摘要 随着控制系统规模的日益扩大以及网络软硬件成本的下降，控制网络的应用 越来越广泛。集合着某个区域的现场传感器、控制器、执行器及通信网络，网络 控制系统( n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s ) 是一种分布式、网络化的实时反馈控制系 统，并可以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用户实现资源共享 和协调操作。由于n c s 属于一种彻底的分布式控制结构，因此它具有系统连线 少、可靠性高、易于系统扩展以及能够实现信息资源的共享等优点。 n c s 在具备多重优点的同时，有限的数据传输率( l i m i t e dd a t ar a t e ) 也使 得控制系统中也存在着诸如随机的信息传输延迟、信息包的丢失、多通道传输结 构造成的额外的系统复杂性等问题。 本文结合着近年来国内外学者对线性系统、周期时变系统、时滞系统及n c s 本身的一些成果，基于广义系统的被控对象，建立了传感器为时钟驱动，控制器 和执行器为事件驱动时长时滞网络控制系统的数学模型。围绕建立的模型，给出 了它的分散固定模并讨论了分散能控性。并且通过数值仿真验证了上述研究成果 的有效性和可行性。 关键词：网络控制系统；网络诱导时滞：广义系统；分散固定模；分散能控 性。 ￥、f，t 一小lx|， ：，1。ir厶 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t _the m o d e l i n ga n d d e c e n t r a l i z e dc o n t r o lf o rn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h eb o o s t i n go fc o n t r o ls y s t e ms c a l ea n dt h ed e c r e a s ei nn e t w o r kh a r d w a r e a n ds o f t w a r ec o s t ，c o n t r o ln e t w o r kh a sw i t n e s s e dar a p i dg r o w t hi ni t sa p p l i c a t i o n s i n t e g r a t i n gs e n s o r s ，c o n t r o l l e r s ，a c t u a t o r s a sw e l l 私c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ， n e t w o r k e da n dr e a l - t i m ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc o n t r o le q u i p m e n ta n dt h u sm a k e sp o s s i b l et h er e s o u r c es h a r i n ga n d c o o r d i n a t e do p e r a t i o na m o n gd i s t r i b u t e du s e r s d u et oi t sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ，n c s f e a t u r e sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ec a b l i n g ，e a s e ru p g r a d i n g ，g r e a t e rr e l i a b i l i t y a n di n f o r m a t i o ns h a r i n g m e a n w h i l e ，t h el i m i t e dd a t ar a t eo v e rt h en e t w o r ka l s oi n t r o d u c e sm a n y p r o b l e m si n t ot h ec o n t r o ls y s t e m ，s u c ha sr a n d o mt r a n s p o r t a t i o nd e l a y ，d a t a - p a c k a g e d r o p p i n g ，e x t r as y s t e mc o m p l e x i t yd u et ot h ed e c e n t r a l i z e ds t r u c t u r ee t c i nt h i sp a p e r , s o m er e c e n tr e s u l t si nl i n e a rs y s t e m ，p e