（运筹学与控制论专业论文）基于ts模糊控制的网络控制系统的建模与分析.pdf

at h e s i si no p e r a t i o n a lr e s e a r c ha n d c y b e r n e t i c s l i l ll li lli l lli l l li iiil y 18 4 2 7 6 6 d e s i g na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so f n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m sb a s e do nt - sf u z z yc o n t r o l b y s h ij i a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gq i n g l i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 i 番 ! “ 独创性声明 ， j 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，不包含其他人已经发表或撰写过的 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亍明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：殳经 一 。签字日期：妒孑6 彳 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：丈磐 导师签名：缮及定 签字 日期：矽p ，7 签字日期：妒d 7 j j 参叁lli _艮一?q莲 il，【 p矗再琴髫强秦邙“擎孳爹分沁妒“i影罐 如，弘参黪零e裂簿尊澎1。j曳 ， 东北大学硕士学位论文摘要 基于t - s 模糊控制的网络控制系统的建模与分析 摘要 网络控制系统作为一个具有很强实际应用背景的学科，在研究过程中所面临的问题 也是多种多样的。特别是非线性网络控制系统在实际工业控制过程中大量存在，因此迫 切需要进一步深入研究非线性网络控制系统理论。t - s 模糊控制作为处理非线性网络控 制系统的有效手段，可以解决大量的复杂的非线性问题。 然而，目前利用t - s 模糊控制来处理非线性网络控制系统的成果还不丰富，很多问 题还有待解决。已有的研究成果均将问题做出适当的理想化假设，有的假设时延是定常， 有的假设驱动方式均为时间驱动，有的不考虑数据包丢失，有的只在传感器和控制器之 间考虑数据包丢失，并把执行器和控制器之间假设为网络理想状态等等，根据这些假设 所建立的模型没有完全符合实际的网络特性，因此利用价值很有限。 本文充分考虑实际网络特性，在传感器和控制器，控制器和执行器之间均带有数据 包丢失的前提下，研究时延为确定和不确定的两类模型，利用网络控制系统理论、非线 性控制理论，t - s 模糊控制理论，开关系统理论，l m i 等技术，建立非线性的网络控制 系统模型，证明该系统是指数稳定的，给出了其状态反馈控制器的设计方法，同时利用 m a t l a b7 0l m i 工具箱加以仿真验证，证明结论的正确性。最后对于本文的所做的问题 加以深化，指出今后进一步有待解决的问题，给出展望。 矢鲢词：网络控制系统；非线性系统；开关系统；t - s 模糊控制；异步动态系统；l m i o!j。0，t t7， ， 奄 o 飞r 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s b a s e do nt - sf u z z yc o n t r o l a bs t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r e s u b j e c t w i t h s t r o n g l yp r a c t i c a lb a c k g r o u n da n df a c e m u l t i f a r i o u sp r o b l e m si nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c h e s p e c i a l l y , ag r e a td e a ln o n l i n e a rn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m se x i s ti nt h ep r a c t i c a li n d u s t r yp r o c e s s s ow en e e ds t u d yt h en o n l i n e a r n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si m m i n e n t l ya n dt h o r o u