（运筹学与控制论专业论文）具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制.pdf

鲁东大学硕士学位论文 摘要 随着控制任务和结构的日益复杂化、系统各部件之间共享和交换信息的急剧膨胀， 以及计算机、通信、传感器和网络技术的发展与广泛应用，一种新型的分布式、智能化、 网络化的控制系统应运而生网络控制系统，它是利用专用或通用的通信网络连接构 成闭环的控制系统。网络构成反馈通道，信息通过网络进行传输和交换，摆脱了传统点对 点连接的束缚，打破了系统在空间位置上的限制，拓宽了控制活动的场所，降低了系统连 接的复杂性、运行成本和维护费用。远程遥操作、遥医学、远程教学、无线网络机器人、 某些兵器系统以及新兴的以现场总线及工业以太网为基础的控制系统均属于网络控制 系统的范畴，此外，网络控制系统在航空航天领域以及复杂、危险的工业控制领域也具有 广阔的应用前景。 在网络控制系统带来诸多优点的同时，也给控制学科带来了新的挑战。网络控制系 统中的各类信息以分时复用的方式共享有限的网络资源，网络中数据包的传输速率、数 据包长度以及所采用的介质访问控制方式均影响着网络控制系统的性能。因此，网络的 介入不可避免地在控制回路中引入了网络诱导时延、数据包丢失、数据包时序错乱等问 题，使得传统控制系统的研究方法难以直接应用于网络控制系统，迫切需要研究新的控 制理论与方法。 本论文首先对网络控制系统的研究现状进行了总结，并分别对网络控制系统中由于 网络的介入而引发的一些基本问题：节点的驱动方式、数据采样、网络诱导时延、单包 传输与多包传输、数据包的丢失及时序错乱和网络调度等问题进行了总结与阐述。 对网络控制系统中普遍存在的网络诱导时延的特性进行了分析，阐述了网络控制系 统中网络诱导时延的组成、产生的原因以及不同控制网络所具有的时延的特性。针对网 络控制系统中三种不同类型的时延确定性时延、随机时延和时变时延，对闭环网络 控制系统进行了建模。特别地，将随机时延和时变时延归入系统的不确定部分，从而将 闭环网络控制系统建模为离散不确定系统。 对网络控制系统中存在的数据包传输丢失的现象，分析其产生的原因和数据丢包的 特性。针对网络控制系统中两种类型的数据包丢失过程确定性丢包过程和随机丢包 过程，对闭环网络控制系统进行了建模。将确定性丢包过程建模为以一定的速率闭合的 开关，从而将闭环系统建模为受结构事件率约束的异步动态系统；考虑两种情况的随机 丢包过程：一是任意丢包过程，另一个是m a r k o v e 丢包过程，得到更具有普遍性的随机 丢包网络控制系统模型。 i 鲁东大学硕士学位论文 对于同时存在网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统进行了建模、稳定性分析 和控制器的设计。对于存在确定性时延和确定性丢包过程的网络控制系统，分别建立了 状态反馈和动态输出反馈控制下的闭环系统模型，给出了保持系统指数稳定的充分条件 和控制器的设计；对于存在时变时延和确定性丢包过程的网络控制系统，将其建模为离 散不确定系统，利用不确定性理论得到了保持系统稳定的充分条件和控制器的设计；建 立含有时延( 确定的和时变的) 和随机丢包过程的网络控制系统的模型，并给出了保持 系统渐进稳定的充分条件和控制器的设计，所得的结果具有更普遍的意义。 对于对象状态不完全可测的网络控制系统，基于远程估计器估计系统的状态，构成 状态反馈，建立了具有时延和数据包丢失的网络控制系统的模型。 关键词：网络控制系统；网络诱导时延：数据包丢失；稳定性分析；控制器设计；线 性矩阵不等式 鲁东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo fc o n t r o ld u t ya n da r c h i t e c t u r e ，t h es h a r eb e t w e e ne a c h c o m p o n e n t so fs y s t e m s ，t h es h a r pe x p a n s i o no fe x c h a n g ei n f o r m a t i o n ，a n dt h ed e v e l o p m e n t a n dw i d ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r s ，c o m m u n i c a t i o n ，s e n s o r sa n dn e t w o r k e dt e c h n o l o g y , a n e w t y p ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 一一n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s s ) e m e r g e s a st h et i m e sr e q u i r e t h e ya r ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m s 、析mc o n t r o ll o o p sc l o s e dv i as p e c i a l o ru n i v e r s a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f e e d b a c kc h a n n e l sa r ec l o s e dv i an e t w o r ka n d i n f o r m a t i o ni se x c h a n g e da n dt r a n s m i t t e db yn e t w o r k , w h i c hm a k et h ea s t r i c t i o no ft r a d i t i o n a l l i n kb e t w e e np o 缸t op o ni se a s to f f , t h er e s t r i c t i o no fs y s t e m si nt h es p a c ei sb r o k e n ，t h e s p a c eo fc o n t r o la c t i v i t yi se n l a r g e d , t h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m sa n dt h ec o s to fr u n n i n g a n dm a i n t e n a n c eo ft h es y s t e m sa r eb o t l lr e d u c e d l o n g - d i s t a n c er e m o t eo p e r a t i o n ，r e m o t e m e d i c i n e ，r e m o t et e a c h i n g ，w i r e l e s sn e t w o r kr o b o t , s o m ew e a p o ns y s t e m s ，b u r g e o n i n g f i e l d b u sa