网络控制系统性能分析及仿真研究

i摘 要随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 控 制 系 统 与 网 络 通 信 系 统 的 集 成 成 为 控 制 网 络 技 术 研究 的 热 点 ， 为 此 提 出 了 网 络 控 制 系 统 （ NCS） 。 本 文 介 绍 了 网 络 控 制 系 统 的 工 业 背景 和 研 究 现 状 ， 重 点 介 绍 了 网 络 时 延 问 题 的 研 究 进 展 。 分 析 了 网 络 控 制 系 统 的 时 延产 生 原 因 及 特 性 ， 根 据 采 样 时 间 的 不 同 和 驱 动 方 式 的 不 同 进 行 了 建 模 分 析 。 根 据 不同 的 模 型 分 析 了 固 定 时 延 、 随 机 时 延 的 补 偿 控 制 器 设 计 。 本 文 重 点 介 绍 了 针 对 不 确定 时 延 采 用 Fuzzy-PID控 制 器 的 设 计 和 仿 真 研 究 。 在 最 后 ， 介 绍 了 一 种 Matlab环 境下 的 实 时 控 制 系 统 仿 真 工 具 箱 Truetime， 给 出 了 具 有 时 延 特 征 的 网 络 控 制 系 统 的 控制 仿 真 结 果 。关键词：网络控制系统，网络时延，时延补偿，Fuzzy-PID 控制器ABSTRACTWith the development of computer technology, some considerable attentions have been directed to the integrated control systems and network communication control system. So Network Control System（ NCS） is proposed. In this thesis ，the paper introduces the engineering background and research achievements, and focuses on the progress of network delay. The causes and the characteristic of network-induced delay are analyzed. According to the different of sampling time and drive way, model is built and analyzed. Depending on the different models, the controller with the compensation about the fixed time delay and random delay controller are designed. This paper focuses on using Fuzzy - PID controller against uncertainty delay to design and simulation testing. In conclusion，Simulink toolbox，named by Truetime， based on Matlab has been introduced in this paper. And the characteristics of the NCS simulation results are given.KEY WORDS： Networked control systems, Network-induced delay, Delay compensation, Fuzzy-PID controller1目 录第 一 章 绪 论 .11.1 网 络 控 制 系 统 的 发 展 与 基 本 概 念 .11.1.1 计 算 机 控 制 系 统 的 发 展 .11.1.2 网 络 控 制 系 统 的 描 述 .31.2 网 络 控 制 系 统 时 延 研 究 现 状 .41.2.1 NCS 的 数 学 模 型 的 建 立 .41.2.2 NCS 控 制 器 设 计 方 法 .51.3 本 文 研 究 的 出 发 点 与 主 要 工 作 .71.3.1 目 的 和 意 义 .71.3.2 研 究 内 容 .8第 二 章 具 有 网 络 诱 导 时 延 的 NCS 分 析 .92.1 引 言 .92.2 网 络 控 制 系 统 的 采 样 技 术 .102.2.1 同 步 采 样 和 非 同 步 采 样 .102.2.2 时 间 驱 动 方 式 和 事 件 驱 动 方 式 .112.2.3 多 速 率 采 样 .122.3 控 制 网 络 与 网 络 控 制 系 统 的 时 延 分 析 .122.3.1 控 制 网 络 .132.3.2 网 络 控 制 系 统 的 时 延 分 析 .162.4 小 结 .18第 三 章 具 有 网 络 诱 导 时 延 的 NCS 建 模 与 控 制 .193.1 引 言 .193.2 具 有 网 络 诱 导 时 延 的 NCS 的 数 学 建 模 .193.3 具 有 固 定 时 延 的 NCS 的 控 制 器 设 计 .213.4 具 有 随 机 时 延 的 NCS 的 控 制 器 设 计 .223.4.1 基 于 时 延 统 计 规 律 的 随 机 控 制 器 设 计 .233.4.2 基 于 时 变 、 有 界 时 延 的 随 机 时 延 的 补 偿 .243.5 小 结 .26第 四 章 Fuzzy-PID 网 络 控 制 器 设 计 .274.1 引 言 .274.2 模 糊 控 制 理 论 基 础 .274.2.1 模 糊 控 制 系 统 的 组 成 .274.2.2 模 糊 控 制 器 原 理 .284.2.3 模 糊 控 制 器 的 输 入 输 出 变 量 .3024.2.4 模 糊 控 制 器 设 计 的 基 本 方 法 .314.3 带 PID 的 网 络 化 控 制 系 统 .314.4 模 糊 补 偿 PID 控 制 器 设 计 .324.5 fuzzy-PID 复 合 控 制 器 设 计 .334.6 小 结 .34第 五 章 基 于 matlab/simulink 的 NCS 仿 真 环 境 研 究 .355.1 引 言 .355.2 Truetime 工 具 箱 结 构 与 功 能 .355.2.1 计 算 机 模 块 .365.2.2 网 络 模 块 .365.3 初 始 化 .375.4 网 络 控 制 系 统 仿 真 研 究 .385.5 仿 真 说 明 .395.5.1 PID 控 制 器 设 计 仿 真 .405.5.2 Fuzzy-PID 控 制 系 统 设 计 仿 真 .425.6 小 结 .44第 六 章 总 结 与 展 望 .456.1 总 结 .456.2 研 究 展 望 .45参 考 文 献 .46致 谢 .492015 毕业论文专题百手起驾 整理为您第 一 章 绪 论1.1 网 络 控 制 系 统 的 发 展 与 基 本 概 念随 着 控 制 、 计 算 机 、 通 信 网 络 等 技 术 的 发 展 ， 信 息 交 换 的 领 域 正 在 迅 速 覆 盖 从工 厂 的 现 场 设 备 层 到 控 制 、 管 理 的 各 个 层 次 ， 覆 盖 从 工 段 、 车 间 、 工 厂 、 企 业 乃 至世 界 各 地 的 市 场 ， 因 此 迫 切 要 求 工 业 自 动 化 水 平 也 提 高 到 了 一 个 崭 新 的 高 度 。 从 历史 上 看 ， 传 统 控 制 系 统 的 通 讯 方 式 是 点 对 点 的 ， 包 括 早 期 的 DCS， 目 前 这 种 方 式 已经 越 来 越 不 能 适 应 某 些 新 的 需 求 ， 比 如 模 块 化 、 集 散 分 布 、 综 合 诊 断 、 快 捷 方 便 的维 护 及 低 成 本 化 等 。 从 整 体 上 看 ， 计 算 机 控 制 系 统 己 呈 现 出 向 网 络 化 、 集 成 化 、 节点 智 能 化 、 分 布 化 的 发 展 趋 势 。 现 场 总 线 控 制 系 统 和 工 业 以 太 网 ， 顺 应 了 这 一 趋 势 ，是 完 全 网 络 化 、 分 布 化 的 控 制 系 统 。1.1.1 计 算 机 控 制 系 统 的 发 展计 算 机 控 制 系 统 发 展 至 今 先 后 主 要 经 历 了 以 下 几 个 阶 段 ： 传 统 的 集 中 式 控 制 系统 、 集 散 控 制 系 统 （ DCS） 、 现 场 总 线 控 制 系 统 （ FCS） 、 以 及 基 于 以 太 网 的 控 制 系统 的 广 泛 研 究 。