g h l y t h et - sf u z z yc o n t r o li sag o o da n d e f f e c t u a lm e a s u r et os o l v em a n yn o n l i n e a rp r o b l e m s n o w , t h ep r o d u c t i o n sw i t ht h et - sf u z z yc o n t r o lt os o l v et h en o n l i n e a rn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sa r er a r e l ya n dm a n yp r o b l e m sc a i n tb er e s o l v e d t h ep r o d u c t i o n sa l ls u p p o s e dm a n y u t o p i a nc o n d i t i o n s j u s tl i k e ，t h ed e l a yi si n v a r i a b l e ，t h en o d e sa l la r et i m e - d r i v e n ，o rt h ed a t a d r o p o u tj u s te x i s t sb e t w e e nt h es e n s o ra n dt h ec o n t r o l l e ra n dt h e r ei sn od a t ad r o p o u tb e t w e e n t h ec o n t r o l l e ra n dt h ea c t u a t o r a 1 lt h em o d e l sd o n ta c c o r dw i t ht h en e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s o t h eu s i n gv a l u ei sl i m i t e d i nt h i sa r t i c l e ，t h i n k i n go ft h en e t w o r ks u f f i c i e n t l y , u n d e rt h ei n s t a n c eo ft h ed a t ad r o p o u t e x i s t i n gb e t w e e nt h es e n s o ra n dt h ec o n t r o l l e r , a n db e t w e e nt h ec o n t r o l l e ra n dt h ea c t u a t o r , u s i n gt h et h e o r yo ft h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，t h en o n l i n e a rc o n t r o ls y s t e m s ，t h ef u z z y c o n t r o ls y s t e m s ，o n o f fs y s t e m sa n dl m i ，w es t u d yt h em o d e lw i t ht h ec e r t a i nd e l a yo rt h e u n c e r t a i nd e l a ya n de s t a b l i s ht h en o n l i n e a rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sm o d e la n dp r o v et h e e x p o n e n t i a ls t a b i l i t y , d e s i g nt h es t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l e r , a tt h es a m et i m e ，u s i n gt h el m i v a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h en e wm o d e l f i n a l l y , w ed e e p e nt h ep r o b l e m ，p o i n to u tt h e u n s o l v e dp r o b l e m ，p r o p o s et h ep e r s p e c t i v eo nt h ef u r t h e r m o r es t u d y k e y w 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 ；n o n l i n e a rc o n t r o ls y s t e m s ；o n o f fs y s t e m s ；t - s c o n t r o ls y s t e m s ；a s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e m s ；l m i v q ! 