r i o d i c a l l yt i m e - v a r y i n g ( o r p t v ) s y s t e m s ，t i m e - d e l a ys y s t e ma sw e l la sn c si t s e l fa r ef u r t h o rd i s c u s s e da n d f u r t h e re x t e n d e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hl o n g n e t w o r k - i n d u c e dd e l a yi ss e tu pb a s e do nt h ec o n t r o l l e dp r o c e s st h a ti ss i n g u l a r s y s t e mw h e n t h es e n s o ri st i m ed r i v e n ，t h ec o n t r o l l e ra n dt h ea c t u a t o ra r ee v e n td r i v e n a c c o r d i n gt ot h eg i v e nm o d e l ，w eg i v et h ef i x e dm o d e sa n dd i s c u s sd e c e n t r a l i z e d c o n t r o la b o u tt h ec a s e a ne x a m p l ei sg i v e no nh o wt h et h e o r e mc a nb ea p p l i e d k e yw o r d s ：n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m s ；n e t w o r k e d - i n d u c e dd e l a y ；s i n g u l a rs y s t e m ； d e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ；f i x e dm o d e si nt h ed e c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m -kri，j卜 i，lj 东北大学硕士学位论文 目录 目录 摘要1 l a b s t r a c t il i 目录i v 第一章绪论1 1 1 网络控制的简介1 1 1 1 网络控制含义1 1 1 2 网络控制的发展历程2 1 1 3n c s 的研究目的和意义5 1 1 4 优势与应用领域6 1 1 5 现状与发展趋势：7 1 2 网络控制系统描述7 1 2 1n c s 的结构7 1 2 2n c s 中存在的问题9 1 2 3 网络控制系统的研究状况1 0 1 2 3 1 具有时变传输周期的n c s 1 0 1 2 3 2 网络调度1 0 1 2 3 3 网络时延1 l 1 2 3 4 单包和多包的数据传送和丢包问题1 2 1 3 存在的不足和本文的主要研究工作1 2 1 3 1 存在的不足1 2 1 3 2 本文的研究工作1 3 第二章背景知识：14 2 1 计算机网络概述1 4 2 1 1 计算机网络的定义1 4 2 1 2 计算机的形成与发展1 4 2 1 3 计算机网络的分类1 5 2 2 计算机网络体系结构1 6 2 2 1 基本概念1 6 2 2 2 开放系统互连参考模型1 7 2 2 3t c p i p 协议1 7 2 2 4i e e e8 0 2l a n 标准：1 8 2 3 控制网络技术1 9 2 3 1 以太网技术1 9 - 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 1 1 以太网技术简介1 9 2 3 1 2 以太控制网络的应用2 0 2 3 2 令牌传递网络技术2 0 2 3 2 1 令牌环型拓扑结构：2 0 2 3 2 2 令牌总线拓扑结构2 1 2 3 3 控制器局域网技术2 1 2 3 4a t m 交换网络：2 2 2 3 5 无线局域网技术，2 2 2 4 广义系统2 3 2 4 1 广义系统模型：2 3 2 4 2 系统正则性2 3 2 4 3 广义系统的等价形式2 4 2 5 节点的驱动方式2 4 2 6 网络诱导时延2 5 第三章模型的建立2 6 3 1 长时延n c s 的建模2 6 3 2 控制器和执行器为事件驱动时滞n c s 模型2 7 第四章分散固定模：3 1 4 1 预备知识3 l j 4 1 1 分散固定模的定义3 1 4 1 2 分散固定模的算法一3 2 4 1 3 固定模的代数特征3 3 4 2n c s 模型的分散固定模3 4 4 3 算例3 7 第五章分散能控( 观) 性4 0 5 1r 一分散能控( 观) 性4 0 5 2 模型的分散能控( 观) 性4 1 5 3 算例4 4 第六章总结与展望4 6 6 1 本文主要成果4 6 6 2 研究展望一4 6 参考文献。