(控制科学与工程专业优秀论文)通信信道受限的网络控制系

1、摘要网络控制系统是一种全分布式、网络化的实时反馈控制系统，具有低成本、易维护性、高可靠性等诸多优势。由于信息通过网络进行 传输，其不可避免地会遇到一些特殊的问题。通信信道受限的控制问 题是由于网络带宽的有限和噪声信号的干扰限制通信网络的实时传 输能力而产生的。此类问题的存在可能会降低控制系统的控制性能， 影响系统的稳定性。因此，对网络控制系统屮通信信道受限情况下的 控制策略问题进行研究具有重要意义。论文主要针对一类通信信道受限的多输入多输出网络控制系统， 研究在有限通信系统资源下系统的建模、通信序列的选取以及控制器 设计等问题，并就通信信道受限对系统控制性能的影响进行仿真分 析。其具体工作如下

2、：针对任一时刻只允许部分传感器和控制器访问网络的情况，引入 通信序列矩阵描述信道受限问题，分别建立了在“零控制”、“前次控 制情况卜的系统模型；在保证系统能控、能观的前提厂 给出了周 期性可行通信序列的选取原则，并设计出稳定的lqg最优网络控制 器。仿真实例验证了方法的可行性及有效性。基于可行通信序列的选収原则，给出了系统最优通信序列的选取 标准。并根据lqg最优控制问题的特点，将控制性能指标定义为不 受限与受限情况下的目标代价函数的比值。通过大量的仿真实验研究 了不同的通信信道受限程度、不同的受限网络模型以及通信序列的选 取对l q g最优控制性能的影响。进一步提出用预测法來估计信道受限所丢

3、失的实时信息，建立“预测控制"情况下的系统模型，设计出稳泄的最优预测网络控制器， 并通过仿真数例对算法可行性进行了验证。最后，针对学习机上搭建的无耦合二阶电路控制系统，将其与n e t c o n网络控制黠相连构建模拟网络控制系统屮通信信道受限的实 验环境，对设计的控制算法进行实验研究。实验结果进一步证明了设 计算法的正确性及可行性。关键词网络控制系统，通信信道受限，通信序列，l qg最优控制，最优预测控制，性能评估指标，n e t c o n控制器abstractnetwo rk e dco nt r01syste m(nc ；s)i saf !u 11 od i str ib u

4、ted andnetwo rk e dre a1t1m efe e d b a c k c o n t:r o 1syste mw hi chhasse v e r a1advan tagesi n 1 o wc0st ,easy m a1ntenan ce ,h1g hre11a b i 1 ityands 00nduet0th euseo fd1gi ta1netw 0rkstotransm1t in f0rm at10n.nc s sc0mesupagai nsts0mespec ia1p r o i)1e ms bee:a iusethereal-timetran sm1tt i ng

5、capa c1ty0fne tw0rk s arerestr ic tedbynetw 0rkbandw1dth1i mi tati onandno i s esignal di sturbance, communicat ioncha n nelsconstraints controlproblemcomes intobe1ngthepr0b1emdecreasec0ntr01systemperf0rmancewh1c1sa 11 s 0thep0tent1a1fact0rst01nf1uensystemstab111tytheref1s1mp0rtantt0study0nc0ntr01st

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14、rf0rmi anceeva1uat10n1ndexnetco nc0n t r o 1 1 e ri i i知识水坝为您整理原创性声明木人声明，所呈交的学位论文是木人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文屮特别加以标注和致谢 的地方外，论文小不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得屮南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对木研究所作的贡献均已在论文屮作了明确的说明。 作者签名：一墀口期：2型卜年上月监日学位论文版权使用授权书本人了解中南人学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送

15、交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。h期：4年上月旦n中南大学硕士学位论文第一章绪论i1课题的提出第一章绪论 弟一早 三百下匕随着计算机、通信、网络、控制等技术的发展，网络控制技术以及在控制网 络平台上构筑而成的网络化控制系统己成为口动化领域技术发展的热点。网络化 控制系统将自动控制技术和通信网络技术相结合，构筑成分布式系统，实现了现 场微观控制和企业宏观决策的一体化，为工业控制和企业管理决策带來了一种