传 统 的 集 中 式 控 制 系 统 一 般 采 用 一 个 中 央 控 制 单 元 （ CPU） 完 成 控 制 计 算 、 信息 处 理 等 所 有 工 作 ， 控 制 器 和 对 象 之 间 的 连 接 采 用 的 是 点 对 点 的 连 接 方 式 ， 其 典 型结 构 如 图 1-1。计 算 机传 感 器 1 传 感 器 N 执 行 器 1 执 行 器 N被 控 对 象图 1-1 集中式控制系统示意图随 着 现 场 采 集 信 息 量 的 增 加 ， 集 中 式 控 制 对 中 央 控 制 单 元 的 硬 件 性 能 要 求 越 来越 高 ， 软 件 编 程 也 越 来 越 复 杂 。 因 此 ， 产 生 了 集 散 式 控 制 系 统 （ Distributed Control System， DCS） 来 代 替 集 中 式 控 制 系 统 ， 如 图 1-2 所 示 。分类号： 学校代码：10079 密级：1百手起驾 整理为您监 控计 算 机 计 算 机传 感 器 1 传 感 器 N 执 行 器 N执 行 器 1被 控 对 象图 1-2 DCS 示意图DCS， 又 称 分 布 或 分 散 控 制 系 统 ， 它 以 微 处 理 机 为 核 心 ， 实 现 地 理 上 和 功 能 上的 控 制 ， 同 时 通 过 高 速 数 据 通 道 把 各 个 分 散 点 的 信 息 集 中 起 来 ， 进 行 集 中 的 监 视 和操 作 ， 并 实 现 复 杂 的 控 制 和 优 化 。 DCS 的 设 计 原 则 是 分 散 控 制 ， 集 中 操 作 ， 分 级 管理 ， 分 而 自 治 和 综 合 协 调 。 对 各 个 现 场 设 备 的 任 务 由 现 场 级 的 控 制 单 元 （ PLC， 单片 机 等 ） 完 成 ， 总 体 的 控 制 任 务 和 操 作 监 视 等 其 他 任 务 由 中 央 控 制 单 元 完 成 ， 从 而实 现 了 控 制 功 能 和 管 理 信 息 的 分 离 。 虽 然 提 高 了 系 统 的 可 靠 性 和 灵 活 性 ， 但 集 散 控制 系 统 和 集 中 式 控 制 系 统 都 有 一 些 共 同 的 缺 点 ， 就 是 随 着 现 场 设 备 的 增 加 ， 系 统 复杂 ， 成 本 大 大 提 高 ， 以 及 系 统 的 抗 干 扰 性 、 灵 活 性 不 够 、 扩 展 不 方 便 等 1。 为 了 从根 本 上 解 决 这 些 问 题 ， 新 型 的 分 布 式 控 制 系 统 现 场 总 线 控 制 系 统 （ Fieldbus Control Systems， FCS） 应 运 而 生 ， 如 图 1-3 所 示 。计 算 机 计 算 机传 感 器 1 执 行 器 1 传 感 器 N 执 行 器 N被 控 对 象图 1-3 FCS 示意图目 前 现 场 总 线 的 主 要 种 类 有 ： 基 金 会 现 场 总 线FF； ProfiBus； WorldFIP； ControlNet/DeviveNet； CAN。与 传 统 的 DCS 相 比 ， FCS 具 有 如 下 一 些 技 术 特 点 2：（ 1） FCS 是 现 场 通 信 网 络 ： 把 通 信 线 路 一 直 延 伸 到 生 产 现 场 中 的 生 产 设 备 ， 构成 用 于 过 程 自 动 化 和 制 造 自 动 化 的 现 场 设 备 或 仪 表 互 联 的 现 场 通 信 网 络 。 实 现 了 全分类号： 学校代码：10079 密级：2百手起驾 整理为您数 字 化 传 输 ， 极 大 地 提 高 了 信 号 转 换 的 精 度 和 可 靠 性 ， 有 效 地 避 免 了 模 拟 信 号 在 传输 过 程 中 存 在 的 信 号 衰 减 、 精 度 下 降 和 信 号 干 扰 等 问 题 。（ 2） FCS 能 进 行 现 场 设 备 互 连 ： 传 感 器 、 变 送 器 、 执 行 器 的 等 设 备 在 现 场 总 线系 统 中 已 成 为 由 微 处 理 机 为 控 制 核 心 的 智 能 设 备 ， 可 以 通 过 一 对 双 绞 线 、 同 轴 电 缆 、光 纤 、 或 电 源 线 互 连 ， 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力 。