4 7 致谢- 4 9 t，“bj￥1罗 h 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 t n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s 上世纪9 0 年代被提出以后，作为一个独立的系统学科得 j u t 广泛的关注和研究，并且取得了一些较新的研究成果。n c s 作为控制科学和网络的 交叉学科，其设计的内容十分广泛，研究的成果可用性非常强，工程背景和理论基础要 求非常高，因此是一门有很大发展前途的学科。 随着电子、通信和计算机技术的飞跃发展，智能化传感器、执行机构和驱动设备的 诞生奠定了网络控制系统( n c s , n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 的物质基础，高速以太网 和现场总线技术的不断发展和成功应用解决了n c s 的可靠性和开放性问题，推动了n c s 在航空航天、设备制造、过程控制、交通控制、经济管理、远程医疗以及危险、特殊环 境等控制领域的广泛应用。n c s 是通过网络将分布于不同地理位置的传感器、控制器和 执行机构连接起来，形成闭环的一种全分布式实时反馈控制系统。控制器通过网络与传 感器和执行机构交换信息，并实现对远程被控对象的控制。n c s 的优势在于可以实现资 源共享和远程分布控制，系统构建模块化、集成化、成本低，故障诊断和维护方便、易 扩展、灵活性强【1 1 。n c s 充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的 发展趋势。然而，由于通信网络的带宽有限且为系统中各节点所共享，当传感器、控制 器和执行器通过网络交换数据时，数据多路径传输、多包传输、数据碰撞、网络拥塞、 网络连接中断等现象是不可避免的，这使得网络控制系统产生一些亟待研究和解决的特 殊问题：不确定的数据传输、时变传输周期、数据传输时延、数据包丢失、数据包时序 错乱、多率采样、节点驱动方式、时钟同步方式、信息调度算法、空采样和通信网络拥 塞等。这些问题往往使得n c s 丧失定常性、完整性、因果性和确定性。传统的控制理 论已不能直接用于n c s 的分析和设计，必须针对n c s 的特性，重新评估和建立网络控 制系统的控制理论和控制方法。 1 1 网络控制的简介 1 1 1 网络控制含义 n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，最早出现于马里兰大学g c w a l s h 等人的论著 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 中，但当时并没有给出“网络控制 明确的概念定义，只是用图示说明了网络控制系统 的结构，指出n c s 中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。目前“网络控制”的含 义有两种解释：一种是对网络的控制( c o n t r o lo f n e t w o r k ) ：另一种是通过网络实施的 控制( c o n t r o lt h r o u g hn e r o ) 。两种含义都离不开“控制”和“网络，只是两者所 侧重的对象不同。前者是指对网络路由，网络流量等的调度与控制，是对网络自身的控 制，可以利用运筹学，组合数学，图论和控制理论的方法来研究和实现；后者是指控制 系统的各个节点( 传感器，执行器和控制器) 之间的数据传输不是传统的点对点方式， 而是通过网络来传输的，是一种分布式的控制系统。网络控制系统以资源共享，系统构 建经济，易扩充，维护方便，灵活性强等优点，迅速广泛应用于国民经济和国防建设的 各个领域。 1 1 2 网络控制的发展历程 微电子技术，网络通信技术和计算机控制技术的不断发展，促进了控制系统在体系 结构，单元部件和控制技术方面的一系列变革，形成了以计算机控制为核心，涵盖集散 控制系统，现场总线控制系统和工业以太网控制系统等各种体系结构的现代工业控制网 络新体系。计算机控制系统的控制方式，先后经历了集中数字控制，中小型计算机共同 作用的分层递阶控制，集散控制以及现场总线控制等控制方式，2 0 世纪9 0 年代又开始 了以太网在工业控制上的广泛应用和研究。d c s 控制体现了控制系统的网络化发展趋 势，现场总线的产生使这种趋势变的更加明显和具体，以太网在工业上的应用和研究使 得控制结构进一步网络化和集成化。 以太网在工业控制上的广泛应用，使得控制系统的结构进一步网络化和集成化，也 为寻求高性能低成本的控制方案展示了方向。集散控制系统，现场总线控制系统和工业 以太网控制系统的出现，标志着控制系统正向着网络化，集成化，分布化和节点智能化 的方向发展。 ( 1 ) 集散控制系统 2 0 世纪7 0 年代中期，集散控制系统开始发展起来。