16、全 新的模式。这种技术的结合不仅在实践上能为解决远程实时控制等已经遇到和将 要遇到的诸多技术难题带来新的思路和方法，而h在理论上将促进自动控制技 术、计算机技术和通信技术等多学科的相互渗透和交叉发展。网络控制系统是计 算机控制系统的更高发展，它具有如下特点112:(1) 结构网络化：网络控制系统最显著的特点体现在网络化体系结构上，它 支持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与分层控制系统的递阶结构相比显得更 加扁平和稳定；(2 )节点智能化：带有c p u的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能 协调，每个节点都是组成网络控制系统的一个细胞，且具有各自相对独立的功能;(3) 控制现场化和功能分散

17、化：网络化结构使原先由屮央控制器实现的任务 下放到智能化现场设备上执行，使危险因素得到分散，从而捉高了系统的可靠性 和安全性；(4) 系统开放化和产品集成化：网络控制系统的开发是遵循一定标准进行的，是一个开放性的系统，只要不同厂商根据统-标准来开发自己的产品，这些 产品之间便能实现互操作和集成。以上特点使得网络控制系统与传统意义上的控制系统相比，具有如下突出优占【3】 >9、(1)系统的连接线大大减少，控制系统物理结构相对简单；(2 )实现资源共享，交互性好；(3 )适于系统安装、扩展和维护。网络化控制系统的发展正呈方兴未艾z势，其应用范围z广，影响层面z深 已经引起越來越多的关注和重视

18、，成为控制领域研究的新热点。它兼具网络和控 制的特点，既是计算机和网络技术向控制领域的延伸和发展，又体现了控制系统 向网络化、集成化、分布化、智能化的发展趋势。尽管网络化给控制技术带來了 新的活力和积极而深远的影响，但同时也给控制技术带来了前所未有的挑战。一 方面，网络环境下控制技术的飞速发展打破了传统控制系统在空间位置上的限中南人学硕士学位论文第一章绪论制，极人地拓宽了控制系统的活动范围和应用场合；另一方面，通信网络介入到 控制系统中不仅引发了控制系统结构复杂程度的增加，而且也给控制系统分析与综合带來很多新的问题。这些问题的存诙际沟么?a id二sogousnap0_62控制策 略和方法的分

19、析与设计面临着诸多的挑战和困难。本课题來源于中南大学信息科学与工程学院与中国科学院口动化研究所合 作建立的网络化控制实验室的项目。课题立足于口动控制理论及算法的实现，从 网络控制系统屮通信信道受限这一基本问题出发，对受限系统建模、性能影响分 析与控制器设计等问题进行研究。同时，本文的研究工作受到国家自然科学基金 重点项h ( 6 0 6 3 4 0 2 0 ) “面向节能降耗的有色冶金过程控制若干理论与方 法研究”、国家自然科学基金项冃(608 0 4 0 3 7 ) “检测大时滞有色冶金配料过程不确 定实时优化方法研究教育部博士点基金项1=1 (200805331 103 ) “检测大时 滞

20、氧化铝配料过程不确定实时优化方法研究“、教育部新世纪优秀人才支持计划项冃(nc e t- 0 8 . 0 5 7 6 ) “复朵有色冶金过程不确定实时优化方法研究”的 支持。12网络控制系统的研究背景计算机控制系统是随着现代大型工业生产口动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术, 在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。计算机控制系统的 发展主要经历了直接数字控制系统，集散控制系统，现场总线控制系统以及网络 化控制系统【4 ' 5 j o6 0年代末期出现了直接数字控制(d d c )系统，如图1 . 1所示：图1

