（控制理论与控制工程专业论文）带有非确定丢包与时延的网络化控制系统研究.pdf

曩， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s w i t hu n c e r t a i nd a t al o s s e sa n dt i m e d c l a y s ， c a n d i d a t e ：l i us h i c h a o s u p e r v is o r ：p r o f e s s o ry ex i u f e n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 脚08 ii90舢8 删1脚y 色一 l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 、 作者( 签字) ：知i 弋l 袭龟 日期： 沙1 3 年弓月g 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。澎密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：以也是亘导师( 签字) ：叶弼 日期：名笏 u 年弓月归 2 护沁年；月g 日 拶 户 ， ， 叮 命令传 以大大 减小系统的布线数，并且易于扩展和维护。然而，随着数字网络介入反馈控 制循环，n c s 的分析设计变得更为复杂。由于共享数据网络中存在着不可避 免的网络诱导时延和数据丢包等问题，如果在设计控制系统时不加考虑，网 络时延和丢包可能降低系统的稳定性甚至导致系统不稳定。因此，这种非理 想网络状况下的n c s 设计一直作为国内外控制理论与应用领域的一个研究热 点。本文对非理想网络状况的n c s 的建模、分析及控制器设计问题进行了新 的尝试。 首先，本文概要地介绍了n c s 的研究背景、国内外研究现状、n c s 中存 在的主要问题，以及n c s 的研究意义。同时，从计算机网络m a c 层传输协议 基本理论的角度详细地分析了网络诱导时延和数据包丢失两个主要问题产生 的原因。 针对带有随机时延的n c s ，研究了一种通过网络中间件对原有控制器的 输出进行外部增益调整的方法，以实现不改变现有控制器的前提下，动态补 偿随机网络时延对控制系统的影响。利用离散二次型最优规划算法设计了二 次型最优增益参数序列，建立了与随机时延序列相对应的二次型最优增益参 数序列查询表，并介绍了利用查表法进行在线调整增益策略的步骤。通过仿 真实例验证了这种外部增益调整策略可以有效地补偿随机时延对控制系统的 影响。 同时，本文还研究了带有m a r k o v i a n 丢包的n c s 的建模及随机稳定控制 问题。本文考虑的m a r k o v i a n 丢包更具一般性，即丢包的转移概率矩阵中存 在若干未知或不可获得元素。首先，利用离散化方法将丢包n c s 建模为马尔 可夫跳变系统。其次，结合马尔可夫跳变系统理论和依赖于丢包的李亚普诺 夫函数方法，给出了闭环n c s 随机稳定的充分条件。同时，利用线性矩阵不 等式方法，给出了基于丢包的随机稳定控制器的设计方法。最后，通过对比 两种不同方法得到的数值仿真结果，验证了本文所述方法的有效性。 哈尔滨1 ：稃火学硕十学何论文 最后，研究了同时带有随机丢包和网络时延的n c s 的建模与随机稳定控 制问题。本文将网络化控制系统n c s 建模为带有时延的马尔可夫跳变系统。 另外，在没有采用增广向量方法的情况下，利用依赖于模态的l y a p u n o v 函数 分析方法，获得了保证闭环n c s 随机稳定的充分条件。并且利用s h u r 补理论 设计了依赖于模态的状态控制器。最后，给出了一个数值仿真算例说明了所 述方法的有效性。 关键词：网络化控制系统；丢包：网络诱导时延；增益调度序列；马尔可夫 跳变系统 j 、l 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 苒；i i ；i ；i i ；i ；i i ；i ；i i ；i ；i i ；i ；i ；i ；i ；i ；i ；i ；i i ；i ；i ；i ；i 宣；i ；i i ；i i 宣一q , l i l l ；i 暑； a b s t r a c t f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m si nw h i c ht h ec o n t r o ll o o p sa r ec l o s e dt h r o u g hd a t a a n dc o m m a n d c o m m u n i c a t i n g n e t w o r k sa r ec a l l e dn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( n c s ) c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a l l yp o i n t t o - p o i n tc o n t r o ls y s t e m s ，t h e p r i m a r ya d v a n t a g e so fa nn c sa r er e d u c i n gs y s t e mw i r i n g ，e a s i n e s so fs y s t e m d