集散型控制系统是对生产过程 进行集中管理和分散控制的分布式计算机控制系统，它是计算机( c o m p u t e r ) 、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、c r t 显示和控制( c o n t r 0 1 ) 等技术协调发展的产物。集散控制系统 的基本思想是“控制分散、管理集中”，“集散，其实质是利用计算机技术对生产过程 r j u 2 i 锭q ”j 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术，它是计算机技术、信号处 理技术、测量技术、通信技术和人机接口技术相互发展、相互渗透的结果。 集散控制系统通过通信网络将各组成单元连接在一起，因此，它的发展与计算机网 络通信技术的发展紧密联系。随着4 c 技术的进一步发展，集散型控制系统已在世界各 个发达国家不断涌现，各国主要的自动化仪表公司都开发了自己的d c s 系统。 和传统的集中式控制系统相比，集散控制系统具有自主性、协调性、友好性、在线 性、可靠性、风险分散和低成本等优势。 ( 2 ) 现场总线控制系统 集散控制系统的核心思想是分散控制、集中监视、分级管理。虽然它在一定程度上 克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，但其一对一的结 果导致布线量大、布线种类多、工程周期长、安装费用高和维护困难等问题。此外，由 于其采用单向模拟信号传输，可靠性和互操作性差，有时回使现成设备处于失控状态。 现场总线控制系统是用开放的现场总线作为通信网络，将现场控制器和现场智能仪 表等设备进行互连与通信，形成的实时控制系统。开放性、分布化和低成本是现场总线 控制系统最显著的特点，它可以很好地解决集散控制系统存在的缺陷问题。 一 现场总线技术在诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器( p l c ) 以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入p l c ，计算机通信技术也被引入现 场总线，使得现场总线技术发展迅速。现场总线主要用语控制系统最底层设备与单 元间的连接与通信。 现场总线技术特点： ( a ) 系统的开放性。开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与 遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统相 互连接。通信协议一致公开，各个不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发 者致力于建立统一的工厂底层网络的开发系统，用户可以按自己的需要和考虑，把来自 不同供应商的产品组成大小随意的系统i 通过现场总线可以构筑自动化领域开放、互连 的控制系统。 ( b ) 互操作性与互用性。互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传递与 沟通；而互用则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换。 ( c ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与 控制等功能，分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可晚场自动控制的基本功能，并 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 可随时诊断设备的运行状态。 ( d ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系 结构，从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统 结构，提高了可靠性。 ( e ) 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端、作为工厂网络底层的现场总线， 是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等， 具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防爆等要求。 现场总线技术是未来自动化技术发展的主流，基于现场总线的控制系统以其明显的 技术优势和价格优势，已经成为网络控制系统中的核心技术和应用主力军。 现场总线有如下优点： ( a ) 节省安装费用与维护开销。 ( b ) 现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装投入到正常，生产运行 及其检修维护工作简便。 ( c ) 系统具有高度的准确性与可靠性。 