时延下比率遥操作系统稳定性与性能折衷策略(完整版)实用资料

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时延下比率遥操作系统稳定性与性能折衷策略（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据４７４东南大学学报（自然科学版）８６４第３５卷性与性能折衷的控制策略．该策略通过调节主从系统阻抗和变阻尼来实现系统稳定并增强性能，并且．鲁蜜蔓一４允许操作者和环境是非线性和时变的，只要他（它）们是无源的．莱威林准则虽仍偏保守，但可给０．８｛ｊｌ｝ｌｊ瑙：：；０．２Ｏ一０．２慨。气ｔ／ｓ（ａ）时延（ｒ＝Ｏ．１５５ｓ）下主、从手位置响应出调节参数的上界．仿真结果表明了此策略的有效性．‘瓦（ｔ一０．１５５）一５．７７工。（ｔ）‘参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ＭａｒｅｓｃａｕｘＪ，ｋｒｏｙｂｏｔａｓｓｉｓｔｅｄＪ，ＲｕｂｉｎｏＦ．ＴｒａＩｌｓｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｍ・ｔ／８ｒｅｍｏｔｅｔｅｌｅｓｕｒｇｅｒ），：ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｏｔｅｎｔｉａｌ（ｂ）时延（ｒ＝０．１５５８）下位置比率跟踪误差‘印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ａ，ｌ，ｌａ红Ｄ，勋ｒｇＰ删，２００２，２３５（４）：４８７—４９２．图５新的从手对主手的滞后位置比率跟踪及其误差［２］Ｍａｒｅｓｃ跚ｘＪ，ＲｕｂｉｎｎｏＦ．Ｉ沁ｍｏｔｅｓｕ唱ｅｒｙ：ｐｒｅｓｅｎｔａｎｄｆｕｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｐｒ０扫ｋ榭ｆ，ｌ＆ｎＰｒ口ｚｓ“ｒｇＰ∥，２００３，２０（２）：７３—７８．Ｚ＼穴［３］ＭｉｔｓｕｉｓｈｉＭ，Ｔｂｍｉｓａｋｓ，Ｙｏｓｈｉｄｏｍｅｃｒｏ—ｓｕ唱ｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｍｉｎｔｅｕｉｇｅｎｔＴ，ｅｔａ１．Ｔｅｌｅ—ｍｉ－ｕｓｅｆｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ａ］．ｎｎｄＡｕｔｏｍｎｎｏｎｈ：Ｐｍｃ硝ｌＥＥＥｔ／８ＩｎｔＣｏ对ｏｎＲ曲ｏｔｉｃｓ（ａ）时延（ｒ＝Ｏ．１５５８）下主、从手位置响应［Ｃ］．ｓａＩｌ［４］ＬａｗｒｅｎｃｅＦｒａｎｃｉｓｃｏ，２０００．１６０７一１６１４．ＤＡ．Ｓ诅ｂｉｌｉｔｙａｎｄ廿ａ１１ｓｐａｒｅｎｃｙｉｎｂｉｌａｔｅｒａｌｔｅ—ｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ｚ臣２ＥＥ丁’ｗ，ｌｓＤｎ尺。易Ｄｆｆｃ５口ｎｄＡ“ｆＤｍｄ一砌聆，１９９３，９（５）：６２４—６３７．［５］Ｌｅｕｎｇｔ／８ＧＭＨ，Ｆｒ锄ｃｉｓＢＡ，ＡｐｋａｆｉａｎＪ．Ｂｉｌａｔｅｒａｌｃｏｎ－ｔｍｌｌｅｒ锄ｄｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｏｒｓｗｉｍｔｉｍｅｄｅｌａｙＶｉａ肛－ｓｙｎｍｅｓｉｓ（ｂ）时延（ｒ＝Ｏ．１５５ｓ）下位置比率跟踪误差［Ｊ］．＾聊丁，ｎ，ｌｓ１１（１）：１０５一１０６．Ｄ，ｌＲｏ幻矗ｃｓ以，ｌｄＡ“ｆＤ，，ｌ口ｆ面，ｚ，１９９５，图６新的主手对从手的滞后力比率跟踪及其误差［６］ｃｏｌｇａｔｅＪＥ．ＲｏｂｕｓｔｉＩｎｐｅｄａｎｃｅ０ｎｓｈａｐｉｎｇｔｅｌｅｍａｎｉｐｕｌ一越ｏｎｌ】］．１ＥＥＥＴｍｎｓ∞∞＼籁帐嘲盛—Ｉ＿Ⅷ．，ｚｖ∞Ｏ０２４６８ｌＯｔ／ｓ１２１４１６１８２０Ｒｏｂｏｆｉｃｓｎ硼ＡＭｌｏｍｎｔｉｏｎ，ｗｉｍ１９９３，９（４）：３７４—３８４．［７］Ａｄ锄ｓｖｉｒｔｕａｌＲＪ，ＨａｎｎａｆｂｒｄＢ．ｓｔａｂｋｈ印ｔｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ『Ｊ］．，ＥＥＥ丁’．口，ｌｓＤｎ尺Ｄ幻ｆ把ｓ日蒯Ａ“幻ｍ醐ｆＤ，ｌ，１９９９，１５（３）：４６５—４７４．［８］陈惠开（美），吴新余，吴叔美．现代网络分析［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，１９９２．４６３—６２９．（ａ）变阻尼系数Ｏ．ｉ５Ｏ．１００．０５Ｏ一叩ｓ．目一＼峨一战语；；［９］王爱民．力觉临场感的应用基础研究［Ｄ］．南京：东南大学仪器科学与工程系，２００１．［１０］刘少强．用于微创外科手术的力觉临场感比率遥控机器人理论及实验研究［Ｄ］．南京：东南大学仪器科学与工程系，２００２．［１１］ＨｏｇａＩｌＮ．ｃｏｎ廿ｏｌｌｉｎｇｉｒｒ班ｄ锄ｃｅａｔⅡｌｅｍａｎ／ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ａ］．Ｉｎ：ＰｒＤｃＤ，，ＥＥＥ伽ｆｃＤⅣ伽ＲＤ６０ｆｆ∞４蒯Ａ摊，册船砌聆［ｃ］．５ｓｃｏｃｔｓｄａｌｅＡｚ，１９８９．１６２６—结１６３１．［１２］ＮｉＬ，ｗ龃ｇｎａｌｙｓｉｓｆｏｒａＤａｖｉｄｗＬ．ｃｏｎｔａｃｔⅡ彻ｓｉｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｓｙｓｔｅｍ［Ａ］．ａ－针对用于远程手术等任务的比率遥操作系统，本文引入二端口网络绝对稳定性准则，从实现理想性能出发提出了时延下实现比率遥操作系统稳定ｂｉｌａｔｅｒａｌｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｈｎＩｎ：Ｐｍｃ对ｌＥＥＥＣｏｎｊ傩Ｒ０ｂｍｉｃｓａｎｄＡ以ｏｍｍｔｏｎ［ｃ］．ｗａｓＩｌｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ，２００２．３２７２—３２７７．万方数据开关电源系统稳定性设计分析稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的，如果没有足够的相位裕度和幅值裕度，电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。