矗 譬 一 i 、i c p 霉童 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i l a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 本文工作及创新点3 第2 章网络控制系统简述5 2 1 网络控制系统的相关概念5 2 2 网络控制系统的结构6 2 3 网络控制系统中的基本问题。6 2 3 1 网络诱导时延一6 2 3 2 数据包丢失与错乱7 2 3 3 节点驱动方式8 2 3 4 网络调度与通信约束8 2 4 网络控制系统的研究现状9 第3 章t s 模糊控制系统概述1 1 3 1 模糊控制的特点1 2 3 2 模糊控制系统的基础概念1 2 3 3t - s 模糊控制系统的基础知识1 5 第4 章基于t - s 模糊控制的网络控制系统的建模与分析1 7 4 1 问题描述及建模1 7 4 2 稳定性分析2 6 4 3 控制器设计4 9 4 4 仿真算例5 1 第5 章总结5 5 5 1 本文主要工作5 5 5 2 未来工作展望5 5 参考文献5 7 j g 谢6 3 v 1 1 l - 受垡 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 进入2 1 世纪，随着科学技术的飞速发展，工业控制系统的规模，复杂程度，物理 设备，以及功能都发生了巨大的改变，传统的点对点连接方式达到了自身利用的极限， 无法再适应工业发展的脚步，人们需要找到能更加快速适应工业发展速度的控制系统。 这时计算机网络技术由于其自身具有的高度先进性和适应能力，很快被应用到了自动化 领域和控制领域，并逐渐形成了一套新的研究体系网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ) 。n c s 是复杂大系统控制和远程控制系统的客观要求，传感器，控制器，执行 器等现场设备的智能化为通信网络在控制系统中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成熟与发展解决了网络控制系统自身的可靠性和开 放性问题，使之成为现实。 1 1 研究背景 上世纪9 0 年代，网络控制系统被提出来以后，作为一个独立的系统学科得到了广 泛的关注和研究，并且取得了丰富的研究成果。n c s 作为控制和网络的交叉学科，其涉 及的内容十分广泛，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 是一门大有发展前途的学科。目前，关于网络控制系统的研究课题有很多，就研究对象 而言，包括了线性定常系统，线性时变系统和非线性系统；就研究领域而言，包括基于 连续模型的研究和基于离散模型的研究；就系统的分析和设计而言，有基于鲁棒控制的 方法，基于自适应控制，智能控制和预测控制的方法，基于随机控制理论的方法。随着 研究深度的加深与广度的扩展，一些研究方向已经取得了令人可喜的成果。在n c s 建 模、稳定性和控制器设计方面比较成熟的建模方法有确定性和随机方法。确定性方法是 在时延特性难于获得或变化较快的情况下，利用设置节点的接收缓冲区和发送缓冲区， 使得随机时变时延转换为固定时延。这样，时变时延系统转换为确定性时延系统，然后 利用确定性方法分析和设计系统l l 3 1 。随机控制理论方法是当时延特性服从某一特定概 率分布或已知规律时，采用随机控制理论方法对系统进行建模、分析与设计【禾6 】。根据 n c s 不同特点，所建立的模型可以是连续的或是离散的。文献【7 1 0 给出了一系列连续 模型的建立方法，并对相应的模型进行了稳定性分析，控制器设计，复杂性分析等一系 列理论研究；文献【4 ，1 1 1 3 】对于离散型建模进行了研究，并给出系统的离散模型，最终 分析了稳定性，控制器设计，同时在考虑数据包丢失的前提下，建立含有事件约束率的 -矗ijl 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 异步动态开关系统，利用遗传算法研究了指数稳定性和判定方法。在n c s 中，不确定 因素的存在直接影响着系统的控制系能。这些不确定因素包括：数据包的丢失，随机的 测量噪声，过程噪声，分布无规律的随机时延，外部未知扰动等。针对这些不确定干扰 因素，许多学者作了大量工作，并有诸多成果问世。文献 1 4 1 研究了系统的不确定时延 是范数有界n c s 时延相关稳定性，并给出了确保系统稳定的时延上界；文献【1 5 】研究了 一类具有有限带宽通信信道的线性不确定离散系统的鲁棒镇定问题，并给出鲁棒控制器 的设计方法；文献【1 6 】研究了系统的随机稳定性和h ：h 。