j ( d ) 用户具有高度的系统集成主动权，可以自由选择不同厂商提供的设备来集成 系统，用户具有很大的主动权。 ( e ) 设计简单，易于重构。 ( 3 ) 以太网控制系统 以太网是由d e c ，i n t e l 和x e r o x 三家公司在2 0 世纪7 0 年代开发研制的。它采用 的是载波监听冲突检测( c s 龇d ) 的多路访问协议。设计以太网的初衷是要使网络 中用户间通信不局限与某一种传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤、微波等，以实现 网络用户资源共享，因此取名为以太网。 与目前的现场总线相比，以太网具有以下特点： ( a ) 技术支持广泛。以太网已被使用多年，具有大量的软、硬件资源的开发设计 经验。作为目前应用最为广泛的计算机网络技术，以太网受到广泛的技术支持。几乎所 有的编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a ，v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等。应用 与以太网上层的t c p i p 协议也近成熟，绝大多数网络产品均提供以太网接口，许多计 算机操作系统也配备了t c p i p 协议。因此，以太网具有丰富的软、硬件支持，有大量 从事开发和维护的技术人员。 ( b ) 成本低廉。由于以太网的应用颇为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高 、j，h t；0z 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度重视与广泛支持，已有多种硬件产品可提供用户选择，并且硬件价格也相对低廉。目 前，以太网网卡的价格只有p r o f i b u s ，f f 等现场总线网卡的1 1 0 ，而且随着集成电路技 术的发展，其价格还会进一步下降。 ( c ) 通信速率高，发展迅速。以太网发展速度为l o m b p s ，l o o m b p s 及千兆以太网。 1 9 9 9 年以来，i e e e 8 0 2 3h s s g ( h i g hs p e e ds t u d yg r o u p ) 开始专门研究1 0 g 标准 8 0 2 3 a e 。由于高速以太网的帧格式不变，使之向下兼容，升级成本低。因此，以太 网是理想的高性能网络通信载体。 ( d ) 高新技术的发展推动以太网的发展。工业控制对数据和命令传输的确定性、 可预测性和同步性要求极为严格。而以太网采用c s m a c d ，当发生碰撞时要重试，是 数据和命令的传输具有不确定性( n o n d e t e r m i n i s t i c ) 。针对这种情况，交换式以太网可 以使网络分段，降低甚至避免碰撞，而且提供全双工通信，使带宽增加一倍。高速以太 网和交换式以太网的结合使得其在时间响应方面的性能大大提高。 由于以太网的广泛应用，它的发展一直受到广泛的关注的大量的技术投入。而且， 相对其它通信网络，工业以太网具有无可比拟的适用性。以太网在信息网络中的统治地 位使得工业以太网易于实现与信息网络的无缝集成；嵌入式技术的发展使得控制系统节 点功能越来越强大，以太网网络接口逐步成为标准配置，这为工业以太网的实现提供了 可行性条件。 1 1 3n c s 的研究目的和意义 n c s 是集通信网络和控制系统于一体的复杂的全分布式控制系统。在n c s 中，涉 及控制论、计算机科学、信息论、机械电子工程、软件工程、可靠性理论等多种学科领 域。其中，控制论、计算机科学和信息论是系统分析的理论基础，而机械电子工程、软 件工程和可靠性理论则是工程实现中为设计方法提供指导【3 】。n c s 综合了数字通信技 术、计算机技术、自动控制技术、网络通信技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上 突破了传统的“点对点”式信号控制的局限性，构成了一种全分散、全数字化、智能、 双向、互连、多变量、多接点通信与控制的实时反馈控制系统。m u r r a y 等学者曾指出： 控制、计算和通信的集成将是控制科学的一个重要的发展方向【4 】，网络控制系统则正是 这一发展方向的具体体现。因此，n c s 的研究是一个跨越多个学科的研究领域，n c s 的分析与设计不仅涉猎控制理论中离散、连续及混合等所有的分析方法和控制技术，还 东北大学硕士学位论文第一章绪论 要考虑通信网络中的信息传输技术。n c s 的性能不仅依赖于控制算法，还依赖于对网络 资源的调度。n c s 的研究目标既包含设计合适的通信协议以保证通信网络的服务质量 ( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，还要设计先进的控制器以满足系统的性能指标( q o p , q u a l i t yo f p e r f o r m a n c e ) 。因此，n c s 的研究是既具复杂性又富含挑战性的研究课题。 