下面先介绍了控制环路分析里面必须用到的各种零，极点的幅频和相频特性；然后对最常用的反馈调整器TL431的零，极点特性进行分析；TOPSWITCH是市场上广泛应用的反激式电源的智能芯片，它的控制方式是比较复杂的电压型控制，为了方便一般使用者，内部集成了一部分补偿功能，所以很多工程师不清晰它的整个环路，最后运用上面的理论分析一个TOPSWITCH设计的电源，对它的环路的每一个部分进行了解剖，可以使工程师更好地应用TOPSWITCH及解决设计中遇到的环路问题。波特图是分析开关电源控制环路的一个有力工具，它可以使复杂的幅频和相频响应的计算变成简单的加减法，特别是使用渐近线近似以后，只需要计算渐近线改变方向点的值。

增益按-20dB/10倍频程下降,相位近似按-45°/10倍频程下降。最大相移为-90°

增益按20dB/10倍频程上升,相位近似按45°/10倍频程上升，最大总相移为90°

右半平面零点是反激和BOOST电路里面特有的现象。增益按20dB/10倍频程上升，相位近似按-45°/10倍频程下降，总相移为-90°,右半平面零点是几乎无法补偿的，做设计时尽量把其频率提升或降低带宽。

Q值是电路的品质因数，过了谐振点后，增益按－40dB/10倍频程下降,相位依Q值的不同有不同的变化率，Q值越大，相位变化越剧烈，在谐振点相位是-90°,最大总相移为-180°

Q值是电路的品质因数，R2是负载电阻，R1是电感的电阻，电容的ESR,整流管内阻，和代表磁心损耗和漏感损耗的合成电阻。大部分的AC/DC电源，由于损耗较高，一般Q值很难大于3.当Q值较低时(Q<<0.5)，双极点响应会退化为两个单极点响应，如上图所示。

TL431用输出供电时的零，极点特性

TL431是开关电源次级反馈最常用的基准和误差放大器件，其供电方式不同对它的传递函数有很大的影响，而以前的分析资料常常忽略这一点。下面分析常见的供电和输出反馈接在一起时的传递函数。

从上面的公式可以看到，在输出直接给431供电的情况下，零点的位置在，即使没有R，只接一个C的情况下，零点还是存在，如果R1远大于R，零点的位置主要有反馈网络的上分压电阻决定。为了抑制输出的开关纹波，有时在后面加一个LC滤波，如下面TOP245Y电源的L2,C8，其谐振频率一般大约为开关频率的1/10－1/20左右，这个频率通常远大于反馈回路的带宽，其影响可以忽略.