21、1直接数字控制系统这种控制系统只通过一台计算机对系统进行操作处理，因而控制集中，便于各种 运算的集中处理，各通道或冋路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反 映。同时由于系统没有分层，所有的控制规律均可直接实现。这些优点对于当时 的小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作 的控制系统来说收到了良好的效杲。但是，在生产过程较复杂的情况下，在实现 对几十、几百各个回路的控制时，其可靠性将难以保证。系统危险性的过于集屮, 2中南大学硕士学位论文第一章绪论使得一旦计算机发生故障，整个系统就会瘫痪，这影响了直接数字控制系统的进 一步推广应用。7 0年代中期，随着电子技术的飞

22、速发展，人规模集成电路的出现为集散控 制系统的发展奠定了基础。集散控制系统(dcs) 乂称为分布式控制系统，是对生产过程进行集屮管理和分散控制的计算机系统，其基本结构如图1 2所示： 控制对彖申申辛1申甲导卜小一呼1现场控制器1现场控制器n,i i11 f数据通道1 7中央控制室操作站图1. 2集散控制系统集散控制系统整体可分为四个层次：过程控制级，控制管理级，生产管理级和经 营管理级。它们是以通信网络为纽带联系，操作，管理，控制相对分散，配置灵 活，组态方便。事实上，它已经是一个多级计算机网络控制系统，然而在计算机 网络中传输的多是报警信号，开关量信号和监控信号等，现场传输的信号仍然是 4

23、” 一一 2 oma的模拟信号。集散控制系统的出现使得系统的处理能力大大提 高，很大程度上分散了系统的危险性，与集屮式控制系统相比更具有优越性。并月.，集 散控制系统从综合自动化的角度，按功能分散、协调集中的原则设计，有着高可 靠性、高实时性。然而，该系统诸如开放性差，分散不够，以4 ” 一 2 0ma作 为系统与现场设备相互连接等问题在很人程度上限制了集散控制技术进一步的发展， 促使着计算机控制系统继续向着更开放化、更分散化、更数字化的方向发展。9 0年代，现场总线系统（fcs）应运而生。它是指适用于工业现场环境的数 字处理与通信系统，u的是采用数字多路复用通信技术使现场装置与计算机间进 行

24、有效的通信，减少现场布线，并实现变送器的远程操作。现场总线在智能现场 设备、口动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接，其 基本结构组成如图1 3所示。作为新一代控制系统，现场总线技术具有如下特点：1）实现系统的全分散 控制；2）系统的开放性；3 ）现场设备的智能化与功能自治性；4）互操作与 互用性；5 ）对现场环境的适应性。这些特点使得现场总线与传统控制系统的体系 结构相比，具有节省破件数量和投资、减少安装费用、降低维护开销、用户具有屮南大学硕士学位论文第一章绪论图13现场总线控制系统高度的系统集成自主权、较高的系统准确性和可靠性等优点。但它也有明显的不 足之处：目前相关的

25、现场总线国际标准还局限于过程自动化领域，过于集中于过 程控制的低速总线，不能很好地用于分布式控制和混合控制等方式；系统的可扩 展性不强；且其应用和装置的类型也不完善，因此离实现真正的开放性还有很长 的一段距离。尽管，基于现场总线的网络化控制能够解决独立的控制系统中的问 题，但是它在网络的可扩展性、网络拓扑结构和通信媒介的使用方面都面临着许 多限制和约束。进入21世纪，自动化与工业控制技术需要更深层次的渗透通信与网络技术。 一方血，现代工厂与智能设备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间，而它 们之间的通信需要数据通讯网络來实现；另一方面，通信网络的管理与控制也要 求更多的采用控制理论与策略。随

26、着控制、网络及通信技术的发展和相互渗透， 控制系统结构越来越复杂，空间分布越来越广，对系统控制性能的要求也越来越 严格【61。综合通讯和控制系统iccs (integratedc o m m u n i cat i onandcont r o 1system),又称为网络控制系统(ne two r k e dc o n t r o 1system, n c s ),最早于 1998年出现在马里兰大学wa 1 s h g c t o 7的文章中，但其并没有给出确切的 定义，只是用图说明了网络控制系统的结构特征，指岀在该系统屮，控制器与传感器通过串 行通信线路形成闭环。在国内，清华大学的顾洪军给出