i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e ，a n di n c r e a s i n gs y s t e ma g i l i t y h o w e v e r , w i t ht h e i n s e r t i o no fc o m m u n i c a t i n gn e t w o r k si nt h ef e e d b a c kc o n t r o ll o o p ，i tm a k e st h e a n a l y s i sa n dd e s i g no fa nn c sc o m p l e x a sw ek n o w , d u et ot h el i m i to ft h e c a p a c i t i e sa n db a n d w i d t ho ft h ep h y s i c a ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，p a c k e t l o s sa n d t i m ed e l a y sa r eu n a v o i d a b l ea n dm o s t l yr a n d o mi nan e t w o r kc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l c o n s e q u e n t l y , t h en c sd e s i g n e du n d e ri d e a l i z e dn e t w o r kc o n d i t i o n s w o u l db ed i s t u r b e di np r a c t i c a ln e t w o r kw i t ht i m ed e l a yo r ( a n d ) p a c k e tl o s s ，a n d i t sp e r f o r m a n c ec o u l d b em o s tl i k e l yd e c r e a s e d t h e r e f o r e ，t h ea n a l y s i sa n d s t a b i l i z a t i o ni s s u e so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m su n d e rn o n i d e a lc o n d i t i o n sh a v e b e e ni l l u s t r a t e de x t e n s i v e l yb yi n t e r e s t e dr e s e a r c h e r si nw o r l dw i d e i nt h i st h e s i s ， t h ei s s u e ss u c ha sm o d e l i n g ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n ds t a b i l i z a t i o no fn c su n d e r n o n - i d e a lc o m m u n i c a t i o nc o n d i t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d u s i n gag a i ns c h e d u l e ra l g o r i t h mt o m o d u l a t et h eo u t p u to fa ne x i s t i n g c o n t r o l l e re x t e r n a l l yb ym i d d l e w a r e ，an o v e lm e t h o di sp r o p o s e dt oc o m p e n s a t e f o rs t o c h a s t i cn e t w o r kd e l a y , w i t h o u tc h a n g i n gt h ee x i s t i n gc o n t r o l l e r u n d e r d i s c r e t el i n e a rq u a d r a t i cr e g u l a t i o na l g o r i t h m ，t h ed i s c r e t el i n e a rq u a d r a t i co p t i m a l g a i ns c h e d u l i n gs e q u e n c e sa n dt h el o o k u pt a b l eo fo p t i m a ls c h e d u l i n gs e q u e n c e s c o r r e s p o n d i n gt os t o c h a s t i ct i m ed e l a y sa r eb o t hd e s i g n e do f f i i n e a tt h es a m e t i m e ，t h es t e p su s i n gt h el o o k u pt a b l em e t h o dt oa d j u s tt h eg a i n so ft h ee x i s t i n g c