下面我们将用上面的基础知识来分析一个典型的TOPSWITH电源的控制环路，这是一个宽范围输入，12V/2.5A输出的一个反激电源，原理图如下：

下面为反激电压方式的反馈环路图：

其开环传递函数为K=(Kmod*Kpwr*Klc*Kfb)*Kea=K1*Kea

Kpwr是功率部分，Klc是输出LC滤波部分，Kfb是反馈分压部分，Kea是反馈补偿部分和光耦部分，Kmod是调制器部分，在做补偿设计以前，先计算出除Kea外各自部分的频率特性，然后计算出K1=Kmod*Kpwr*Klc*Kfb的频率特性，根据实际情况确定出需要的设计目标Kea,然后通过设计TL431的相应补偿来完成Kea的要求。

结合上面的原理图我们来计算在115VAC输入时各个部分的数值。

已知数值：Vin=135V,Vout=12V,C6,C7ESR=50mΩ,负载R=4.8Ω，η＝81％

由[2]可知：Np=58T,Ns=6T,Lp=827uH,Vor=120V,Vds=5.2V

Vor是次级反射到初级的电压，Lp为初级绕组电感，Ls为次级绕组电感，D为占空比。

功率部分和输出LC滤波部分小信号传递函数[3]

fz2是右半平面零点的频率，此频率随负载R，电感Ls,和占空比D而变化，在此设计中频率是48k,高压时频率更高，AC/DC反激的带宽通常只有几k,远小于此频率的1/4,不会对控制带宽设计产生影响。

Q值的确定，在开关电源里面要经过试验来确定。由于次级绕组的损耗，漏感的损耗，电容ESR的损耗及整流管内阻的损耗等，一般AC/DC电源，Q值相当低，在此电源中约0.15,由于Q＝0.15<<0.5,LC振荡转变为两个双极点：

ωP1=Q*ωO=0.15*4920=738;fo1=ωP1/(2π)=117Hz

ωP2=ωO/Q=4920/0.15=32800;fo2=ωP2/(2π)=5.22kHz

把上述各个值带入公式(1)得到

Kmod部分小信号传递函数

Kmod是PWM部分的传递函数，TOPSWITCH是个高度集成的功率芯片，除了传统的PWM比较器外，芯片还外接启动用的电容和电阻，其必然对环路有影响，另外内部集成了一个7K的极点。Kmod，即TOPSWITCH部分的传递函数为：

DCreg是PWM部分的直流增益，由[4]查出典型值是230，ωTOPSWITCH是7K。下面来确定ωz和ωp。右图是C脚的等效图，C为外接启动电容，在原理图上是C3,R为外接电阻R5和电容C3内阻(2欧姆)之和，Zc为C脚动态内阻，由[4]查处为15欧姆，C4做抗干扰用，由于值很小，在几KHz的有效带宽内不足以对环路造成影响。C脚总阻抗为:

除补偿部分外的小信号传递函数K1:

在此设计中，由于上分压电阻直接接到431基准端，所以Kfb=1

如果要设计补偿部分，可以先确定目标带宽，然后再设计补偿部分，使在目标带宽时的相位裕量大于45°,在用TOPSWITCH设计的反激电源中，目标带宽除受到一般反激电源的几个限制外（带宽要小于开关频率的1/2;右半平面零点的1/4;运放增益限制，输出电容类型的选择等），还受到内部7KHz极点的限制，一般不能太高，约1-2KHz,对一般应用来说，已足够了。本文是对一个实际电源的分析，所以略过这一步，如果需要了解这个过程，可以从结果反推出来运放的补偿部分。

TL431部分小信号传递函数:

由于TL431用输出供电，按第3部分所述，其传递函数为：

R6,R9大小决定了增益，由于R9由零点的位置而决定，所以整个增益的大小由调整R6来确定。CTR为光耦PC817C的实测电流传输比。

补偿部分的波特图如下：

从图上看补偿部分只有一个极点和零点，它们和TOPSWITCH里面的7KHz极点共同组成了一个II型补偿网络。7KHz极点用来抵消输出滤波电容零点，衰减噪音和开关纹波的干扰。

总开环响应:

整个环路的开环增益为K1和Kea的乘机，在波特图上是两部分的增益和相位的代数和。

整个环路的开环波特图：

实测波特图：

交越频率1.16KHz,相位裕量66.5°,两者基本温和。

总结

介绍了环路的一些基本概念和基本设计方法，分析了TL431在输出供电时的小信号特性，分析了一个具体的TOPSWITCH反激应用的控制环路，同样可以把这些方法来运用到其他拓扑的分析中，在次级用运算放大器做反馈控制时，如果光耦接在运放输出和电源输出之间，TL431的分析方法同样是使用的。