混合控制问题；文献【1 7 】针对 控制网络为现场总线的n c s ，研究了状态反馈n c s 的二次稳定性和h 。鲁棒控制问题； 文献【1 8 1 研究了同时存在网络诱导时延和数据包丢失的不确定n c s 的鲁棒日。控制器设 计问题。由于n c s 结构复杂，一般很难测量到被控对象的全部状态信息。为实现状态 反馈或进行故障监测，需要设计观测器。由于n c s 具有不可忽略的网络诱导时延，传 统的观测器设计方法已不适用于n c s 。因此n c s 的观测器设计和基于状态观测器的控 制问题一直倍受关注，如今已经取得可喜成果。文献1 1 9 2 3 】利用不同的数学方法，建立 起与实际网络相符合的系统模型，并给出了相应的观测器设计方法，对于误差分析，状 态评估，故障观测器，分离观测器，状态估计方法等一系列问题给予了有效地解决。 对于n c s 中的多包传输，数据包丢失，数据错序等问题，在n c s 研究初期是令很多学 者头疼的问题，许多早期的文章都没有将数据包丢失和错序问题考虑进去，通常以理想 状态加以研究。随着研究的进一步开展，在这方面的研究成果越来越多。文献 2 4 ，2 5 在 没有考虑时延的情况下，研究了单包传输有数据包丢失时系统的建模和稳定性问题，以 及可以转化成事件率约束的异步切换系统的n c s , 文献【4 】建立了单包传输有包丢失及 多包传输有包丢失时系统模型，文献 2 6 ，2 7 将一类具有不确定时延和数据包丢失的n c s 描述成离散开关系统，并研究了该类n c s 的渐近稳定性和扰动衰减问题；文献 2 8 ，2 9 】 均是对多包传输进行了研究，分别建立相关的系统模型，并给出了指数稳定性的充分条 件；文献 3 0 q h ，张庆灵，李金娜等人提出了解决数据包错乱的n c s 模型，文中将网络 时延，数据包丢失，时序错乱等一些网络特性因素均加以考虑，提出更加符合网络的 n c s 模型，并给出了鲁棒稳定性的充分条件。t - s 模糊控制的方法是新提出的解决非线 性的n c s 的方法，目前很多学者致力于该问题的研究。b s c h e n ，c s t s e n g ，w a n g y a h ， z h a n gx i a o m e i 等学者针对网络时延，丢包，驱动方式等各类网络特性建立网络系统模 型【3 8 ，4 1 ，4 2 ，4 5 4 7 】，z h a n gh u a g u a n g 提出了带有不确定项的t - s 模糊n c s 模型，并讨论了其 2 叠 l 雾尘 ， 嚷、： 一_ 东北大学硕士学位论文 ? j 嘉 ，j 、 第1 章绪论 鲁棒稳定性和控制器的设计【加j ；n b a l m u t a i r i 根据模糊逻辑，建立模型并分析稳定性 * tjt 【饲；ew u es u n 等人设计了随机的基于t - s 模型的状态反馈控制器，以及讨论其指数 稳定性【叫；在对n c s 进行研究的过程中，很多其他疑难问题也被学者解决了，例如容 错控制，故障诊断【1 9 ，2 0 l ，n c s 仿真【2 1 。2 3 1 ，以及结合网络通信技术进行研究的诸多问题， 这一切都构成了如今n c s 纷繁复杂的研究状态，各个领域推陈出新，硕果累累，各个 方向百花争艳，人才辈出。 1 2 本文工作及创新点 网络控制系统作为一个具有很强实际应用背景的学科，在研究过程中所面临的问题 也是多种多样的。本文就是针对一类非线性的网络控制系统，给出了详细的系统建模， 同时也讨论了该系统的指数稳定性，给出了状态反馈控制器的设计方法，最后利用 m a t l a b 仿真给出验证。目前针对网络控制系统的研究主要集中在线性系统上，或是基于 广义系统【3 卜3 4 】的理论给出研究。对于非线性网络控制系统的研究还处于不成熟，不丰富 阶段。主要是由于非线性系统本身的复杂性与网络介入相结合使得问题的研究非常困 难。然而，非线性在实际的控制系统中是普遍存在的，如：汽车导航控制、航空航天、 兵器系统、机器人工业等等。工业领域中的大量应用，对于实际理论的迫切需要使得我 们需要进一步深入研究非线性网络控制系统理论。可见非线性n c s 的研究将具有十分 重要的理论价值和实际应用价值。近几年一些学者对于非线性n c s 做的研究得到很多 有价值的结论。文献 3 5 1 针对仿射非线性网络控制系统，首先将其线性化，然后利用 l y a p u n o v 方法给出了系统渐近稳定的充分条件，并获得了时延的上界；文献【3 6 】针对离 散非线性对象的网络控制系统，假设网络中的数据包丢失规律服从m a r k o v 链，构造基 于模型的状态观测器估计系统的状态，在此基础上利用随机控制理论给出了系统渐近稳 定的充分条件；文献【3 7 】假设传输间隔充分小，在连续域内利用l y a p u n o v 方法分别讨论 了在m e f - t o d 动态调度策略下和静态调度策略下非线性n c s 稳定的充分条件，并给 出了确保系统稳定的时延上界。 目前，t - s 模糊控制作为处理非线性系统的一个有利方法，对于很多非线性问题都 给予了很好的解决，因此利用t - s 模糊控制作为处理非线性n c s ，将是一个很好的处理 办法，目前很多学者都在这方面做了深入研究。