目前，网络硬件和控制设备价格的日益下降以及软件业的蓬勃发展，促进了网络控 制系统的应用拓展到国民经济的各个领域。建立和完善系统化的网络控制理论和控制方 法，是迫在眉睫的历史重任，也是时代的需求，对网络控制系统的应用和维护具有十分 重要的意义。 1 1 4 优势与应用领域 网络控制系统具有以下优点： ( 1 ) 在传统的控制系统中，系统内部各个单元之间以点对点的形式采用专线连接， 如果相邻两个物理单元之间的地理位置相距很遥远，则布线所需成本和费用非常高。而 改用网络连接降低了系统电缆成本，一条总线能将很多设备连接在一起，实现各个结点 间交换数据； ( 2 ) 系统更容易模块化设计； ； ( 3 ) 提高系统故障诊断速度； ( 4 ) 易于维护，由于模块化，更换模块则可以排除故障； ( 5 ) 一个故障不足以影响整个系统的运行 3 9 1 。 为了利用这些优点，许多大而复杂的系统都插入网络来实现控制。传感器，执行器 和驱动装置等现场设备的智能化为通信网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的 物质基础，而高速以太网和现场总线技术的发展和成熟解决了网络控制系统的可靠性和 开放性问题。如今，网络控制已经成功地应用于国民经济和国防建设的各个领域，如机 器人遥控，电力生产，飞行器，电气化运输工具( 如新干线，磁悬浮列车等) ，远程医 疗和远程教学与实验等。随着通信技术和现代控制理论的飞速发展，网络控制系统已经 向结构网络化，节点智能化，控制现场化，功能分散化，系统开放化以及产品集成化的 成熟目标迈进。 t l 7 、-、， 目 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 5 现状与发展趋势 ? ， 网络控制系统作为一门崭新的学科，是网络通信技术和自动化控制技术两个学术领 域的交叉融合，具有特殊性和复杂性。控制领域学者研究的内容主要是基于一定服务质 量的控制系统，研究系统的控制策略和控制技术，以期提高控制系统的性能；而通信领 域学者研究的主要内容是设计合适的通信协议和调度方法，以期提高网络本身的服务质 量。未来的发展趋势是控制与通信一体化设计。 目前，网络控制系统的技术体系和相应的控制理论还不成熟，理论远远落后于实际 应用，研究网络控制理论和控制方法既具有重要的学术价值，又具有可观的经济效益。 1 2 网络控制系统描述 1 2 1n c s 的结构 网络控制系统( n c s ) 是指通过网络将分布与不用地理位置的传感器、执行机构和 控制器连接起来，形成闭环的一种全分布式实时反馈控制系统。控制器通过网络与传感 器和执行机构交换信息，并实现对远程被控对象的控制。n c s 不仅指传感器、执行器和 控制器之间利用通信网络取代传统的点对点专线进行连接而形成闭环的控制系统，更广 泛意义上的n c s ，还包括通过i n t e r n e t 、企业信息网络所能实现的对工厂车间、生产线 以及工程现场设备的远程控制、信息传输以及优化等。 一般而言，网络控制系统存在两种结构：径直结构和分层结构，如图1 1 和1 2 所 示。 _ 9 、 执行器 控制信号 、一， 控 一一一一一 ，。| 翩 网 络 1 被掇对象 器 j l 1 声-l 蠡墟爨涮盛赫撼 镁感器 锻黟褥硼麓飘镪。 。 、 图1 1 径直结构的n c s 。 f i g 1 1n c si nt h ed i r e c ts t r u c t u r e 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 耋p 工 制i、 器l - 传蟮器溺璧载糖 j堑丝墨墼 镗感器测量数据 执行器 被控对象 传感器 + 图1 2 分层结构的n c s f i g 1 2n c s i nt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e 在径直结构中，控制信号封装在帧或报文中，然后通过网络发送到被控对象；被控 对象的传感器测量数据同样以帧或数据包的形式通过网络发送至控制器。在实际的应用 中，多个控制器可能封装在一个主控制单元来管理多个n c s 控制回路。径直结构的典 型应用包括远程学习实验室和直流电机的速度控制等。 在分层结构中，主控制器通过网络将计算好的参考信号发送到远程系统，远程系统 然后根据参考信号来执行本地的闭环控制，并将传感器测量数据返回给主控制器。一般 而言，网络化控制回路具有比本地控制回路更长的采样周期。这是因为，远程控制器在 处理新到达的参考信号之前，假定已经满足参考信号。与径直结构类似，在分层结构中 多个控制器可能封装在一个控制单元中来管理多个n c s 控制回路。这种结构的典型应 用包括移动机器人、遥操作系统、汽车控制以及航天器等。 。 实际上，采用何种结构往往取决于应用的需要和设计者的方案选择。例如在机器人 应用中，机械手往往要求多个电机在其关节处同时平滑的旋转，这种情况下，采用分层 结构将更方便，系统的鲁棒性也更强。