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edcontrolsystemsispresentedbasedonthetheoryofasynchronousdynamicalsystem.Meanwhilethestatefeedbackcontrollercanbesolvedbyasetofmatrixinequalities.Thesimulationdemonstratestheeffectivenessoftheproposedmethodoftheproposedmethod.Finally,thedevelopmentofnetworkedcontrolsystemstheoryisforecasted,andresearchdirectioninthefutureispointedout.Keywords:networkedcontrolsystems;networkdelay;stateobserver;stability;asynchronousdynamicalsystem目录独创性声明....................................................................................................................I摘要...........................................................................................................................IIABSTRACT................................................................................................................III第1章绪论................................................................................................................11.1网络控制系统的简介.........................................................................................11.2网络控制系统的特点.........................................................................................21.3网络控制系统的基本问题.................................................................................51.4网络控制系统的研究现状.................................................................................71.5本文的主要工作...............................................................................................12第2章网络控制系统的时延分析............................................................................132.1网络控制系统性能分析...................................................................................132.1.1网络控制系统中常用的传输访问控制方式............................................132.1.2网络控制系统的实时性............................................................................142.2网络控制系统中的数据类型和数据特性.......................................................152.2.1网络控制系统中的数据类型....................................................................152.2.2网络控制系统的数据特性........................................................................152.3网络控制系统时延产生的原因及过程...........................................................162.3.1网络控制系统中时延产生的原因............................................................162.3.2网络控制系统中时延产生的过程............................................................172.3.3网络控制系统中的时延特性....................................................................182.4不同节点驱动方式对NCS的时延的影响.....................................................192.4.1时间驱动方式............................................................................................192.4.2事件驱动方式............................................................................................202.4.3不同的驱动方式对时延的影响................................................................202.5带有时延的网络控制系统的建模...................................................................212.5.1短时延网络控制系统的建模....................................................................222.5.2长时延网络控制系统的建模....................................................................282.6时延对NCS性能的影响.................................................