文献 3 8 4 2 1 都是利用t - s 模糊控制的理 论解决一系列的非线性n c s 系统，但是在这些研究中，有的假设时延是定常的，有的 假设驱动方式均为时间驱动，有的不考虑数据包丢失，有的只在传感器和控制器之间考 。3 6-冀ji 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 虑数据包丢失，在执行器和控制器之问假设为理想状态等等，这些研究都是在假定一定 理想状态下进行的，并没有完全符合实际的网络特性，因此利用价值不是很高。本文在 考虑符合实际网络特性的前提下，在考虑带有确定时延或不确定时延，在传感器和控制 器，控制器和执行器之间均带有数据包丢失的前提下，结合网络控制系统理论、非线性 控制理论，t - s 模糊控制理论，开关系统理论，l m i 等技术深入地研究了一类利用t - s 模糊控制方法，将带有确定时延或不确定时延的，考虑丢包现象的最终可以化为异步动 态系统的网络控制系统，并证明了该系统是指数稳定的，给出了其状态反馈控制器的设 计方法，最后利用l m i 加以仿真验证。 全文主要工作如下： 第l 章：介绍了网络控制系统的研究现状； 第2 章：介绍了网络控制系统的一些基础知识，以及后面研究工作用到的一些专业 术语，专业名词，概念等； 第3 章：介绍了t - s 模型的建立方法，以及相关概念与理论； 第4 章：研究了利用t - s 模糊控制方法，将带有确定时延或不确定时延的，考虑丢 包现象的最终可以化为异步动态系统的网络控制系统。并证明了该系统是指数稳定的， 给出了状态反馈控制器的设计方法，最后利用l m i 加以仿真验证； 第5 章：对全文的工作做了总结，同时也对进一步的研究工作进行了展望。 论文创新点如下： 本文进一步解决了一系列非线性网络控制系统的建模问题，充分考虑了时延，丢包 等情形，将其他已有的成果在原始理想状态下进一步改进，使模型更加符合网络特性， 同时利用开关系统的方法来解决在传感器，控制器，执行器三者之间存在数据包丢失问 题，将单开关模型推广到双开关模型。讨论新模型的指数稳定性以及控制器的设计问题。 4 一 枣。 t = 、嘈i 手00，争 东北大学硕士学位论文第2 章网络控制系统简述 第2 章网络控制系统简述 2 1 网络控制系统的相关概念 网络控制系统( n c s ) 是一种全分布式，网络化实时反馈控制系统，是指在某一个区 域现场内通信网络，传感器，控制器及执行器的集合，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与协调操作。 网络控制系统可做如下分类： 、 按数据传输腻嚣篱黧害 按输入方式：f 量募全量纂堂筹墓 网络控制系统是计算机控制系统的进一步发展，同时也是计算机网络在控制领域的 扩展与延伸，是计算机网络，通讯技术和控制技术的融合与发展。因此网络控制系统有 “ - 很多区别其它控制系统的特点： ( 1 ) 结构网络化 4 n c s 的网络结构更加分散化，它支持总线，星型，树型等结构，这比传统的点对点 连接的反馈控制系统更容易安装，更能有效提高系统的可靠性，方便了远程控制。i ( 2 ) 节点智能化 n c s 中所有的实时性传感数据和控制数据是通过网络传输的，因此网络控制节点必 须紧密协调工作才能完成控制。同时n c s 的每一个节点可认为是各自独立的单元，彼 此能相对独立的完成自己的职能。 ( 3 ) 性能实时化 网络控制系统n c s 和现场总线控制系统f c s 不同的是n c s 强调在串行实时总线上 建立闭环控制回路，因此n c s 对于网络的实时性要求更高，因而时延的存在将会极大 的降低系统的性能，甚至导致系统的不稳定。 ( 4 ) 系统受网络影响大 由于网络中信息资源很多，根据网络所采用的通信协议，网络的负载状况，网络的 传输速率和信息包的大小等诸多因素的影响，会出现固定或随机，有界或无界的延迟。 这样使得传统的控制理论无法适应新的控制系统。 5 东北大学硕士学位论文 第2 章网络控制系统简述 从网络控制系统的特点中我们可以看出网络控制系统具有很多优点：数据传输可靠 性高；数据交换性强；连接线数大大减少；安装，故障检修和维护方便；抗干扰性强； 易于扩展；成本造价低；设备即插即用等。 2 2 网络控制系统的结构 网络控制系统有狭义和广义之分。狭义的n c s 是指传感器，控制器，执行器之间 用实时网络取代传统的利用点对点专线连接而构成的闭环控制系统。广义的n c s 不仅 包括狭义的n c s 还包括通过企业信息网络以及i n t e r n e t 所能实现的对工厂车间和生产线 以及工业工程中现场设备的远程控制操作和信号传输以及优化，网络控制系统的基本结 构如图2 1 。 执行器 f 控 r 制 被控对象 器 网络 下 f s a i 1 传感器 图2 1 网络控制系统的结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fn c s 其中叱代表数据从控制器传输到执行器的时延；z 。