o n t r o l l e ro n l i n ee x t e r n a l l ya r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , as i m u l a t i o ne x a m p l es h o w s t h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h em o d e l i n ga n ds t o c h a s t i c a l l yc o n t r o l l e rd e s i g np r o b l e m so f t h en c sw i t hm a r k o v i a np a c k e t - l o s sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s i np a r t i c u l a r , 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 w ec o n s i d e ram o r eg e n e r a lc a s ew h e r et h e r ee x i s ts o m eu n k n o w no ru n a v a i l a b l e e l e m e n t si nt h et r a n s i t i o n p r o b a b i l i t i e sm a t r i xo ft h em a r k o v i a np a c k e t 。l o s s p r o c e s s f i r s t l y ，t h en c sw i t hp a c k e t - l o s si sm o d e l e d2 l sam a r k o v i a nj u m pl i n e a r s y s t e m ( m j l s ) b yd i s c r e t es y s t e mm e t h o d t h e n ，s u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o r s t o c h a s t i c a l l y s t a b l eo fc l o s e d 1 0 0 pn c sa r eo b t a i n e dv i am j l st h e o r i e sa n d p a c k e t l o s sl y a p u n o vf u n c t i o na p p r o a c h m o r e o v e r ，p a c k e t l o s s d e p e n d e n t s t a b i l i z i n g c o n t r o l l e ri s d e s i g n e d w i t hl i n e a rm a t r i x i n e q u a l i t i e s ( l m i s ) f o r m u l a t i o n f i n a l l y , an u m e r i c a le x a m p l ef o rc o m p a r i s o nb e t w e e nt w om e t h o d si s g i v e nt oi l l u s t r a t et h ep o s i t i v ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dt h e o r y f i n a l l y , t h em o d e l i n ga n ds t a b i l i z i n gc o n t r o lo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 晰t hs t o c h a s t i cp a c k e tl o s sa n dt i m e v a r y i n gd e l a y sa r ea d d r e s s e d i ns p e c i f i c a n o v e lm a r k o v i a n ju m pl i n e a rs y s t e mw i t ht i m e - v a r y i n gd e l a y si su s e dt om o d e l t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) w i t h o u tu s i n gt h ea u g m e n t e ds t a t em e t h o d ， s u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rt h es t o c h a s t i cs t a b i l i z a t i o no ft h en c sw i t hp a c k e tl o s s a n dt i m e - v a r y i n gd e l a y sa r eo b t a i n e dv i at h em o d e - - d e p e n d e n tl y a p u n o vf u n c t i o n m e t h o d t