................................302.7小结...................................................................................................................32第3章基于观测器的NCS短时延控制..................................................................333.1网络控制系统中状态观测器的概述...............................................................333.1.1状态观测器的应用背景及基本设计思想................................................343.1.2全维状态观测器的设计步骤....................................................................353.2带有时间延迟的网络控制系统模型...............................................................363.3基于状态观测器的短时延补偿控制...............................................................363.3.1网络控制系统中状态观测器的设计........................................................373.3.2基于状态观测器对NCS中短时延的补偿..............................................383.4系统的仿真研究...............................................................................................403.5小结...................................................................................................................43第4章长时延NCS的稳定性分析与控制..............................................................454.1具有长时延的网络控制系统的稳定性分析及控制.......................................454.1.1长时延网络控制系统模型........................................................................454.1.2长时延网络控制系统稳定性分析............................................................464.1.3仿真............................................................................................................504.2具有长时延和丢包的网络控制系统的稳定性分析与控制...........................514.2.1具有长时延及数据包丢失的网络控制系统模型....................................514.2.2具有长时延及数据包丢失的网络控制系统的稳定性分析....................534.2.3仿真............................................................................................................554.3小结...................................................................................................................56第5章总结与展望....................................................................................................57参考文献................................................................................................................59致谢..........................................................................................................................65第1章绪论网络技术和计算机应用技术自从出现以来一直以惊人的速度飞速发展。随之出现的网络控制系统是一种新的控制系统,它的出现不仅顺应了现代科技的发展趋势,而且也反映了在信息科学为支柱的新世纪中,各学科理论及应用交叉、渗透和融合的发展趋势。因此网络化控制系统越来越受到广泛的关注。1.1网络控制系统的简介网络控制系统(NetworkedControlSystems,简称NCS,又称为网络化控制系统,是一种全分布、网络化实时反馈控制系统。它是某区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合,用以提供设备之间的数据传输,使区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作[1]。图1.1为网络控制系统的结构框图,每一个网络控制系统往往不是独立的,它由多个子控制系统通过通信网络一起构成。通信网络为系统中各个子系统所共有,实现各种智能化输入/输出(I/O设备如传感器、执行器与控制设备等与整个控制系统的所有设备的连接,从而实现信息的共享和传递。图1.1网络控制系统的结构框图Fig.1.1ThestructureofNetworkedControlSystem在实际的应用中利用网络构成回路的控制系统有两种:一种是复杂控制系统,它是指那些包含了很多子系统的大规模系统,并且每一个子系统可以看作一个控制系统,一般由传感器、控制器、执行器构成[2]。在不同的应用场合,传感器和执行器根据控制器的不同需求安装在不同的位置;另一种是远程控制系统,它主要包括远程数据请求系统和远程监控系统。要实现远程控制系统,必须在本地与远程地点建立通信网络连接[3]。以上网络控制系统中的每一个子系统的组成都可抽象为四个部分:控制器、传感器、执行器和网络。在抽象后的网络控制系统中,每个点的传感器到控制器的信号和控制器到执行器的信号都是通过网络传输的:各节点间的物理连线相对简单,控制元件(传感器、控制器、执行器的信号共享单个传输通道。