n dc o n t r o ls y s t e m sb a s e du p o nt h ei n d u s t r ye t h e m e ta r ea l lb e l o n g e dt ot h e c a t e g o r yo fn c s s f u r t h e r m o r e ，n c s sh a v eb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nt h ea r e ao f a v i g a t i o na n ds p a c e f l i g h ta n dc o m p l e xd a n g e r o u si n d u s t r yc o n t r 0 1 a st h en c s sb r i n gu ss om u c ha d v a n t a g e ，t h e ya l s ob r i n gn e wc h a l l e n g e st ot h ec o n t r o l s u b j e c t a l lk i n d so fi n f o r m a t i o ni nn c s ss h a r et h el i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c ev i at i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gw a y 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo fn c s si si n f l u e n c e db yt h ep a c k e tt r a n s m i t t i n g r a t e ，t h el e n g t ho ft h ep a c k e ta n dt h ea d o p t i v em e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o li nt h en e t w o r k t h e r e f o r e ，n e t w o r k - i n d u c e dt i m ed e l a y , p a c k e t - d r o p o u ta n dp a c k e t d i s o r d e rw i l lb ei n e v i t a b l y b r o u g h ti n t ot h ec o n t r o ll o o pf o rt h ei n t e r v e n t i o no fn e t w o r k , w h i c hm a k e t r a d i t i o n a lr e s e a r c h m e t h o d sn o tb ea p p l i e dd i r e c t l yi n t on c s s ，a n dn e wc o n t r o lt h e o r i e sa n dm e t h o d sa r ec r i e d f o ri n v e s t i g a t i o n f i r s to fa l l ，w es u m m a r i z et h er e s e a r c ha c t u a l i t yo fn c s s ，a n de x p a t i a t eo ns o m e p r o b l e m sa r o u s e db yt h ei n t e r v e n t i o no fn e t w o r ki nn c s s ，i n c l u d et h ep o m d r i v e nf o r m ，d a t a s a m p l i n g ，n e t w o r k - i n d u c e dt i m ed e l a y , s i n g l e - p a c k e tt r a n s m i s s i o na n dm u l t i p l e p a c k e t t r a n s m i s s i o n ，p a c k e t - d r o p o u t ，p a c k e t - d i s o r d e ra n dn e t w o r ks c h e d u l i n g 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r k - i n d u c e dd e l a ye x i s t e n t si nt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si s a n a l y z e d t h ec o m p o s i n ga n dt h er e a s o nw h i c ha r o u s e sn e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a yi nt h e n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r ee x p a t i a t e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft i m ed e l a yi nd i f f e r e n t i i i 鲁东大学硕士学位论文 c o n t r o ln e t w o r k sa r ea n a l y z e d m o d e l i n go fc l o s e - l o o pn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si sg i v e n f o rt h r e et y p et i m e d e l a y i nn c s s - - - e e r t a i n t i m e - d e l a y , s t o c h a s t i ct i m e d e l a y a n d t i m e - v a r y i n gt i m e - d e l a y e s p e c i a l l y , w er e l e g a t et h es t o c h a s t i ct i m e d e l a ya n dt i m e v a r y i n g t i m e - d e l a yt o u n c e r t a i np o r t i o n so ft h es y s t e m s ，a n dm o d e lt h ec l o s e l o o pn c s sa s d i s c r e t e - t i m eu n c e r t a i ns y s t e m s w ea n a l y z et h er e a s o nw h yt h e r ei sp a c k e t - d r o p o u