代表数据从传感器传输到控制器的 时延；传感器的作用时用来采集采样信息；控制器的作用是获取采样信息之后向执行器 发送最及时的控制命令；执行器的作用是对控制对象执行相应的控制命令。 2 3 网络控制系统中的基本问题 由于网络控制系统属于交叉学科的研究领域，内容主要分为网络理论和控制理论。 因此网络控制系统的基本问题是网络和控制两种理论的交叉体。其基本问题主要有：网 络诱导时延，数据包丢失与错乱，节点驱动方式，网络调度与通信约束等。 2 3 1 网络诱导时延 由于网络中大量的信息资源都要占用网络通信线路，而网络的承载能力和通信带宽 6 ，l 鄂专譬 誓i和 东北大学硕士学位论文第2 章网络控制系统简述 是有限的，这势必会造成信息的冲撞，重传等现象，因此在网络中就会产生一定的时延， 这会使控制系统的性能下降甚至不稳定，同时也给控制系统的分析，设计带来很大的困 难。网络诱导时延产生的大小是和网络使用的协议密切相关的，其时延可以是固定的， 也可以是时变的，甚至是随机的。在网络中产生时延的阶段主要有三个，分别是传感器 控制器时延，控制器一执行器时延f 。，以及传感器，控制器，执行器自身运行所产 生的时延f ；，f ：，f ；。一般情况下f ；，f ；，f ；远远小于z 。和k ，所以可以把f ：，f ；， f ；并入到叱和f 。当中去。 网络诱导时延可能大于一个采样周期r ，也可能小于一个采样周期r ，定义如下【6 】： 定义2 1 若网络诱导时延在区间【0 ，口】内分布，且口st ，则称这样的网络诱导延时为 短延时。 定义2 2 若网络诱导时延在区f j o ，a 】内分布，且口 t ，则称这样的网络诱导延时为 长延时。 由定义可知，长时延是指时延的分布区间的上界大于一个采样周期，而并非是长时 延大于一个采样周期。 2 - 3 2 数据包丢失与错乱 在网络传输过程中，由于数据量大，就不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这必 然会导致数据包的丢失。虽然大多数网络都具有重新传输机制，但这只能在有限时间内 重传，超过这个时间数据仍会丢失。在数据包丢失阶段，闭环网络控制系统可以等效看 成一个开关切换系统。由传统的控制理论的稳定性可知，开关闭合时系统是稳定的，但 开关断开时，无法保证系统是否稳定。所以在网络控制系统中，丢失数据包的系统是不 稳定的，因此在网络控制系统的设计中，必须对数据包的丢失问题寻找相应的解决办 法。 对于数据传输，考虑网络的拥挤是一个问题，另一个需要讨论的问题就是由于数据 传输流通的路径和设备不同，造成的数据包时序错乱。对于单数据包造成的时序错乱是 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，其达到的时序与 原来的时序不同。对于多数据包，由于一个数据被分成多个数据包传输，它的时序错乱 是指当这些数据包从源节点到达目标节点时，到达的时序与原来的时序不同。可见单数 据包错乱是指多个独立完整数据之间的时序问题；而多数据包错乱是指一个完整信息分 成多包之间的时序问题。 7 东北大学硕士学位论文 第2 章网络控制系统简述 2 3 3 节点驱动方式 网络控制系统的节点包括：传感器，控制器，执行器。它们的驱动方式分为时间驱 动和事件驱动两种。 时间驱动：是指网络节点在个事先确定的时间到时开始动作，这个事先确定的时 间是节点动作的依据。 事件驱动：是指网络节点在一个特定的事件发生时立即开始它的操作。 表2 1n c s 中各节点驱动方式 t a b l e2 1d r i v e nm e t h o d so ft h en o d e si nt h en c s 两种驱动方式各有其优缺点： ( 1 ) 时间驱动比事件驱动容易实现，建模时易于分析。另外一些实际的网络控制模型是 不支持事件驱动的； ( 2 ) 事件驱动避免了控制器或执行器为时间驱动时的数据因未到工作时刻的等待时间， 客观上减少了网络诱导延时。避免了控制器或执行器为时间驱动时与传感器同步的困 难。当控制器或执行器采用事件驱动时，也避免了控制器或执行器为时间驱动时容易出 现的数据丢失或采样无效等现象，提高了反馈利用率。 2 3 4 网络调度与通信约束 所谓网络调度是指共享网络资源的一组控制对象之间的信息传输发生碰撞时，按一 定的优先权确定其传输次序。目前主要的调度方法有：基于优先级设置的调度方法；基 于节点发送时间间隔的调度方法；基于死区的调度方法等。此外针对优先级设置的网络 控制系统的调度方法有：静态调度和动态调度。关于网络控制系统的调度研究主要集中 在一个节点多久可以传输一次信息，以及以多高的优先级传递信息，即信息的调度问题， 而不是数据包如何更有效地从节点到达目的节点以及路由拥塞后怎么办，这些问题涉及 到路由算法和拥塞控制算法，应该在网络层进行解决。 通过调度，在相同网络负载的情况下，可以大大减小网络传输延迟，相应地提高了 网络资源的利用率，使控制网络的负载趋于平稳，同时还可以保证网络控制系统的稳定 一8 对 j 、 和 下j l譬 东北大学硕士学位论文第2 章网络控制系统简述 性。 