（ 3） FCS 具 有 良 好 的 互 操 作 性 ： 实 现 “即 插 即 用 ”， 并 且 用 户 可 以 对 不 同 品 牌的 现 场 设 备 进 行 统 一 组 态 ， 构 成 所 需 要 的 控 制 回 路 。（ 4） FCS 具 有 分 散 的 功 能 块 ， 便 于 用 户 组 态 ： 将 功 能 块 分 散 到 多 台 现 场 仪 表 中并 进 行 统 一 组 态 ， 有 助 于 用 户 根 据 需 要 灵 活 的 选 用 各 功 能 块 ， 构 成 需 要 的 控 制 回 路 ，实 现 彻 底 的 分 散 控 制 。（ 5） FCS 具 有 开 放 式 互 联 网 络 ， 可 以 与 同 类 型 的 网 络 互 联 ： 既 可 以 与 同 层 网 络互 联 又 可 以 与 不 同 层 网 络 互 联 ， 既 可 以 实 现 企 业 内 部 的 网 络 互 联 又 可 以 与 企 业 外 部的 网 络 互 联 。（ 6） FCS 对 现 场 环 境 的 适 应 性 强 。由 上 可 见 ， 控 制 系 统 随 着 计 算 机 的 应 用 发 展 ， 现 场 设 备 的 智 能 化 、 数 字 化 发 展 ，也 在 不 断 的 提 高 自 身 对 现 场 的 适 应 力 和 可 靠 性 ， 使 得 控 制 系 统 更 加 网 络 化 、 集 成 化 、分 布 化 。1.1.2 网 络 控 制 系 统 的 描 述随 着 控 制 系 统 规 模 的 日 益 扩 大 ， 越 来 越 多 的 控 制 系 统 采 用 分 布 式 控 制 的 方 式 。分 布 式 控 制 的 形 式 多 种 多 样 ， 很 多 复 杂 的 控 制 系 统 例 如 制 造 业 设 备 、 运 输 工 具 、 机器 人 等 采 用 串 行 通 讯 网 络 作 为 监 控 计 算 机 、 控 制 器 、 现 场 传 感 器 及 执 行 器 间 信 息 和控 制 信 号 的 交 换 通 道 ， 这 种 通 过 串 行 通 信 网 络 实 现 闭 环 控 制 回 路 的 控 制 系 统 被 称 为网 络 控 制 系 统 (Networked Control Systems， NCS)， 有 的 文 献 用 综 合 通 讯 和 控 制 系 统 (Integrated Communication and ControlSystems， ICCS)或 者 基 于 网 络 的 控 制 系 统 (Network-based Control Systems)来 称 呼 具 有 这 种 结 构 的 控 制 系 统 3。“Network Control Systems”最 早 于 1998 年 出 现 在 马 里 兰 大 学 G.C.Walsh 的 论著 中 ， 但 未 给 出 明 确 的 定 义 。 只 是 用 图 示 说 明 了 网 络 控 制 系 统 的 结 构 ， 指 出 在 该 系统 中 控 制 器 与 传 感 器 通 过 串 行 通 信 形 成 闭 环 。 而 同 济 大 学 的 于 之 训 等 用 了 “网 络 控制 系 统 ”； 重 庆 大 学 的 张 结 斌 等 用 了 “分 布 式 控 制 网 络 系 统 ”这 样 的 术 语 。清 华 大 学 的 顾 洪 军 给 出 了 明 确 的 定 义 4： 网 络 控 制 系 统 （ NCS， Network Control Systems） ， 又 称 网 络 化 的 控 制 系 统 ， 即 在 网 络 环 境 下 实 现 的 控 制 系 统 。 是 指在 各 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 。 其 本 质分类号： 学校代码：10079 密级：3百手起驾 整理为您是 信 息 （ 参 考 输 入 、 对 象 输 出 和 控 制 输 入 等 ） 在 控 制 系 统 各 部 件 间 （ 传 感 器 、 控 制器 和 执 行 器 等 ） 通 过 网 络 进 行 交 换 。 NCS 典 型 的 系 统 结 构 图 如 图 1-4 所 示 。