网络控制系统的发展经历了以下几个阶段[4,5]:(120世纪中期,出现了集中式数字控制系统(DDS,由于当时计算机可靠性较差,一旦计算机出现某种故障,就会造成所有相关控制回路瘫痪、生产停产的严重局面。(220世纪80年代中期,随着计算机可靠性的提高,出现了集散控制系统(DCS。虽然DCS技术已经发展到成熟阶段,但是它存在着很多缺点。首先,由于DCS系统是模拟数字混合系统,模拟信号的转换和传输使系统精度受到限制。其次,DCS系统结构上遵循主从式思想,没有完全突破集中控制模式的束缚,系统的可靠性有限。而且DCS系统属非开放式专用网络,各系统互不兼容,不利于系统的普及与应用。(320世纪90年代,出现了现场总线(FCS技术。它突破了DCS系统中采用专用网络的缺陷,把专用封闭协议变成标准开放协议,同时使系统具有完全数字计算和数字通信能力。在结构上采用了全分布式方案,把控制功能彻底下放到现场,提高了系统的可靠性和灵活性,使系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断的综合能力的控制网络。目前,控制系统的网络结构发展越来越分散化,同时系统越来越复杂,内部的连接越来越高速化、紧密化,所以网络控制系统已成为发展的一种趋势。1.2网络控制系统的特点网络控制系统NCS是分布式系统(DCS和现场总线系统(FCS的进一步扩充,其网络含义又不局限于DCS与FCS,还可以包括工业以太网、无线通信网络、甚至Internet。网络控制系统NCS与传统的分层递阶控制系统相比,最大的特点是将闭环控制分布在串行总线上,将中央控制单元直接接收检测信号和发送控制信号的点到点多路并行信号传输方式,转变为通过总线实现数据交互的串行通信方式[6]。网络控制系统体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的方向发展,大范围地延长了控制的距离。网络控制系统在时域上具有以下的一些特点[7]:(1时限。网络控制系统中执行的任务一般具有时限要求,规定在特定时间内完成特定的功能而不能超过这个时间。(2实时控制。网络控制系统经常包括实时控制,接收输入数据并做出控制决策。(3“反应”系统。很多网络控制系统都是“反应”的系统,也就是说,由事件驱动并对外界事件作出响应。(4并发处理。绝大多数网络控制系统并发处理事件,因为在一般情况下,事件发生的顺序是不可预测的。(5与外部环境交互。网络控制系统通常需要从外部环境接收数据并提供输出以控制外部环境。网络控制系统除了具有时域上的一些特点外,还具有其它独有的特性,主要有以下几个方面[8]:(1定常性的丧失:数据到达的时刻不再是定常和有规则的,更不能再用简单的采样时间来刻画;(2完整性的丧失:由于数据在传输中可能发生丢失和出错,数据不再是完整的,虽然数字控制中也可能有类似的问题,但发生的可能性却处于不同的量级;(3因果性的丧失:由于网络传输时间的不确定,先产生的数据可能迟于后产生的数据到达远程控制系统。因此,数据到达的次序不再遵守因果关系;(4确定性的丧失:由于数据到达的随机性,整个控制过程已不再是一个确定性的系统,而是一个随机系统。由于资源的需求,使得控制系统向网络化和分布化的方向发展,典型的网络化控制系统如图1.2所示。图1.2网络化控制系统结构Fig.1.2SystemStructureofNetworkControl在图1.2中,控制器一般采用事件驱动的工作方式(即:信息的到达时间即为节点的工作时间,因此当有来自传感器端的事件到达时,控制器开始工作。控制器的主要作用是处理参考输入和传感器端发送的信息,并将处理后的结果通过网络发送给执行器。它的工作步骤为:首先从网络得到传感器端的输出,将它与参考输入信息相比较,得到它们的误差值。采用控制器端设计的系统控制策略,利用该值计算出控制量,并通过网络将其发送给执行器。传感器一般采用时间驱动的工作方式,它的主要作用是检测受控对象的输出量,再经过一定的规则或计算,转换成系统需求的信息。它的工作步骤为:对受控对象进行周期采样,当系统开始工作后,每当到达系统的采样时间点,传感器就执行一次采样,然后对每一个受控对象的输出进行处理,并将处理后的受控对象的输出通过网络发送给控制器。根据受控对象、控制器和执行器的不同以及整个系统应用环境的差异,可以设计不同的传感器。执行器一般采用事件驱动的工作方式(即:信息的到达时间即为节点的工作时间,因此当来自控制器端的信息到达时,执行器开始工作。执行器的主要作用是通过网络接收来自控制器端的控制量,经过处理后,对受控对象产生一个输入,使其执行某些操作。网络的主要作用是为网络控制系统提供信息传递的通道,比如由传感器端发送的信息经过网络后到达控制器端,或者,控制器端发送的信息经过网络后到达执行器端。网络并不对信息的内容作处理,只是由于网络传输的不稳定性(比如丢包、时延等,可能会使信息延迟到达下一个节点,或者无法到达下一个节点。网络控制系统具有彻底的分布式控制结构,传感器、控制器和执行器之间通过网络介质传递信息。这种结构在安装成本、维护、灵活性方面弥补了传统控制系统的不足。因此,网络控制系统具有如下的优点:(1系统布局更加方便。随着网络的引入,尤其是Internet的引入,不管在任何地方,只要可以连到网络,就能方便的进行系统的配置,不用再像现场总线一样要求所有的设备都在一定的范围之内;(2减少了系统连线。网络控制系统在控制层引入通信网络,每个节点可以通过共享网络来传输数据,相对于点对点连线方式,大大简化了布线,节省了布线成本,提高了可靠性,并降低了由此带来的维护成本;(3系统信息集成和设备诊断方便。网络的扁平化,控制层网络与管理层网络的无缝连接,使得管理系统很容易获得控制系统的运行状况和设备的状态信息,以及其它各种信息,可以方便地在线故障检测与诊断;(4设备即插即用。由于网络控制系统是计算机技术和控制技术交叉发展的结果,因此只需要通过简单的软硬件配置,就可以很方便地从系统中删除或者增加新的节点,具有非常大的灵活性;(5设备可互换性。由于网络控制系统的开放性,各个节点只要符合标准的网络协议和满足功能需求就可以互相调换,而不用像现场总线协议那样,按照不同的厂家或者公司来设计。各个节点不需要通过转换设备来使得设备之间互相通信。虽然网络控制系统具有多重优点,使其应用越来越广泛,但它自身的缺点也是明显的。第一,由于连接到网络的很多设备都要发送信息,但通讯介质是分时复用的,信息只有等到网络空闲或设备的优先级相对较高时才能发送出去,这样就不可避免地引入了延时[9]。根据网络类型的不同,这个延时可能是恒定的或时变的,但无论哪种情况都会使系统的性能降低甚至导致系统不稳定。第二,由于通讯网络是一个不可靠的数据传输通道,数据包可能在传输中丢失。丢包现象也是造成网络控制系统性能降低的因素之一。第三,由于网络带宽和数据包大小的限制,一个相对大的数据包可能会被分为若干相对较小的数据包分别传输,而各个较小的数据包同时也面临着传输延时和丢包问题。网络信息的多包传输问题将导致网络控制系统的分析与控制更加困难。1.3网络控制系统的基本问题网络控制系统正成为国际控制届的一个研究热点。虽然关于网络控制系统的研究已经取得了诸多成果,但关于网络控制系统还没有一套成熟的理论与方法。网络控制系统中的很多基本问题还有待于人们进一步研究。网络控制系统在通过共享网络资源给控制系统带来的各种优点的同时,也给系统和控制理论带来了新的机遇和挑战。