ti nt h en c s sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e p a c k e td r o p p i n g ，a n dt h e ne s t a b l i s ht h em o d e lo fc l o s e l o o pn c s sf o rt w ot y p e p a c k e t - - l o s sp r o c e s s e si nt h en c s s - - e e r t a i np a c k e t - d r o p o u tp r o c e s sa n d s t o c h a s t i cp a c k e t - - l o s s p r o c e s s c e r t a i np a c k e t l o s sp r o c e s si sm o d e l e da sas w i t c hw h i c hi sc u ta tc e r t a i nr a t e ，a n d t h ec l o s e - l o o ps y s t e mi sm o d e la sa na s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e mw i mr a t ec o n s t r a i n t so n e v e n t s t w o t y p e s o fp a c k e t - l o s s p r o c e s s e s a r ec o n s i d e r e d o n ei st h ea r b i t r a r y p a c k e t - d r o p o u tp r o c e s s ，t h eo t h e ri sm a r k o v i a np a c k e t d r o p o u tp r o c e s s t h em o d e l i n go f n c s s 、析t l ls t o c h a s t i cp a c k e t - d r o p o u ti sg i v e nm o r eu n i v e r s a l l y m o d e l i n g ，s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o n t r o l l e rd e s i g n a r ed o n ef o r t h en c s s 谢t l lb o t h n e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a ya n dp a c k e t - d r o p o u ts y n c h r o n o u s l y f o rt h en c s sw i t hc e r t a i n t i m e d e l a ya n d c e r t a i np a c k e t - d r o p o u tp r o c e s s ，t h em o d e l i n go ft h ec l o s e l o o ps y s t e mi sg i v e n b a s e do nt h es t a t e - f e e d b a c kc o n t r o l l e ra n dd y n a m i co u t p u tf e e d b a c kc o n t r o l l e r , s u f f i c i e n t c o n d i t i o na n dc o n t r o l l e rd e s i g nt om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m sa l ed e r i v e d d i s c r e t e - t i m eu n c e r t a i ns y s t e m sa r em o d e l e df o rt h en c s s 、析t l lb o t ht i m e - v a r i a n td e l a ya n d c e r t a i np a c k e t - d r o p o u tp r o c e s s ，s u f f i c i e n tc o n d i t i o n sa n dc o n t r o l l e rd e s i g nt om a i n t a i nt h e s t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m sa l eg i v e nb a s e do nt h et h e o r yo fu n c e r t a i ns y s t e m s m o d e l i n g o fn c s s 、析t l lt i m e d e l a y ( c e r t a i na n dt i m e v a r i a n t ) a n ds t o c h a s t i cp a c k e t - l o s sp r o c e s si s e s t a b l i s h e d ，s u f f i c i e n tc o n d i t i o n sa n dc o n t r o l l e rd e s i g nt om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l e s y s t e m sa g ed e r i v e d t h ea c q u i r e dr e s u l t sh a v em o r e u n i v e r s a ls i g n i f i c a n c e f o rn c s sw h o s es t a t e so ft h ec o n t r o l l e dp l a n ta r en o tf u l l ym e a s u r a b l e ，w ee s t a b l i s ht h e m o d e l i n go fn c s s 、i mb o t ht i m e - d e l a ya n dp a c k e t - d r o p o u tb a s e do nt h er e m o t ee s t i m a t o r w h i c hc a ne s t i m a t es t a t e so ft h ec o n t r o l l e dp l a n tt oc o m p o s es t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l e r 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 ；n e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ；p a c k e td r