控 制 器控 制 器传 感 器 执 行 器 传 感 器 执 行 器被 控 对 象 被 控 对 象 其 他 过 程通 信 网 络图 1-4 NCS 示意图NCS 中 的 网 络 是 一 个 广 义 的 范 畴 ， 包 含 了 FCS、 工 业 以 太 网 、 无 线 通 信 网 络 、甚 至 Internet， 这 也 是 与 网 络 技 术 的 发 展 相 适 应 的 。 视 其 回 路 中 所 嵌 入 的 网 络 结 构 的不 同 可 以 将 其 分 为 广 义 网 络 控 制 系 统 和 狭 义 网 络 控 制 系 统 。 一 般 认 为 通 过 FCS 和工 业 以 太 网 组 成 的 网 络 控 制 系 统 是 狭 义 的 网 络 控 制 系 统 ， 而 由 通 过 计 算 机 网 络 比 如计 算 机 广 域 网 、 Internet 等 网 络 组 成 的 控 制 系 统 则 被 视 为 广 义 的 网 络 控 制 系 统 。 本文 主 要 针 对 狭 义 的 网 络 控 制 系 统 进 行 研 究 和 分 析 。1.2 网 络 控 制 系 统 时 延 研 究 现 状工 业 控 制 网 络 不 同 于 一 般 的 计 算 机 通 信 网 络 ， 它 传 递 信 息 是 以 引 起 物 质 或 能 量的 运 动 为 最 终 目 的 ， 分 析 的 对 象 不 再 是 孤 立 的 控 制 过 程 ， 而 是 整 个 网 络 控 制 系 统 的稳 定 性 、 调 度 管 理 和 鲁 棒 性 问 题 等 。 其 通 信 网 络 特 别 强 调 实 时 性 、 可 靠 性 、 稳 定 性 5。实 时 性 向 来 是 控 制 系 统 面 临 的 重 要 问 题 ， 由 于 连 接 到 通 讯 介 质 上 的 每 个 设 备 都 是 一个 信 息 源 ， 而 通 讯 介 质 是 分 时 复 用 的 ， 待 发 送 信 息 只 有 等 到 网 络 空 闲 时 才 能 被 发 送出 去 ， 这 就 不 可 避 免 地 导 致 了 传 输 延 迟 的 发 生 。 而 闭 环 控 制 系 统 是 通 过 网 络 形 成 闭环 的 ， 相 应 地 就 把 延 迟 环 节 引 入 到 这 些 系 统 。 不 但 会 降 低 系 统 的 控 制 性 能 ， 而 且 还是 引 起 系 统 不 稳 定 的 一 个 潜 在 因 素 6。 因 此 ， 在 研 究 NCS 存 在 的 许 多 新 问 题 时 ， 如 ：网 络 诱 导 的 时 延 、 网 络 调 度 、 数 据 包 的 多 包 传 输 及 丢 失 等 ， 主 要 还 是 集 中 在 对 NCS的 时 延 补 偿 这 个 热 点 问 题 上 。1.2.1 NCS 的 数 学 模 型 的 建 立目 前 ， NCS的 建 模 是 NCS分 析 、 仿 真 和 设 计 的 基 础 ， 因 此 NCS的 建 模 问 题 在NCS的 研 究 中 具 有 重 要 意 义 虽 然 NCS的 概 念 早 已 被 提 出 并 取 得 了 一 系 列 成 果 ， 但其 建 模 问 题 依 然 没 有 很 好 地 解 决 。 以 下 为 几 种 有 条 件 的 模 型 建 立 ：分类号： 学校代码：10079 密级：4百手起驾 整理为您针 对 NCS的 建 模 问 题 ， Halevi和 Ray考 虑 了 传 感 器 -控 制 器 和 控 制 器 -执 行 器 单 时延 的 情 况 ， 而 且 在 传 感 器 和 控 制 器 的 采 样 时 刻 之 间 只 有 一 个 时 间 差 。 他 们 用 增 广 状态 把 过 去 的 延 迟 信 号 也 包 括 进 来 ， 导 出 一 个 闭 环 模 型 78。Lian FengLi推 导 出 一 个 离 散 的 多 输 入 多 输 出 NCS模 型 ， 在 该 模 型 中 ， 有 分 布 式通 信 延 迟 。 此 外 ， 为 了 得 到 传 感 器 和 控 制 器 之 间 真 实 的 时 间 延 迟 ， 还 表 征 了 分 布 式传 感 器 的 异 步 采 样 机 制 。 但 是 ， 在 该 模 型 中 ， 所 有 的 延 迟 都 是 定 界 在 一 个 采 样 周 期之 内 的 ， 而 且 并 没 有 考 虑 数 据 丢 失 的 情 况 9。