例如公用数据网络中除传送闭环控制系统的控制信息之外,还需要传送许多与控制任务无关的其它数据,资源竞争和网络拥塞等现象不可避免地会造成数据传输的时延以及数据包丢失等问题,且采用不同的网络协议会使时延具有不同的性质。由于网络控制系统本身所具有的网络诱导时延、数据包的时序错乱以及数据包丢失等特点,使得传统的控制理论在网络控制系统中无法使用,要研究网络控制系统就必须发展与网络控制系统相适应的控制理论与方法,而要发展与网络控制系统相适应的控制理论与方法就必须研究中网络控制系统的一些基本问题。网络控制系统涵盖了两方面的内容:系统节点分布化和控制回路网络化。目前网络控制系统主要的问题有诱导时延、数据包丢失、时序错乱、网络调度、通讯约束、时钟同步等[10,11]。(1网络诱导时延网络控制系统中由于在反馈回路中引入通信网络,信息的传送要分时的占用网络通信线路,网络的承载能力和通信带宽有限,必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生,采样、量化、编码与解码、等待、传递的时间使得控制系统的信息在传输时产生时延,称为网络诱导时延。网络诱导时延会降低系统的性能甚至引起系统的不稳定,它的存在使得系统的分析变得非常复杂,虽然时延系统的分析和建模近年来取得了很大的进展,但由于网络控制系统中存在多种不同性质的时延(常数、有界、随机时变等,使得现有的方法一般不能直接应用。(2数据包丢失网络的拥塞、连接中断、传输错误和节点竞争发送权失败等都有可能导致数据包丢失。虽然大多数的网络都具有重新传输的机制,但是某节点的数据包在规定的重发时间内仍然没有发送成功,则该数据包就被丢弃。一般来说,反馈控制的对象只能允许一定比例的数据包丢失,对一个在没有数据包丢失时稳定的系统,当数据包丢失率达到某一定值时,系统将变得不稳定。(3时序错乱系统节点发送的数据包可能会经过不同的网络路径到达目标节点,数据包在中继环节的队列中等待的时间往往也不相同,因而造成数据包的时序错乱。数据包的错序又可分为两种情况:单包传输情况下,每一包数据便是一完整的数据,此时的数据包错乱是指原来有一定先后次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时,其到达时序与原来的时序不同,即后发的数据先到;多包传输情况下,一个数据被分成多个数据包进行传输,当这些数据包从源节点到达目的节点时,其到达的时序与原来的时序不同,即同时刻数据的不同数据包的到达时间也会错乱。(4网络调度在NCS中,控制环的性能不仅依赖于控制算法,而且也依赖于对共享的网络资源的调度。网络调度是指确定系统各节点发送数据的次序、发送时刻和时间间隔等。这里所说的网络调度发生在网络用户层,调度算法所关心的是被控对象传输数据的快慢和被传输的数据具有的优先权。发生在用户层的调度控制也可以调度控制环的采样周期和采样时刻,以尽量避免网络中冲撞现象的发生,从而最大限度地减少数据的传输时延。网络调度分为静态调度和动态调度。静态调度是指在系统运行前就规定了传输顺序和时隙分配,其传输间隔是恒定的。动态调度是指在系统运行时动态决定数据发送顺序和时隙分配,其传输间隔是时变的。在网络资源有限的条件下,动态调度比静态调度更能有效的利用网络。(5通讯约束在NCS中,由于网络带宽以及系统节点数目的限制,通讯速率是有界的。通讯约束问题可以分为位速率约束和信息率约束。位数率约束问题存在于拥有有限字长、受噪声干扰的网络中。信息速率约束问题是从信息传送的级别来考虑通讯约束问题的。(6时钟同步在NCS中,当控制器和执行器有一个为时钟驱动时,便存在一个时钟同步问题。时钟同步又可分为硬件同步和软件同步。在NCS中,由于系统的节点有可能分布在一个较大的物理空间,用硬件同步一般比较困难,多采用软件同步的方式,一般是通过在网络上定时广播同步时钟的方式实现。1.4网络控制系统的研究现状随着控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗透,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愈发提高。这给自动化技术的发展带来了新的机遇和挑战。目前,远程操作、远程教学和实验、无线网络机器人、某些兵器系统以及新兴的现场总线和工业以太网(Ethernet技术等,本质上都可归结为基于网络的控制系统,或者称为网络控制系统,即是利用专用或公用数据通信网络代替传统的点对点连接构成的闭环控制系统。网络控制系统打破了传统控制系统在空间物理位置上的限制,拓宽了控制活动的场所,降低了系统的连接复杂性、降低了运行成本和维护费用,便于实现管控一体化,提高了信息集成度。网络环境下的新型管理信息系统及控制系统不仅可以应用于复杂的工业控制领域,而且在兵器系统、机器人工业、航空及航天领域也极具潜力[12,13]。因此,对网络控制系统的研究得到了国内外研究工作者的极大关注。在国内控制界,网络环境下的控制概念在近年来被接受,网络化控制系统的发展正呈方兴未艾之势,其应用范围之广,影响层面之深已经引起越来越多的关注和重视,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。所以网络控制系统的研究具有积极和重要的意义。网络控制系统具有若干优点,但是也使网络控制系统的分析与设计更加复杂和困难。网络控制系统的复杂性是由网络自身特点造成的,主要在于:(1网络环境下多用户共享通信线路且流量变化不规则;(2传输数据流经众多计算机和通信设备且路径不唯一;(3数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致时序错乱、数据包丢失。因此,网络中传输的信息是处在动态不确定时变环境中。网络作为闭环反馈控制的一部分和被控对象组成闭环系统是一个变时延的不确定的复杂系统,这对基于网络的控制提出了严峻的挑战。另外,计算机网络是以数据包的形式传输和交换信息的,与传统控制系统的基本假设(例如信息传输的同步、无时延等不相符,因此必须重新审视传统控制系统的研究方法,充分考虑网络传输信息的特点,对网络控制系统的建模、系统分析以及设计进行深入的研究,这对于网络控制系统的理论研究和实际应用具有深远的意义。20世纪90年代,人们开始研究网络控制系统。网络控制系统的研究涉及控制和通信网络两个方面,对同一个NCS问题,可以从信息调度的角度来研究,也可以从控制的角度来研究,或者将这两个方面综合起来进行研究。在通信方面的主要研究是设计更好的网络协议,以减少网络时延、数据包丢失等负面事件发生的可能性,提高网络控制系统的性能。在控制方面的主要研究是针对网络控制系统建立合理的数学模型,在此基础上研究网络控制系统的控制器的设计。由于网络化控制系统强大的工业背景,近几年来,该问题引起了许多研究者的兴趣。IEEE、IFAC和Automatia等刊物相继出版了网络控制系统研究方面的专刊。国内的《控制与决策》、《自动化学报》等期刊和重要的学术会议也有大量的网络控制方面的研究报告。国内关于网络控制系统方面的专著也很多,如《网络控制技术》、《网络控制系统的分析与综合》等。到目前为止,网络控制系统的研究已经取得了一系列的研究成果。对网络控制系统的研究包含了很多方面,如网络时延的补偿、数据包丢失的稳定性控制、网络调度策略的优化等。