27、了明确的定义8】：网 络控制系统，又称为网络化的控制系统，即在网络环境卜实现的控制系统。是指在某 个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间 的数据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义 的网络控制系统包括狭义的在内，而且述包括通过企业信息网络以及i n t e r n c t实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制等。另外，同济大学的于z训【9】、中国科学院的王飞跃【10】等用了“网络控制系统”，重庆大学的张结 斌【1 1】用了“分布式网络控制系统”这样的术语。网络控制系统的基木特点就是反馈控制系统中的控制回路是通过网络连接 而形成

28、系统闭环的，其典型结构如图14所示。从网络结构上來看，网络控制 系统和现场总线控制系统并没有区别，都是总线网络，多个节点共享信道，用来传 输实时数据；但从定义上看，现场总线控制系统侧重的是节点z间实时或非实时 数据的传输和共享，而网络控制系统则强调在通信网络上建立闭环控制回路。从 这一点上看，网络控制系统屮的网络是一个广义的范畴，其还可以包括工业以太 4屮南大学硕士学位论文 第一章绪论图1 4网络控制系统网、无线通信网络甚至i n t eme t ,这也是与网络技术的发展相适应的。 从技术的角度上来看，网络控制系统兼具有网络技术和口动控制技术的特点：(1 )要求有高实时性及快响应的数据传输：(

29、2 )传送的信息既有控制型 的短帧信息也有监控或决策信息，且信息交换频繁；(3)网络协议简单实用，工作 效率高；(4)网络结构具有高度分散性，易于实现与信息网络的集成，安全性好;(5) 具有控制设备的智能化和控制功能的自治性特点。目前，网络控制系统主 要应用于两个方面1 2 ' 13： 一是复杂控制系统，这种系统一般由多个子系 统构成，如&机高度控制系统。二是远程控制系统，如卫星姿态调整系统，以及其它航天 器，舰船，高性能汽车等。另外，使用无限网络技术还可以实现用大量广泛散布 的廉价传感器与远距离的控制器，执行器构成某些特殊用途的网络控制系统，这 些都是传统的点对点结构的控制系

30、统所无法实现的。13网络控制系统的主要问题及研究现状网络控制系统是自动化领域又一次深刻的变革，它顺应了工业控制系统逐渐地向分散化、网络化、智能化方向发展的趋势，与传统的控制系统相比有许多的 优点，如低成本、低重量、低功耗、易维护性、高可靠性等。但是，由于网络的 介入，信息乂是通过网络进行传输的。因此，不可避免地带来了不同于其他控制 系统的问题，如网络诱导时延、数据包丢失或顺序混乱、单包和多包传输、通信 受限以及网络调度等问题1 1扣1 6 j。13 .1网络时延在网络控制系统中，时延是普遍存在的现象。它來源于控制对象本身的时滞， 控制算法的复杂程度，数据转换和传输以及外界干扰等。在实时网络控制

31、系统中, 时延可以分为控制算法时延和网络诱导时延两人类。由于控制算法时延是指节点 完成自身功能所用的时间，在实际情况中相对采样周期较小甚至可以忽略，所以屮南大学硕士学位论文第一章绪论在网络控制系统屮主要存在的是网络诱导时延。如在调度网络中，当节点在等待 令牌或时间槽时就会产生网络诱导时延，这会降低系统的性能甚至引起系统的不 稳定。网络控制系统中存在着多种不同性质的时延，近年来对于确定性时延系统、随机时延系统的分析和建模【17 7 9】都取得了很大的进展。当前，对于时延 控制系统的控制方法主要分为以下儿种：()状态增广方法网络系统爺控制屮，状态增广方法是被广泛采用的策略也是许多先进 控制策略的基