h em o d e d e p e n d e n tc o n t r o l l e rf o rt h ec l o s e d l o o pn c si sp r e s e n t e di n t h el i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e s ( l m i s ) f o r m u l a t i o nv i at h es h u rc o m p l e m e n tt h e o r y an u m e r i c a le x a m p l ei sg i v e nt oi l l u s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e d m e t h o d k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ；d a t a l o s s ；n e t w o r ki n d u c e dd e l a y s ；g a i n s c h e d u l i n gs e q u e n c e s ；m a r k o v i a nj u m pl i n e a rs y s t e m s 一 哈尔滨- r ：稃大学硕十学位论文 目录 第l 章绪论l 1 1 网络化控制系统概述1 1 2 网络化控制系统研究背景2 1 3 网络化控制系统研究目的与意义“4 1 4 网络化控制系统的研究现状5 1 5 网络化控制系统中存在的问题”7 1 5 1 网络信道带宽限制引起的通信约束”7 1 5 2 网络诱导时延”7 1 5 3 数据包丢失8 1 5 4 单包传输与多包传输”8 1 5 5 网络化控制系统中的故障检测9 1 5 6 网络化控制系统中的采样”9 1 6 本文的主要内容及结构1 0 第2 章网络化控制系统相关问题介绍及时延和数据包丢失分析1 1 2 1 网络拓扑结构分类1 1 2 2 几种常见控制网络协议标准介绍1 2 2 2 1 以太网络( c s m a c d ) 1 2 2 2 2 控制网络( c o m r o l n e t ) l3 2 2 3 设备网络( c a nb u s ) ”1 4 2 3 网络时延分析1 5 2 4 数据包丢失分析1 6 2 5 本章小结l8 第3 章随机时延网络化控制系统的动态增益调度策略”2 0 3 1 增益调度策略2 0 3 2 网络中间件- 2 2 3 3 增益调度中间件2 2 3 4t r u e t i m e 仿真平台概述2 3 3 5 随机时延网络化控制系统的动态增益调度策略建模2 6 3 6 建立二次型最优p 增益参数序列查询表3 0 一 膏 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 3 7 利用一一( t ) 查询表进行在线增益调整3 1 3 8 仿真实例3 1 3 9 本章小结3 5 第4 章带有丢包的网络化控制系统建模及随机稳定控制3 6 4 1 线性矩阵不等式相关基础知识3 7 4 1 1 马尔可夫跳变系统基础3 7 4 1 2 线性矩阵不等式基本理论3 7 4 1 3m a t l a b 线性矩阵不等式( l m i ) 工具箱4 0 4 2 带有丢包的网络化控制系统建模4 l 4 3 网络化控制系统的随机稳定性4 4 4 4 网络化控制系统的随机稳定控制4 6 4 5 仿真实例- 4 8 4 6 本章小结5 2 第5 章带有随机时延和丢包的网络化控制系统的建模及稳定控制”5 3 5 1 带有随机时延和丢包的网络化控制系统的建模5 4 5 2 随机稳定基本概念5 6 5 3 带有丢包和时变时延n c s 的随机稳定控制”5 7 5 4 数值仿真6 0 5 5 本章小结6 3 结论6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 2 致谢7 3 ，t 玎 哈尔滨l ：程大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 网络化控制系统概述 进入2 l 世纪以来，控制系统的规模同益扩大，复杂程度不断提高，系统 的物理设备和功能也在不断扩充，传统的点对点直接连接方式已经达到了自 身的应用极限，无法满足系统功能不断增加的需求【1 】。随着电子技术和计算 机技术的不断进步和发展，系统设备成本逐年下降，网络通信能力飞速提高， 网络共享资源不断丰富，越来越多的网络传输方式被应用到自动化和控制领 域中，网络控制系统随之应运而生。 通过实时通信网络形成的反馈控制系统称为网络化控制系统n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 【2 - 5 】，其典型结构如图1 1 所示。该类系统中， 被控对象与控制器以及控制器与驱动器之间是通过一个公共的网络平台连 接，实现彼此之间数据和命令的传输。与传统的点对点控制系统相比，这种 网络化控制模式具有如下优点： 1 信息资源能够共享，交互性好； 2系统连线数大大减小，简化控制系统物理结构，降低了系统集成的成 本： 3 易于扩展，维护方便，灵活性强。 图1 1 典型网络化控制系统结构图 芒 詹 哈尔滨1 ：释大学硕十学何论文 1 2 网络化控制系统研究背景 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 控制为核心的新体系。