但绝大多数的研究都是关于网络的信息时延问题。控制系统中网络化结构越来越复杂,网络因素对系统的影响也越来越明显,尤其是网络时延。网络控制系统中的数据都要通过网络进行传输和交换,由于网络的承载能力以及通信带宽等因素的限制,使得数据在传输过程中不可避免的产生网络时延:传感器到控制器的传输时延sckτ,控制器到执行器的传输时延cakτ(k表示第k个采样周期。此外还有控制器的计算时延ckτ,相对而言ckτ要小的多,往往放到cakτ中一并考虑。网络时延的产生会降低控制系统的性能,在极端的情况下,甚至会导致控制系统的不稳定,因此在控制回路中必须考虑网络时延对系统性能影响的问题。NCS中的时延分布[14]如图1.3所示。图1.3网络时延分布图Fig.1.3DistributionMapofNetworkTime-Delay网络控制系统的时延主要由传感器到控制器时延sckτ、控制器的计算时延ckτ、控制器到执行器时延cakτ三个部分组成[15]:(1传感器到控制器时延sckτ(k表示第k个采样周期这部分时延是由于传感器和控制器之间传输测量信号产生的。k时刻传感器到控制器时延为sccssskkkttτ=−,其中cskt是开始计算控制信号的瞬时,sskt是传感器开始测量输出的瞬时。(2控制器的计算时延ckτ这部分时延是由控制器计算接收到的测量值,产生控制信号引起的。k时刻控制器计算时延ccfcskkkttτ=−,其中cfkt是控制器完成控制信号计算的瞬时,cskt是指控制器开始计算控制信号的瞬时。(3控制器到执行器时延cakτ这部分时延是由控制器发送控制信号给执行器时产生的。k时刻控制器到执行器时延caascfkkkttτ=−,其中askt是执行器接收控制信号开始执行的瞬时,cfkt是控制器完成对控制信号的计算的瞬时。网络控制系统k时刻的时延kτ由上述三部分组成:scccakkkkττττ=++。由于控制器计算时延ckτ相对而言,要小的多,可以放到cakτ中一并考虑,所以sccakkkτττ=+。根据所采用的网络协议和设备的不同,网络时延可能是确定的、有界的或随机的,它们在不同程度上降低了系统的控制性能,甚至造成系统的不稳定。目前,解决网络时延问题有两种方法:一是从网络的角度出发,设计一种通信协议或调度算法,以减小网络时延对控制系统的影响;另一个是从控制的角度出发,在现有的网络结构和协议的基础上,设计控制系统的结构、控制算法等,来补偿或减少网络时延对控制系统的不良影响。当然有时候仅仅从网络的角度或者仅仅从控制的角度出发可能还不能很好地解决时延问题,而是需要将两者结合起来考虑,以取得更好的效果。但目前的研究还主要集中在控制方面。(1控制算法的研究Luck和Ray通过在控制器节点和执行器节点引入缓冲区把随机变量sckτ和cakτ转换成了常值,从而把一个时变系统变成了一个定常系统,其原理如图1.4所示。图1.4带有缓存的网络控制系统Fig.1.4NCSwithbuffers若将缓冲区的容量做得比最长时延还要大,那么过程状态就可以用式(1.1描述。11kkkxAxBu+−Δ=+kkyCx=(1.1其中1Δ表示执行器节点的缓存长度,如果假设控制器节点的缓存长度是2Δ,则控制器所使用的过程输出在k时刻的值为2kkyω−Δ=。该系统的设计问题就转变成一个标准采样数据控制问题。计算ku所用到的信息为{}1,,kkkWωω−=L。Luck和Ray在此基础上提出了一种最优控制器(kkuWξ=。这种方法的优点是它解决了控制周期大于一个采样周期时所产生的时延问题,但是其不足之处是人为地扩大了网络时延,降低了系统固有的控制性能。Ray和Liou接着研究了由时间驱动的传感器、控制器和事件驱动的执行器组成的系统[16,17]。传感器和控制器开始工作的时间相差sΔ,在控制器开始计算控制信号时新的测量值已经到达的概率,即(scksPτ<Δ,假设是已知的。如果scksτ>Δ控制器就会在新的测量值还没有到达时计算控制信号。在文[18]中,LQ控制器和一个随机状态观测器一起使用,系统的工作过程和上面提到的一样,状态观测器的设计原则是使预测状态的方差最小。Chan用队列和一个概率预报器来进行时延补偿[19]。他所用到的概率预报器实际是两个均方意义上的最佳预报器的线性组合。线性组合的权矩阵根据已知的时延数据出现的概率计算得到。在这种方法中,使用了时间驱动的传感器、控制器,事件驱动的执行器和离散时间的对象模型。该方法提高了预报的性能,但是队列仍然引入了额外的时延。朱其新等完善了时延NCS的数学模型,利用随机控制方法设计了时延NCS在状态反馈下的随机最优控制器。但这种方法的前提是已知时延的分布规律。罗力恒等针对网络时延的随机时变特性,将模糊逻辑补偿算法引入传统的PI控制器的设计,以消除闭环NCS中由时延引起的控制性能下降,系统失稳等不利影响[20,21,22]。模糊调制器可充分利用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,有效削弱控制系统中由不确定性时延造成的振荡,从而改善远程NCS的动静态性能。(2网络优化调度研究当网络中存在多个控制回路时,网络资源的优化调度就显得尤为重要。Liu和Layland[23]以及Audsley[24]提出了一些实时计算机系统的动态调度算法,但这些算法不能直接应用于网络化控制系统当中。Walsh提出了被称为TOD(Try-once-discard的动态调度算法,TOD调度算法采取的策略是:具有最大加权误差的节点先传输信息。当两个传感器节点同时发送信息时,优先级高的节点获得网络访问权,而竞争失败的节点则取消发送,下次传输时采用更新的传感数据[25,26]。此外,Hong还针对令牌环网提出了一种最优采样时间调度算法[27]。(3NCS的稳定性研究NCS的稳定性研究工作是从寻找能够使系统保持稳定的最大允许传输时间间隔出发的。Walsh研究了控制闭环只在传感器和控制器之间用网络相连接的情况,以Lyapunov第二方法为基础,将系统输出量的误差(et看作是一个收敛于零的扰动,则可得到多包传输的NCS在静态和动态(TOD调度下的稳定性判据[28]。Zhang还将所研究的连续被控对象过程和离散的控制器看作是一个混杂系统(HybridSystem,利用混杂系统稳定性分析技术[29,30],把固定时延下NCS的稳定性判定问题转化成判定特征矩阵是否是Schur阵的问题。对于多包传输和有数据包丢失的NCS系统,可将它们看作一个异步动态系统来建模,利用上述方法可以研究在不同的数据包丢失率下系统的稳定性问题,以及确定系统稳定所能接受的最大数据包丢失率[31]。Xie给出了一个网络控制系统中最大允许时延的确定方法,但是这种方法得出的结果对于随机时延情况下是否适用,文中并没有进行进一步的论证[32]。1.5本文的主要工作网络控制系统将网络作为被控对象和控制器之间的信号传输媒介,形成闭环控制回路,大范围的延长了控制的距离。但网络的引入将给系统带来延迟,同时系统的模型会具有不确定性因素,增加了控制器设计的复杂性。本文主要研究具有时延的网络控制系统的补偿控制、稳定性分析及控制器的设计。本文内容安排如下:全文分为五章,第一章绪论,简要的介绍了网络控制系统的发展现状和网络控制系统中的基本问题;并对具有时延的网络化控制系统的研究现状作了说明。第二章分析了网络控制系统时延产生的原因及时延特性。然后介绍了