通信约束也是网络控制系统中不可忽略的一个问题。如何在保证系统稳定或一些其 它性能正常的情况下得到每个网络控制系统的传输速率上界，以及如何在有通讯上界的 情况下进行状态估计，控制器设计等就构成了带通讯约束的控制问题。通许约束分为： 位速率约束和信息率约束两种。 2 4 网络控制系统的研究现状 网络控制系统最早是上个世纪中后期r a ya 等人进行系统研究的，其系统雏形是 i c c s 。虽然网络控制系统出现的时间不长，但受到了广泛关注，取得了丰富的研究成果。 就系统的分析和设计方法而言，主要有基于离散模型的方法；连续模型的方法和基于混 合模型的方法。另外在智能控制方法的应用；基于资源分配的控制；基于速率受限的控 制；网络调度；网络诱导时延的分析与补偿；n c s 的设计考虑与实现以及n c s 中的时 钟同步等方面也取得令人瞩目的成果。 对于相同的一个网络控制系统的问题，我们可以将两种理论联合起来研究，也可以 分开来研究，即：或从控制问题的角度来研究，或从网络信息调度的角度来研究。 对于控制领域的研究人员而言主要是针对网络控制系统建立更加合理更加适用于 实际工程操作的模型，在此基础上对网络控制系统进行稳定性分析，控制策略设计。 今后研究的重点应该放在网络系统，网络设备和网络控制系统的设计和分析土面， 从而提高系统的性能和服务质量。 第一：提高网络控制系统的结构技术。当前的研究主要集中在分层的技术以及定义 每一层的作用和相应服务界面上，要想取得更好的性能，我们要在结构变化上下功夫。 第二：集成技术与内部可操作性。网络控制系统开放性设计，将各商家的产品在不 同的环境下，达到良好的集成效果。促进网络控制系统设备的快速发展。内部可操作性 的关键是n c s 中功能模型技术和设备描述技术。 第三：网络控制系统的动态建模。通常采用模糊神经建模的方法是比较困难的，动 态模糊神经网络可以处理这个问题，也可以研究自动恢复及自动智能等相关问题。 第四：优化设计方法与设计理论。网络控制系统不同于以往的控制系统，具有很多 新特性，原有的理论不能完全适用，需要寻找新的算法和控制策略。 第五：网络控制系统的安全技术。控制系统以网络为传输平台，因此网络信息安全 是不可回避的话题，今后还要在安全技术方面再下功夫。同时，外在的客观不安全因素 9 yj璧 东北大学硕士学位论文 第2 章网络控制系统简述 如：高温，潮湿，强电磁场，腐蚀等也要考虑在内。 一l o 僵y ，l p 东北大学硕士学位论文第3 章t - s 模糊控制系统概述 第3 章t - s 模糊控制系统概述 自2 0 世纪6 0 年代以来，现代控制理论己经在工业生产过程、军事科学以及航空航 天等许多领域都取得了成功的应用。例如极小值原理可以用来解决某些最优控制问题； 利用卡尔曼滤波器可以对具有有色噪声的系统进行状态估计；预测控制理论可以对大滞 后过程进行有效的控制。但是它们都有一个基本的要求：被控对象都需要建立精确的数 学模型。另一方面，随着科学技术和生产的迅速发展，各个领域对自动控制系统的控制 精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多 变。然而，对于实际中的大部分被控过程，由于诸如被控对象或过程的非线性、时变性、 多参数间的强烈混合、过程机理的复杂性、较大的随机干扰、各种不确定性以及现场测 试手段不完善等，难以建立被控对象的精确数学模型，从而给被控过程的控制带来困难 或满足不了控制性能的要求。虽然自适应控制方法可以在某种程度上解决一些问题，但 范围是有限的。而且由于辨识和自适应控制方法本身的复杂性，难于被生产现场的操作 人员所接受。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统的控制方法，往往 不如一个操作人员凭着丰富的实践经验所进行的控制效果好。因为人脑的重要特点之一 是有能力对模糊事物进行识别与判决。操作人员是通过不断学习，积累操作经验来实现 对被控对象的控制。这些经验包括对被控对象特征的了解，在各种情况下相应的控制策 略以及性能指标判据。这些信息通常是以自然语言的形式表述的，其特点是定性的描述， 因而具有模糊性。模糊控制便是为适应这种要求而发展起来的。模糊控制是以模糊集合 论作为它的数学基础的，它的诞生是以z a d e h1 9 6 5 年提出模糊集合论【4 3 埘j 为标志的。他 在深入探索和研究“大系统”、“模糊性”、“计算机 和“人脑思维 间的关系中，从数 学与人脑思维的分离处入手，结果发现康托所创建的集合论实质上是剔除了模糊性而抽 象出来的数学概念，是把思维过程绝对化，从而达到精确和严格的目的。为此，他将模 糊性和数学统一起来，并且不是让数学放弃其严格性去迁就模糊性，而是让数学回过头 来吸取人脑对于模糊现象认识和推理中的优点，于是1 9 6 5 年在( ( i n f o r m a t i o na n dc o n t r 0 1 ) ) 杂志上发表了第一篇开创性经典论文“f u z z ys e t s ”【4 3 j ，这就标志着模糊数学的正式诞生。 