计算机控制系统的控制方式，先后经历了集中数字控 制( d d c ) ，分布式控制系统( d c s ) ，现场总线控制( f c s ) 以及以太网工 业控制等控制方式。其中，d c s 控制体现了控制系统的网络化发展趋势，现 场总线的产生使得这种趋势变得更加具体和明显，以太网在工业上的应用和 研究使得控制系统的结构的网络化和集成化成为现实。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新的方向。集散控制系统、现场总线控制系统以及 工业以太网控制系统的出现，标志着控制系统正在朝着网络化、集成化、分 布化以及节点智能化的方向发展。 从1 9 5 0 年开始，计算机开始在控制系统中得到广泛运用。随之而来的是 集中数字控制系统( d d c ) 的产生。在集中数字控制系统中，往往通过点对 点的专线实现传感器和执行器与计算机之间信号的传输和执行，d d c 的典型 结构如图1 2 所示。 图1 2d d c 典型结构框图 自1 9 7 0 年起，分布式控制系统开始发展起来。在分布式控制系统中，控 制模块是集成一体的，传感信息的传送，控制信号的产生以及控制系统的执 行都是在各自的模块中完成。仅有一些开关信号，监测信号以及预警信息是 通过网络进行传输的，d c s 的典型结构如图1 3 所示。 2 0 瓜 哈尔滨- | j 程大学硕十学何论文 二二上被控对象一 执行器l传感器1执行器n传感器n 十0十0 控制计算机1控制计算机1 3 ：0 网络 00 操作员站辅助工作站 图1 3d c s 典型结构图 现场总线技术是现场控制技术与现代电子、计算机、通信技术相结合的 产物，它是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。也 就是说，现场总线是控制系统中底层的通信网络，具有双向数字传输功能， 在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并通过 一条物理媒体互相交换信息。随着现场总线技术的日益发展和成熟，出现了 现场总线控制系统。现在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和通信，形成的实时控制系统。 然而，由于历史原因，现场总线的国际标准推出缓慢，国际上各大总线 厂商都在积极参与和主持总线标准的制定工作，导致了现场总线产品在结构 和应用技术上的多样化，造成全球有4 0 多个现场总线标准。标准的多样化使 得不同产品之间不能直接互通互用，使得控制网络的系统集成与信息集成面 临着困难和挑战。 随着信息网络技术的发展，以太网( e t h e m e t ) 在工业领域得到了广泛的 运用，现场总线正逐步转向工业以太网。以太网采用的是载波监听冲突检测 ( c s m c d ) 多路访问协议，当发生碰撞时要重试，使得数据和命令的传输 具有不确定性。为了适应工业现场恶劣的环境，使得工业以太网能够在此条 件下稳定地工作，出现了交互以太网。交互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 a 囊 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 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和大量的技术投 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大，以太网网络接口逐渐成 为标准配置，这为网络控制系统的实现提供了可行性条件。 1 3 网络化控制系统研究目的与意义 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相距很远，则布线所需成本和费用 之高令人难以想象。如果系统单元间改用网络连接，则布线成本会大大降低。 例如，在一个大型的工厂车间内，各个单元和生产线常分布于工厂各处，所 有设备作为个整体可以看作是一个被控对象分散的控制系统。如果我们试 用传统的点对点方式进行控制，也就是说控制器与被控对象一一对应，则需 要大量的连接专线，耗费巨大的电力能源。而且，设备的老化、维修与保养 也会给工厂带来新的问题。如果采用网络控制模式，则工厂的建设成本会大 大降低，设备维护问题会更容易解决，整个工厂的工作效率也会得到很大的 提高。在智能建筑领域中，随着人类对信息的需求，现代化建筑中的楼宇自 控设备和不同功能的系统越来越复杂，同时，业主要求整个系统具有高性能、 高效率、高可靠性和相对低廉的维护费用，随着计算机技术和网络技术的迅 速发展，采用网络控制方式可以完全满足楼宇业主和管理者的要求。采用网 络连接的智能建筑控制系统具有以下优点：具有开放性和可靠的操作性，它 可以把来自多家厂商的空调、照明、消防、安保、门禁、给水排水系统和电 梯等设备集成一体化，通过网络进行统一业务管理。相比之下，采用传统的 专线连接控制方式，则只能在多连线的精度优势和少连线的经济效益之间做 出选择。 网络化控制是复杂大系统控制和远程控制的客观需求。传感器、执行器 和驱动器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，网络控制已经成功应用于国民经济和 4 d 争 哈尔溟j 程大学硕士学位论文 国防建设的各个领域，如机器人遥操作、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( 如图1 4 所示) 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、系统开发化以及产品集成 化的成熟目标迈进。 