朱 其 新 、 胡 寿 松 在 考 虑 系 统 噪 声 、 控 制 器 的 动 态 特 性 及 输 出 反 馈 的 情 况 下 建 立了 多 包 传 输 、 单 保 传 输 有 数 据 包 丢 失 、 多 包 传 输 有 数 据 包 丢 失 时 NCS的 离 散 随 机 模型 的 统 一 建 模 方 法 10。樊 卫 华 等 讨 论 了 同 时 存 在 传 输 延 时 和 数 据 包 丢 失 的 NCS建 模 问 题 ， 并 借 助 ADS的 一 些 结 论 ， 讨 论 了 NCS的 稳 定 性 ， 给 出 具 有 典 型 双 线 形 矩 阵 不 等 式 的 结 论 ， 但 是他 们 既 没 有 考 虑 控 制 器 -执 行 器 之 间 的 延 迟 ， 也 没 有 考 虑 不 同 的 节 点 的 分 布 式 异 步 多时 延 情 况 11。以 往 的 建 模 方 法 都 有 一 个 共 同 的 局 限 性 ， 即 基 本 上 都 针 对 网 络 时 延 不 超 过 一 个采 样 周 期 的 情 况 来 研 究 的 。 近 年 来 人 们 开 始 逐 步 涉 及 时 延 大 于 一 个 采 样 周 期 时 NCS的 建 模 并 取 得 一 定 的 成 果 。 从 目 前 研 究 情 况 看 ， 网 络 控 制 系 统 的 建 模 逐 渐 从 单 变 量到 多 变 量 ， 从 确 定 性 到 不 确 定 性 发 展 ， 但 是 这 只 是 一 个 开 端 。1.2.2 NCS 控 制 器 设 计 方 法现 阶 段 根 据 以 上 不 同 的 模 型 ， 分 析 和 设 计 网 络 控 制 器 逐 渐 由 单 变 量 到 多 变 量 、由 确 定 到 随 机 、 由 经 典 控 制 理 论 到 智 能 控 制 理 论 和 高 级 控 制 算 法 发 展 。 目 前 所 采 用的 网 络 控 制 系 统 的 控 制 器 设 计 方 法 主 要 有 ： 确 定 性 控 制 设 计 方 法 、 随 机 控 制 设 计 方法 、 智 能 控 制 方 法 、 鲁 棒 控 制 设 计 方 法 。1.2.2.1确 定 性 控 制 设 计 方 法应 用 确 定 性 设 计 方 法 应 首 先 将 随 机 时 变 延 迟 通 过 在 控 制 器 和 执 行 器 之 间 设 置 缓冲 区 转 化 为 固 定 延 迟 ， 然 后 针 对 转 化 后 的 固 定 延 迟 设 计 控 制 器 。Rogelio针 对 模 型 (时 间 驱 动 )提 出 了 基 于 观 测 器 的 分 布 延 迟 补 偿 器 12。 在 该 补 偿器 算 法 中 ， 首 先 在 控 制 器 和 执 行 器 接 收 端 设 置 接 收 缓 冲 区 ， 将 时 变 的 传 输 延 迟 转 化为 固 定 的 传 输 延 迟 。 其 优 点 是 可 用 已 有 的 确 定 性 系 统 设 计 和 分 析 方 法 对 闭 环 网 络 控制 系 统 进 行 设 计 和 分 析 ， 不 受 延 迟 特 性 变 化 的 影 响 ； 其 缺 点 是 将 所 有 延 迟 都 转 化 为最 大 延 迟 ， 人 为 地 将 传 输 延 迟 扩 大 化 ， 因 此 降 低 了 系 统 应 有 的 控 制 性 能 。 对 于 具 有随 机 传 输 延 迟 的 闭 环 控 制 系 统 ， 若 按 最 大 传 输 延 迟 来 设 计 控 制 器 ， 则 所 得 闭 环 控 制系 统 不 一 定 稳 定 。分类号： 学校代码：10079 密级：5百手起驾 整理为您熊 远 生 ， 俞 立 ， 徐 建 明 将 时 间 延 迟 的 不 确 定 性 通 过 引 入 一 个 信 息 接 收 缓 冲 区 来实 现 时 间 延 迟 的 确 定 化 的 基 础 上 ， 将 滑 模 变 结 构 控 制 和 预 估 控 制 的 方 法 引 入 控 制 器的 设 计 中 ， 得 出 的 结 果 的 时 间 延 迟 可 以 大 于 一 个 采 样 周 期 1314。1.2.2.2随 机 控 制 设 计 方 法应 用 随 机 控 制 的 方 法 关 键 在 于 对 网 络 延 时 的 合 理 建 模 和 估 计 ， 可 假 设 时 延 符 合某 种 统 计 规 律 并 且 是 相 互 独 立 的 ， 从 概 率 分 布 的 角 度 将 网 络 延 时 作 为 系 统 中 的 随 机变 量 或 随 机 过 程 ， 设 计 随 机 最 优 控 制 律 。