32、础，这种方法是将带有时延信息的増广状态与原有的系统状态空间 方程整合。nilsson 20以状态増广法为基础，分析了具有相互独立 延时和马尔可夫链特征延时的系统。但是，由于增广状态空间模型具有随机特性，所以很难在 不改变控制系统结构的基础上给出通用稳定性评判标准。(2) 增益自适应补偿方法【2 1 增益自适应方法是利用增益的白适应调整来补偿网络控制屮服务品质(qos) 的变化与下降，并根据给定的网络q o s自调整控制器参数，以提供最好的控制 性能，以克服扰动方法存在的不足。这种方法有效解决了控制系统的不确定性时延 问题，并在快速响应的运动控制系统中验证了有效性，较以往的控制策略具更广 的适用

33、范围。但控制器参数的口适应调整力度有限，不适用于长时延控制系统。(3) 先入先出的队列补偿方法对于网络控制系统的随机时延，利用先入先出的队列进行时延补偿方式较于状态增广法更为有效，其主要分为两类t定值预测和概率预测。a. lueknrayl22提出了基于确定性预估器的时延补偿方法，该方 法是基于定值预测的时延补偿方法，其基木思想是使用观测器估计被控对象的状态，根据 已有的输出量，利用预测算法计算出预估的控制输入量。在此预测补偿法方法中, 观测器和预估器的性能好坏主要依赖于模型的精确度，被控对象的动态模型需要 相当准确，月由于队列的存在和模型的不确定性，人为增长了网络时延。b. chan 23】

34、利用队列和一个概率预报器来进行时延补偿。这种方法利 用概率算法提高了随机时延网络系统的控制性能，但由于队列的存在，依然没能解决网 络时延不必要増长的问题，且仅仅考察了传感器到控制器时延，而忽略了控制器 到执行器时延的影响。另外，bauer 241等人分析了带有随机延时的网络问题，提岀在离散情 况下使用smit h预佔器来消除由于网络所引起的延迟。(4 )随机时延优化控制方法【2 5，2 6 1针对队列方式、规划方式存在的不足，随机优化控制方法提出了新的解决方6中南大学硕士学位论文第一章绪论案，将系统的随机时延影响看作是lqgi'.题，以控制器和执行器采用事 件驱动、传感器采用时间驱动的

35、网络控制系统为应用对象。与队列方式和比，该方法的控 制性能要好于基于定值预测的时延补偿方法，基于lqg策略，与sm i t h预 估方法结合也可使系统性能指标不受时延影响。但不足在于：需要占用大量的控制器记 忆单元来存储大量的先前信息，而使得该方法对快速响应系统并不十分有效。(5)模糊p i时延补偿算法1 27 j现有的时延网络控制系统的补偿手段主要采用传统的控制理论，冃假定的理想化条件较多，如假设单包传送、通讯无误等，因此应用于实际的控制网络时难 以获得理想控制效果。针对网络时延的随机时变特性，模糊pi时延补偿算法就 是将模糊逻辑补偿算法引入到传统的pi控制器设计屮，以消除闭环网络控制系统

36、中由时延引起的控制性能卜降、系统不稳定等不利影响。该算法充分利用了模糊控制理论规则少、应用简单灵活的特点，在保持系统稳定性的同时，有效地削弱了 控制系统中由不确定性时延造成的脉动与振荡，在改善远程网络控制系统的动、 静态性能方面表现出了较传统pi控制更强的功能特性。13. 2数据包丢失在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这必然会导致数据包丢失问题的产生。虽然大多数网络都具有重新传输的机制，但它们也只能在一个有 限的时间内传输，当超出这个时间后，数据也会丢失。传统的点对点结构控制系 统基本上都是同步和定时的系统，它可以对系统中参数或者未建模动态具有较强 的鲁棒性，但可能完全不能容忍数据