图1 4d av i n c i 远程医疗手术系统 1 4 网络化控制系统的研究现状 尽管网络化控制系统相比与传统控制系统有许多优点，由于网络系统以 及通信系统本身所具有的特性，网络的引入同时也会给控制系统分析与综合 带来很多新的问题如：网络带宽资源的有限性；不同的信息传送方式以及信 息传送中的延迟；分布式的控制方式等等。所有的这些都显示出了网络化控 制系统的研究不同于传统意义上的控制系统，其过程要比通常的控制系统研 究复杂和困难。具体而言，就是要在网络化控制系统的分析与设计过程中必 须同时考虑控制与通信两方面的问题。 目前网络化控制系统的研究主要包括两个部分：一是先进控制策略的设 计与性能分析；二是设计有效的网络调度策略【6 】。先进的控制策略用于保证 系统性能良好，而有效的调度策略能够保证好的网络质量，减小网络延时、 数据丢包、以及错序等现象对网络控制系统的影响，从而进一步提高控制系 a 鼻 哈尔滨i ：稃大学硕十学位论文 统的性能。 网络控制设计的主要方法有基于稳定性分析的方法和基于系统综合的方 法【7 】。 基于稳定性分析的设计方法，是首先不考虑通信网络中的网络诱导延时、 数据包丢失、错序等问题的情况下进行控制系统设计，然后在对系统进行性 能分析的基础上再设计或者优化通信协议和调度策略来使得网络中上述事件 发生的可能性最小。近年来人们提出了一些有效的网络调度算法，主要有r m ( r a t em o n o t o n i c ) 算法【8 x o ，m e f t o d ( m a x i m u me r r o rf i r s t t r yo n c ed i s c a r d ) 调度算法【l l ，1 2 】以及模糊增益调度算法【1 3 - 1 5 1 等。其中，r m 算法是一种静态的 固定优先权限的静态调度策略，主要用来处理一系列不相关的、基于权限的、 先占的、周期性实时网络传输任务调度；m e f t o d 是一种给时间关键信息 动态分配网络资源的动态调度算法，规定具有最大加权误差的节点先传输信 息；模糊增益调度算法是在网络条件变化的情况下，不改变控制器设计参数， 通过外加模糊调度器的办法改变控制器输出增益达到自适应调节的目的。文 献 1 6 】，【1 7 】针对通信受到约束的网络提出了不同的拥塞控制和拥塞避免算 法。h r i s t u 则进一步讨论了具有通信约束的线性时不变系统的镇定问题1 1 8 1 。 文中将对象和控制器之间的信息按一定的顺序表示成周期为n 的通信序列， 对信息静态调度，然后得到了一个增广形式的离散时间系统模型。r e h b i n d e r 和s a n f r i d s o n 采用了穷举法进行最优通信序列的搜寻，通过一个性能检测指 标来进行的【1 9 】。该指标定义为没有通信约束时系统的最优性能与离散系统的 最优性能的相对误差。l i n c o l n 等提出了一种更效的最优通信序列的搜索算 法，就是通过动念规划的方法来裁减搜索树的【2 0 】。 基于系统综合的网络控制方法，是在设计控制策略时，同时也考虑了非 理想网络环境对控制系统的影响。例如，在文献 2 1 】，【2 2 】中，控制增益参数 的求解依赖于一组线性矩阵不等式，而网络条件参数有直接影响到该组线性 矩阵不等式的可解性。当网络时延满足一定概率分布情况下，n i l s s o n 等在网 络时延小于一个采样周期的情况下，采取随机控制的方法研究了网络系统稳 定性和随机最优控制器设计问题。朱其新等将网络时延扩展到大于一个采样 周期的情形【2 3 】。同济大学的于之训、陈辉堂等研究了在局域网( 控制网) 内 n c s 的随机时延分析、稳定性分析等【2 4 - 2 5 1 。z h i v o g l y a d o v 等针对网络控制系 6 a t 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 统提出了一种切换结构的控制器设计方法，并研究了对不确定性的鲁棒控制 问题【2 6 】。m u 等将该方法推广到输出控制的设计中 2 7 1 。岳东等研究了具有伯 努利分布随机时延的网络控制系统的日。滤波器的设计问题 4 1 。g r i m b l e 研究 了对角型的时延系统，通过引入输入输出时延算子并在频域罩分别给出了连 续和离散时间的最优l o g 控制策略【2 8 - 2 9 】。 1 5 网络化控制系统中存在的问题 通过网络形成闭环的n c s 比传统的点对点式控制系统要复杂得多。由于 网络环境的不稳定，使得n c s 存在许多不确定性，下面讨论一下影响网络化 控制系统的几个主要因素。 1 5 1 网络信道带宽限制引起的通信约束 任何通信网络单位时间内所能够传输的信息量都是有限的。例如，基于 i e e e 8 0 2 1 l a ，i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 1 9 协议的无线传输网络带宽指标分 别为11 m b p s ，5 4 m b p s 和2 2 m b p s 。在许多应用系统中，带宽的限制对整个 网络控制系统的运行会有很大的影响，例如，用于安全需要的无人驾驶系统、 传感网络、水下控制系统以及多传感器多驱动器系统等。由于网络带宽有限， 同时如果控制系统是多输入多输出系统或者是多个子系统耦合而成的大系 统，则在同一时刻，网络可能只能传送该系统的部分输入输出信号，也就是 说，只能有部分的传感器信号或控制器输出信号能够用于控制系统的分析与 综合，因此有可能造成系统不稳定或者系统的性能达不到要求。