而在直流电机的网络控制中，由于要求系统的性 能具有快速反应性，这个情况就偏向于采用径直结构。在一个大规模的n c s 中，有可 能同时采用两种结构，这是由n c s 的异质网络结构所决定的。如果将远程闭环系统抽 象成主控制器的被控对象，将其建模成状态空间模型或者传递函数，则分层结构实际上 可以转换成径直结构。 无论采用哪种结构，n c s 都可以用种典型的结构，如下图： -r、，_一，、， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 通倍网络 1 2 2n c s 中存在的问题 图1 - 3n c s 的结构 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo f n c s 网络控制系统也存在很多问题。反馈控制环中通讯网络的嵌入使得系统的分析和设 计更加复杂。常规的控制理论具有许多理想假设，如等间隔采样、同步控制、无延迟测 量和执行，特别的，在网络控制系统的分析和设计中，需要明确以下几个基本问题： ( 1 ) 网络控制系统具有时变传输周期。因为传输过程中的不确定因素，不能保证 系统的等间隔采样，这就导致了一个时变的系统模型，从而使得系统的稳定性分析变得 更为困难。 ( 2 ) 当有一组装置连接在网络上时，网络的调度是网络控制系统设计中的另一个 问题。信息传送时可能出现并发现象，因此，一些信息的传送不得不延迟，导致一些实 时数据被延迟传送，甚至可能延误期限。一个好的控制调度算法就是要使得这样的控制 性能的损耗最小化。 ( 3 ) 网络中各设备之间的数据交换往往存在信息延迟( 传感器到控制器延迟，控 制器到执行器延迟) ，称为网络时延。这种时延可能是定常的，也可能是时变的，它的 存在会使得控制系统的性能变差，甚至使得系统不稳定。因此，在网络控制系统的分析 和设计中，必须考虑网络时延对系统稳定性和其他性能的影响。 ( 4 ) 网络控制系统中的网络可视作一个由不可靠传输路径组成的w e b 。其中的一 些包不仅受传送时延的影响，甚至更糟糕的是在传送时可能会丢失。这样的丢包现象如 何影响一个网络控制系统的性能是一个必须研究的问题。 ( 5 ) 由于网络带宽和包的容量的限制，对象的输出数据可能需要用多个包来传送 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 称为多包传送) 。因为网络传输介质与其它节点存在着优先权的使用，所以在控制信 号计算时，多包发送的数据包中，收到的可能是数据包中的全部或者部分，也可能完全 没有。 1 2 3 网络控制系统的研究状况 1 2 3 1 具有时变传输周期的n c $ 常规的计算机控制系统理论都假定对象输出的等间隔采样，对对象输出进行周期采 样。这个假设导出了线性时不变采样系统，并极大地简化了其稳定性和性能的分析。 然而，等间隔采样的假设在n c s 中难以成立。n c s 中采样信号的传输可能是周期 的，也可能是非周期的，这依赖于控制网络的媒体访问控$ 1 j ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ， m a c ) 协议【1 0 1 。 w a l s h 等人考虑了一个连续对象和连续控制器，与其他节点共享的控制网络仅仅嵌 入在传感器节点与控制器之间。他们引入了最大允许传输间隔( m a t i ) ，r 的概念，表示 顺序发送的传感器信息以至多t 秒的时间被分隔开来。他们的目的是找出一个t ，使得 在这样一个传送间隔t 下，网络控制系统所期望的稳定性能得以保持。 “尽管多数网络不能保证定常的传送周期，但通常能保证在截止时间之前传送一个信 息。如在设备网中，你可以将最接近截止时间的报文设置为具有最高的优先权。因此， 当不能按定常传输周期来发送信息时，我们希望得到时变传输周期的上界。 1 2 3 2 网络调度 在网络控制系统中，控制环的性能不仅仅依赖于控制算法的设计，而且也依赖于共 享的网络资源的合理调度。n c st 中的网络调度类似于复杂实时运算系统的c p u 调度， 其中有一系列并行的c p u 任务在带有定时约束的单一c p u 上执行。 对网络调度的研究是在网络用户层上，更精确地说，是在传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 上。需要解决的问题是一个对象应该如何来调度发送数据，以及以什么样的优先级来发 送。不过，这个问题往往不关心数据包如何有效地从发送点到达目的点，也不讨论当路 径拥塞时，该怎样处理。这些问题的解决依靠网络层的路由算法和拥塞控制算法。s h a 等人发展了一种驱动负载的在线调度算法，这种算法通过优化用工作负载函数描述的控 东北大学硕士学位论文第一章绪论 制性能指标来进行直接的数字化设计。 1 2 3 3 网络时延 ( 1 ) 状态增广法 在带定长时延的离散时间系统中，很常用的一种方法是状态增广法。它通过将经过 延迟的对象输入输出变量作为增广状态，并建立新的状态空间方程，与原始状态方程联 立共同来描述系统。