37、网络结构和参数的改变(网络中的数据包丢 失可以看成网络结构和参数的改变)。一般来说，网络控制系统能够承受一定量 的数据包丢失，但是必须确定一个可以接受的丢失量来确保其稳定性。1=1前，对于数据包丢失问题已有的研究有：z h a n gw 2 8用具有速率约 束的异步动态系统方法建立了具有数据包丢失的网络控制系统模型，并给出了此种情况 卜使系统稳定的保寸条件；n i 1 s son 20】把网络控制系统中的数据包 丢失处理为具有两个状态的马尔可夫(ma r k o v )链，并分析与设计了网络l q控制器；q i a n g “四川 j等假定数据包丢失过程服从独立分布，采用功率谱密度法分析了包丢

38、失率对单输 入单输出控制系统动态性能的彫响，并给出了维持一定动态特性的数据丢失率的 上界。魏道稳【31】研究了数据包丢失与控制调度的协同设计。1 3 . 3通信约束由于网络带宽的有限和噪声信号的干扰限制了通信网络的实时传输能力，而 导致了带通信约束的控制问题。它涉及到研究如何在保证系统稳定或一些其它性 7中南大学硕士学位论文第一章绪论能的情况下得到系统的传输速率上界，以及如何在通信有限的情况下进行状态估 计、控制器设计等等。h前，主要将此类问题分为三类：位速率约束、信息速率 约束和通信信道约束，具国内外研究现状如下：(1 )位速率约束它是指物理网络屮有比特率约束的问题。wong和brocket

39、t 32 研究了有带宽约束的控制系统的状态估计问题，给岀了网络屮信息递归编码和解码的机制。tati k o n d a t剜在经典的l qg最优控制框架里研究了带位速率约束的 控制问题。在对象输出和控制黠输入之间假设了噪声模拟反馈链路，并给出了模型的编码器和 解码器，得出了当网络中的比特率小于某个阈值时系统无法镇定的结论。p h a t 3 4 等研究了带位速率约束的线性不确泄离散控制系统的鲁棒稳定性问题。(2)信息速率约束它是从信息包传送的级别上来考虑通信约束问题，是在假定网络无限精确以 及忽略由有限字长导致的量化误差前提f提出的。walsh掣3 5】在信息率 约束的条件下，研究了连续的时不

40、变系统，提出了一种新的控制网络协议tod(try on c e d i s c a r d )概念。z h a ngw 2 8在信息率约束的条件下，研究了传输周期为时变的网络控制系统的稳定性，推导了能保证系统稳定的传输周期的充分条 件，并使用穷举法来确定传输周期上界的数值。(3)通信信道约朿对于一个多输入多输出的网络控制系统来说，由丁系统资源的有限，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，即只能有部分的传感器信号 或控制器输岀信号能够用于控制系统的分析与综合。由此产生的通信信道约束问 题是从介质访问的级别来考虑通信约束问题的，也称为通信信道受限问题。u r i s t u 3 6

41、】给岀了通信信道受限情况下保证通信序列稳定的充分条件。 宗群37】八等对此类受限控制系统的稳定性进行了分析，并给出控制器的设计方法。宋洪波和俞立【38】等对具有通信信道约束的线性时不变系统的镇定问题进行了研究。 上述文献侧重于稳定性分析，且没有考虑噪声信号的影响。rehbinder39研究了此类受限系统的最优离线调度方法。但是， 其仅仅只考八虑了;彖输入端存在约束的情况。z h a n g l 4 0针对有通信信道受限的 网络控制系统，给出了控制和调度协同设计的方法。并在此基础上，文献4 1 1提出了用 切换系统中的凸组合方法來解决控制器和动态调度算法的联合设计问题。以上研究侧 重于调度与控制方法的设计，尚未讨论通信受限问题对控制系统性能的影响。13 . 4网络调度网络控制系统屮的调度可分为基于共享c p u资源的控制任务可抢优的实时屮南大学硕士学位论文第一章绪论任务调度和基于共享传输介质的数据传输不可