为了能充分 利用有限的网络带宽资源又能保证闭环系统的稳定性，必须设计有效的输入 输出信息调度方法，最大限度地降低由于输入输出信息的损失而造成的对控 制系统稳定性的影响。在传统的控制系统中，在同一时刻控制器和执行器分 别可以获得所有的传感器信息和控制器信息，所以不存在信息资源的分配问 题。 1 5 2 网络诱导时延 网络中的信息源很多，当系统各个节点通过网络传输信息时，要共享网 络通信信道。由于网络带宽有限而且网络中的数据流量变化不规则，当多个 7 a f 哈尔滨t 程入学硕十学位论文 节点通过网络交换数据时，常常出现数据碰撞、多路径传输、连接中断、网 络拥塞等现象，因而不可避免的出现信息交换时间延迟，这种由于网络引起 的时间延时称为网络诱导时延。由于受到网络所采用的通信协议，网络当时 的负载状况，网络的传输速率和信息包大小等诸多因素的影响，网络用到时 延将呈现或固定、或随机、或有界、或无界的特征。网络诱导时延将导致控 制系统的性能下降，甚至使系统不稳定。所以，网络时延成为网络化控制系 统研究的最为重要的问题之一。 1 5 3 数据包丢失 在基于t c p 协议的网络中，网络的阻塞和连接中断是导致数据包丢失的 一个因素。其次由于节点竞争数据发送权需要花费时间，当节点在规定的时 间内仍然未能成功发送数据，则该数据将被丢弃。另外数据在网络传输过程 中可能会发生错误而被要求重发，如果该节点的数据在规定的重发时问内仍 然没有成功发送数据，则该数据包被丢弃。这些现象都可视为数据包丢失。 网络丢包发生在节点失效或信息冲突时。尽管大多数网络协议具有重新 发送机制，但只能在有限的时间内重发。时间超过限制，数据包就会丢失。 一般来说，反馈控制可以承受一定量的数据丢失。但重要的是要知道保证系 统稳定所允许的数据包最低传输速率。 从系统信息的传输来看，数据包丢失的发生相当于信息传输通道暂时被 断开，使得系统的结构和参数发生较大的变化。闭环控制系统虽然对系统中 结构和参数的变化具有一定的鲁棒性，但不可避免的造成性能的下降，严重 的将导致系统失稳，需要寻找行之有效的解决方法。 1 5 4 单包传输与多包传输 在通信网络中，数据交换的数据帧大小是有约束的，不同的网络有其数 据帧的大小限制，超大的数据量必须分成许多小数据帧来传输。例如e t h e m e t ， 每帧最大能容纳1 5 0 0 个字节，凡是小于1 5 0 0 字节的实时传感器测量数据， 均可以将其封装成一个数据包发送出去，如果数据大于1 5 0 0 字节只能分成两 个或多个数据包发送。对于控制域网络( c a n ) 来说，多包传输则更为普遍。 它的每帧数据最多只能传输8 个字节，凡是超过8 个字节的传输数据必须将 o 膏 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 其封装成多个数据包进行传输。因此，在n c s 中，单包传输通常指系统中的 传感器或者控制器输出数据被封装成一个数据包进行传输；多包传输指n c s 中传感器或者控制器输出数据被封装成多个数据包进行传输。系统是单包传 输还是多包传输，取决与n c s 采用控制网络的类型。例如，以太网的单个数 据包容量大，通常看以看为单包传输方式：c a n 网络则由于其数据包所容纳 数据量较小，通常是多包传输。随着所采用传输方式的不同，n c s 的数学模 型将有很大不同，多包传输的模型较为复杂，对其进行系统分析和控制器的 设计比较困难。目前，绝大多数关于n c s 的研究主要是针对单包传输而言。 1 5 5 网络化控制系统中的故障检测 网络化控制系统是一种具有分布式结构的控制系统，系统由许多的传感 器、执行器以及其它的元部件组成，与大多数现代工业控制系统一样，虽然 系统的自动化程度和劳动生产效率得到了很大地提高，但仍存在着系统故障 发生的可能性 3 0 1 。这也成为在所有的现代工业复杂控制系统中都配有系统故 障检测和诊断子系统的原因之一。因为网络化控制系统在结构、数据形式以 及数据传送方式等方面，与传统意义上的控制系统都有较大的差别。因此， 对网络化控制系统的故障检测方法有别一般系统的故障检测方法。若网络化 控制系统有信息调度，则系统的输入输出信息就存在损失的现象，这极不利 于对系统进行故障检测和诊断，易产生误报和漏报。另外，若信息在网络传 送中产生了时延，这也会对系统的故障检测带来不良的影响等。 1 5 6 网络化控制系统中的采样 通过网络传送一个连续时间信号，首先要对信号进行采样，经过编码处 理后通过网络传送到接收端，接收端再对其进行解码。不同与传统的数字控 制系统，网络化控制系统中信号的采样频率通常是非周期的而且是时变的。 例如，在基于c s m a 协议的d e v i c e n e t 和e t h e m e t 中，节点在每次信号传送 要对网络状况进行检测，当网络通道空闲时开始传送信号，否则，信号传送 将处于等待状态。因此，如果采样是周期性的，当传感器到控制器网络处于 忙状态时，势必会导致在传感器端储存大量待发信息。此时，需要根据网络 的现行状态及时调整采样频率，以缓解网络传输压力，保证网络环境的良好 9 o t 哈尔滨t 样人学硕十学位论文 状态。 1 6 本文的主要内容及结构 本文主要针对普遍存在于网络化控制系统中的网络诱导时延，数据包丢 失等问题，进行了网络控制系统分析，网络控制系统建模以及网络控制系统 控制器设计等工作。 本文的主要内容和结构如下： 第一章主要介绍了网络化控制系统的研究