Ray对 随 机 时 变 分 布 延 迟 下 的 输 出 反 馈 时 延 网 络 系 统 进 行 研 究 ， 基 于 最 小 方 差 滤波 器 和 动 态 规 划 原 理 ， 得 到 了 具 有 随 机 延 迟 补 偿 的 LQR控 制 器 (DCLQR)， 但 不 满 足确 定 性 等 价 原 理 15。于 之 训 对 控 制 器 是 事 件 驱 动 的 ， 在 第 k步 传 感 器 到 控 制 器 之 间 延 迟 未 知 的 情 况下 ， 基 于 动 态 规 划 和 最 优 控 制 理 论 ， 得 出 了 使 系 统 均 方 指 数 稳 定 的 控 制 律 16。 针对 控 制 网 络 中 的 随 机 传 输 延 迟 ， 提 出 控 制 器 节 点 采 用 事 件 驱 动 的 方 式 ， 同 时 在 传 感器 和 控 制 器 节 点 发 送 端 设 置 发 送 缓 冲 区 ， 以 确 保 信 息 按 产 生 的 时 间 先 后 依 次 到 达 接收 端 ， 采 用 这 种 控 制 模 式 ， 利 用 传 输 延 迟 的 Markov特 性 ， 得 到 了 具 有 多 步 随 机 传 输延 迟 的 网 络 控 制 系 统 的 数 学 模 型 。 并 得 到 了 满 足 给 定 二 次 型 性 能 指 标 的 最 优 控 制 律的 解 析 表 达 式 ， 成 功 地 解 决 了 原 来 事 件 驱 动 模 式 下 对 这 类 网 络 控 制 系 统 无 法 获 取 其解 析 随 机 控 制 律 的 难 题 17。Nillson假 设 时 延 的 概 率 分 布 已 知 ， 不 超 过 一 个 采 样 周 期 ， 传 感 器 采 用 事 件 驱 动 ，控 制 器 和 执 行 器 采 用 事 件 驱 动 。 并 利 用 Markov链 对 时 延 的 概 率 分 布 进 行 了 建 模 ， 给出 了 闭 环 网 络 系 统 的 LQG随 机 最 优 控 制 律 ， 该 控 制 律 满 足 确 定 性 等 价 原 理 18。Wei Zhen针 对 网 络 时 延 分 布 未 知 的 情 况 ， 改 进 了 Nilsson的 LQG控 制 律 ， 提 出 时延 在 线 估 计 方 法 平 均 时 延 窗 口 (ADW， Average Delays Window)方 法 。 该 方 法 无需 网 络 时 钟 同 步 和 延 时 补 偿 ， 即 可 获 得 延 时 信 息 。 并 在 10kbit/s的 CAN总 线 上 进 行了 实 验 研 究 19。Wei Zhang针 对 网 络 控 制 系 统 中 普 遍 存 在 的 通 讯 延 迟 问 题 ， 对 于 控 制 器 是 时 间 驱动 的 ， 利 用 在 控 制 器 和 执 行 器 接 收 端 设 置 接 收 缓 冲 区 的 方 法 ， 提 出 了 一 种 延 迟 补 偿器 结 构 ， 该 结 构 可 同 时 实 现 对 噪 声 的 滤 波 处 理 20。Lian FengLi针 对 MIMO网 络 控 制 系 统 进 行 了 时 延 分 析 和 建 模 ， 并 设 计 了 最 优 控制 器 8。1.2.2.3智 能 控 制 设 计 方 法确 定 性 控 制 方 法 和 随 机 性 控 制 方 法 都 是 基 于 时 延 和 被 控 对 象 的 精 确 数 学 模 型 之上 的 ， 而 在 实 际 的 NCS中 往 往 存 在 着 诸 多 的 不 确 定 性 ， 而 智 能 控 制 对 解 决 变 化 的 问题 和 情 况 具 有 较 好 的 适 应 能 力 ， 因 此 目 前 多 采 用 智 能 控 制 策 略 来 解 决 时 延 不 确 定 和分类号： 学校代码：10079 密级：6百手起驾 整理为您时 延 补 偿 问 题 ， 以 提 高 系 统 的 鲁 棒 性 。Kyung Chang针 对 基 于 ProfibusDP的 网 络 控 制 系 统 ， 在 考 虑 传 输 迟 延 的 基 础 上 ，设 计 了 基 于 遗 传 算 法 (Genetic Algorithm)对 PID参 数 进 行 整 定 的 控 制 器 ， 并 对 马 达 的控 制 进 行 了 实 验 研 究 21。Suk Lee利 用 模 糊 (Fuzzy)控 制 鲁 棒 性 较 好