增广状态的维数与系统状态维数、输入维数以及时延大小有关，因 而描述系统的增广状态方程的维数常常变得很大i 系统的复杂性也相应大幅增加。一些 研究者以状态增广法为基础，针对不同的网络特性提出了自己的方法引。文献 1 3 】针对 具有周期性时延特性的网络提出增广状态确定性离散时间的网络控制系统模型。 对于具有周期性时延特性的网络控制系统来说，增广状态离散时间模型方法比较直 接，也易于理解。l i o u 和r a y 也指出这种方法改进后可用于传感器和控制器采样周期不 等的系统。但是由于这种方法采用了增广状态，系统的复杂性大幅提高【1 4 l 。 ( 2 ) 基于预测的队列方法 队列法可以将具有随机特性的网络延时变为具有常值特性的网络延时，采用它可以 使系统的分析变得简单。文献 1 5 1 最早提出队列方法，基于这种方法实现的网络控制系 统的结构图。由于这种方法涉及到用对象的输出值观测和预测对象的状态，必须要有非 常精确的对象模型，才能保证系统能得到好的性能。 ( 3 ) 最优随机方法 文献【1 6 】提出一种最优随机控制方法，把网络控制系统中的延时对系统的影响看作 是线性二次高斯型问题。该方法有如下两个假设：网络延时r 小于系统的采样周期、系 统各部分的历史延时( 彼此独立) 信号都可以得到。这种方法必须知道对象的全部状态， 若不能直接得到，则要用k a l m a n 滤波器观测得到。与采用前面的基于预测的队列方法 相比，用这种方法的网络控制系统能得到较好的性能。 ( 4 ) 保证系统稳定的网络延时范围分析方法 文献 1 7 】提出求取网络控制系统最大允许延时的方法，采用状态增广和李亚普诺夫 方法： ，_ ( a ) 假设网络延时对系统的影响是通过对象输出和控制器结点输入之差体现，并 将其视为系统的一个状态； 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( b ) 采用一般类型的李亚普诺夫函数。该文献求出的最大允许延时保守性较大，比 实际系统中允许的延时范围小得多。 文献【1 8 】提出一种基于对象模型的方法，其思想是：控制器侧含有对象的模型，当 对象的状态更新模型状态时，用对象实际输出计算对象的控制信号；当对象的状态不更 新模型状态时，对象模型的输出代替实际对象的输出计算对象的控制信号。文中假设网 络延时很小，不足以对系统产生影响。其目的就是求出用对象实际状态更新模型状态的 最小频率。当对象的模型比较精确时，状态的更新率比较小，大大减少网络的使用率， 从而减小网络延时。 1 2 3 4 单包和多包的数据传送和丢包问题 w a l s h 等利用摄动模型和李亚普诺夫第二方法分析了单包和多包传送的网络控制系 统的稳定性，提出网络控制系统的稳定并证明普通的静态调度协议和他们提出的新的调 度协议的稳定性【1 9 2 0 l 。 在n c s 中，当节点出现故障或发生信息传送碰撞时，就可能出现丢失网络数据包 的现象。尽管多数网络协议具备报文重发机制，但它们仅仅对于在有限的时间内可以重 新发送，等到时间过期，数据包也就被丢弃。此外，对于诸如传感器信息和控制信号这 样的实时反馈控制数据，也许丢弃未被发送的旧报文并传输有用的新报文是有利的。在 这种情况下，控制器总是接收最新的数据来计算所需要的控制律 2 3 1 。通常反馈被控对象 可以容许一定量的数据丢失，当仅仅以某个速率传输数据包时，有必要确定所导出的系 统是否是稳定的，并且计算这个数据报传输速率的容许下界。 1 3 存在的不足和本文的主要研究工作 1 3 1 存在的不足 目前，网络控制系统的主要研究成果均是建立在正常系统的理论基础上的。由于网 络控制系统无论是从体系结构、现实功能、控制技术还是复杂程度方面都远远超出了正 常系统所能及的范围，因为网络控制系统涵盖了集中控制系统、分散控制系统和现场总 线控制系统等许多系统，使得网络控制系统已经不具备了正常系统的定常性、完整性、 因果性和确定性。所以对网络控制中的广义对象进行理想化假设时，不能把广义模型抽 。， 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 象成为正常模型，因此对网络控制系统中的控制对象基于广义系统建模是十分必要的， 具有很高的实用性和理论价值。 ： 本文在广义系统的基础上，建立了传感器为时钟驱动、控制器和执行器为事件驱动 的长时滞n c s 的数字模型，为长时滞n c s 的分析和仿真等方面奠定了基础。 p1 3 2 本文的研究工作 针对线性、时不变广义( 奇异) 被控对象，建立了网络控制模型，主要工作如下： 第一章，绪论，首先介绍了本学位论文研究的目的和意义。接着简要介绍n c s 中的基 本概念、术语和存在的主要问题。随后阐述n c s 研究的问题、研究方法、研究现状、 存在的不足和需要进一步研究的问题。最后介绍本文的主要研究工作。第二章，背景知 识介绍，首先介绍了计算机网络的定义，形成和发展。随后介绍了控制网络的体系结构 以及几种典型的控制网络的体系结构，广义系统及其受限等价以及节点的驱动方式和网 络时延等。第三章，建立