而后，z a d e h 提出了一种将逻辑规则的语言描述转化成相关控制律的思想，从而使对复 杂系统做出合乎实际的符合人类思维方式的处理，这为早期模糊控制器的形成奠定了基 础。模糊控制理论是控制领域中非常有前途的一个分支，在工程上也取得了很多成功的 应用。在应用方面取得突破性成就的当首推英国伦敦大学教授m a m d a n i 。他于1 9 7 4 年 、，哩 东北大学硕士学位论文第3 章t - s 模糊控制系统概述 利用模糊控制语句构成模糊控制器【5 6 1 ，首次将模糊控制理论应用于蒸汽机和锅炉的控 制，取得了优于常规调节器的控制品质，标志着模糊控制从理论走向应用。其控制特点 是把人的经验转化为控制策略，为模型未知的复杂系统控制提供了简便的模式。随后， o s t e r g a r a d 又将模糊控制成功地应用于热交换器和水泥窖的生产【5 7 1 。之后，s u g e n o 又将 模糊控制用于汽车控制，取得了很好的控制效果。1 9 7 9 年英国p r o c y k 和m a m d a n i 研究 了一种自组织的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的 性能不断完善。自组织模糊控制器的问世，标志着模糊控制器智能化程度进一步向高级 阶段发展。目前，模糊控制己经作为智能控制的一个重要分支广泛应用于自然科学和社 会科学的各个领域。 3 1 模糊控制的特点 所谓模糊不是指控制过程的模糊，也不是指被控对象，控制器是模糊的，而是指在 表示知识、概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的，但它所完成的 却是完全确定的工作。模糊控制理论是控制领域中有发展前途的分支，这是由于模糊控 制具有许多传统控制无法与之比拟的优点，其中主要是： ( 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的精准数学模型，工作人员或学者只需要根据有 关专家的先验经验或是操作参数等一系列信息就可以实现控制； ( 2 ) 系统抗干扰性强，模糊控制的产生是为了更好的解决工业过程中所出现的各类干扰 因素，其优越的鲁棒性是其强大生命力的最好佐证。尤其适合于非线性，时变，存在时 延等情况； ( 3 ) 由工业过程的定性认识出发，容易建立语言变量控制规则，操作人员易于通过人的 自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上； ( 4 ) 由不同的观点出发，可以设计不同的指标函数，但对于一个给定的系统而言，其语 言控制规则是分别独立的，且通过整个控制系统地协调可以取得总体的协调控制； ( 5 ) 模糊控制无需复杂昂贵的设备，在取得同等或更好控制效果的前提下，经济效益显 著，易于实现与管理，并容易根据实际情形给与适当改变，从而达到即时即改即控的效 果。 3 2 模糊控制系统的基础概念 通常的模糊系统是由模糊规则基、模糊推理、模糊化算子和反模糊化算子四部分组 成，其基本结构如图3 1 所示。 一1 2 一 。，聱 东北大学硕士学位论文第3 章t - s 模糊控制系统概述 u 图3 1 模糊控制系统的结构 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m ( 1 ) 模糊规则基： 它是由若干模糊“i f t h e n 规则的总和组成，即： r 一体1 ，尺) 由于多输入多输出模糊系统总可以分解成为多个多输入单输出系统，所以我们仅以 多输入单输出的形式为例，即每一条模糊规则都是由下面形式的“i f t h e n 模糊语。 句构成： r ，：腰西i s4 f a n d i s4 一乎 t h e n ：yi s 马 模糊规则来源于经验，来源于对系统控制过程的深入理解，人们通过直接观察控制 器 过程，或对控制过程建立数学模型仿真，对控制过程的特性能够有一个直观的认识。虽 ” 然这种认识并不是很精确的数学表达，只是一些定性描述，但它能够反映控制过程的本 质，是人的智能体现。在此基础上，人们往往能够成功地实施控制。因此，建立在语言 变量基础上的模糊控制规则，为表达人的控制行为和决策过程提供了一条途径。 ( 2 ) 模糊推理： 模糊推理是模糊控制的核心，它根据模糊系统的输入和模糊推理规则，经过模糊关 系合成和模糊推理合成等逻辑运算，得出模糊系统的输出。通常意义来说，推理过程都 包含两个部分的判断，一部分是己知的判断，作为推理的出发点，叫做前提( 或前件) ， 即模糊规则中i f 语句的部分；而由命题所推出的新判断叫做结论( 或后件) ，即模糊规则 中t h e n 语句的部分。 ( 3 ) 模糊化： 模糊化方法是将一个确定的点：x = ( ，) re u ，映射成u 上的一个模糊集a 。 1 3 一，哇 东北大学硕士学位论文 第3 章t - s 模糊控制系统概述 常用的模糊化方法【5 3 - 5 4 】分为：单点模糊化和非单点模糊化，其中非