o p o u t ； s t a b i l i t ya n a l y s i s ；c o n t r o l l e rd e s i g n ；l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y 鲁东大学专业学位论文原创性声明和使用授权说明 专业学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：名蹭7 隰2 0 0 8 月悃 专业学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权鲁 东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：高漾 导师签名：也鸯l 乙 日期：2 0 0 8 年二月弘日 日期：2 0 0 8 年月2 日 鲁东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗透，控制系统的结 构正变得越来越复杂，空间分布也越来越广，对系统控制性能的要求也越来越高。控制 系统已由封闭的集中体系逐渐向开放分布式体系发展。集中式控制系统和集散式控制系 统都有一些共同的缺点，即随着现场设备的增加，系统的布线十分复杂，成本大大提高， 抗干扰性较差、灵活性不够、扩展不方便等。为了从根本上解决这些问题，必须采用分 布式控制系统来取代独立控制系统。分布式控制系统就是将控制功能下放到现场节点， 不需要一个中央控制单元来集中控制和操作，通过智能现场设备来完成控制和通信任 务。将计算机网络系统应用于控制系统中代替传统的点对点式的连线，使得众多的传感 器、执行器和控制器等系统的主要功能部件通过网络相连接，相关的信号和数据通过通 信网络进行传输和交换，从而避免了彼此间专线的敷设，而且可以实现资源共享、远程 操作和控制，提高系统的诊断能力、方便安装与维护，并能有效减少系统的重量和体积、 增加系统的灵活性和可靠性。这种传感器、控制器、执行器等通过实时网络构成闭环反 馈控制系统为网络控制系统，它是目前控制科学与飞速发展的计算机网络、通讯技术相 结合的产物。近十年来，网络控制问题得到了国际控制和计算机科学界越来越多的关注。 目前，很多复杂的控制系统如无线网络机器人、运输工具、远程遥操作、基于i n t e r a c t 的远程教学和实验、远程医疗、制造业设备、兵器系统以及现场总线( f i e l d b u s ) 和工业 以太网( i n d u s t r i a le t h c m e t ) 技术等，其本质上都可归结为基于网络的控制系统。此外， 网络控制系统在航空航天领域以及复杂、危险的工业控制领域也具有广阔的应用前景。 “n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g c w a l s h 的论著 中伽，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 n 钆矧；清华大学的顾洪军给出了如下的定义旧1 ：利用通讯网络实现地域上分布的现场传 感器、控制器及执行器之间的信息相互交换，以达到被控对象的实时反馈控制，这样的 一类控制系统称之为网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称为n c s ) 。网络化 控制系统最主要的结构特点是系统的反馈通过网络构成闭环。其一般结构如图1 1 所 示。 鲁东大学硕士学位论文 图i1 网络控制系统的一般结构 n c s 是集通信网络和控制系统于一体的复杂的全分布式控制系统。n c s 的优势在 于可以实现资源其享和远程分布控制，系统构建模块化、集成化、成本低，故障诊断和 维护方便、易扩展、灵活性强。n c s 充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及 节点智能化的发展趋势。然而，由于通信网络的带宽有限且为系统中个节点所共享，当 传感器、控制器和执行嚣通过网络交换数据时，数据多路径传输、多包传输、数据碰撞、 网络拥塞、网络连接中断等现象是不可避免的，这使得网络控制系统产生一些亟待研究 和解决的问题：不确定的数据传输、时变传输周期、数据传输时延、数据包丢失、数据 包时序错乱、多速率采样、节点驱动方式、时钟同步方式、信息调度算法、空采样和通 信网络拥塞等。这些问题往往使得n c s 丧失定常性、完整性、因果性和确定性。传统 的控制理论已不能直接用于n c s 的分析和设计，必须针对n c s 的特性，重新评估和建 立网络控制系统的控制理论和控制方法。 在对n c s 的研究中，涉及控制论、计算机科学、信息论、机械电子工程、软件工 程、可靠性理论等多种学科领域。其中，控制论、计算机科学和信息论是系统分析的理 论基础，而机械电子工程、软件工程和可靠性理论则是工程实现中为设计方法提供指导。 n c s 综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络通信技术和智能仪表等多 种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式信号控制的局限性，构成了一种全分 散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点通信与控制的实时反馈控制系统。 因此，n c s 的研究是一个跨越多个学科的研究领域，n c s 的分析与设计不仅涉猎控制 理论中离散、连续及混合等所有的分析方法和控制技术，还要考虑通信网络中的信息传 输技术。n c s 的性能不仅依赖于控制算法，还依赖于对网络资源的调度。n c s 的研究 鲁东大学硕士学位论文 目标既包含设计和使用通信协议以保证通信网络的服务质量，还要设计先进的控制器以 满足系统的性能指标。因此，n c s 的研究是既具有复杂性又富含挑战性的研究课题。 1 2 网络控制系统的研究现状 由于网络控制系统是控制系统与计算机网络相结合的产物，因此，目前对网络控制 系统的研究主要包含两方面的内容：一方面是针对网络自身的控制，主要是对通信网络 的网络路由、网络流量等的调度与控制；另一方面是对被控系统的控制，网络只是作为 一种传输通道，研究时考虑网络自身存在的问题对系统的影响，对整个闭环系统进行建 模、性能分析以及控制器的设计等。本文的研究主要针对后一种情况。目前对后一种情 况的研究现状又可以从三个方面来考察：不同的研究对象、不同的研究方法以及不同的 研究内容。我们对这三个方面分别进行论述。 1 2 1 不同的研究对象 针对网络环境对控制系统带来的时延、通信约束、数据包丢失及时序错乱、单包传 输和多包传输等消极影响，传统控制理论的分析与设计方法往往不能解决问题。针对这 些影响，最直观的做法就是对症下药，抓住消极影响中的主要矛盾予以解决，在一定程 度上保持原系统的性能指标。根据这个思路，网络控制系统从各个不同的侧重点得到了 广泛的研究，如以网络诱导时延为主要矛盾的实验网络控制系统、以数据包丢失为主要 矛盾的有损网络控制系统、以通信约束为主要矛盾的带约束的网络控制系统等等。 1 、时延网络控制系统 在网络控制系统中，除了控制器计算带来的延迟外，数据信号通过网络进行传输时 也会导致时间上的延迟，我们称这样的延迟为由网络诱导的延迟，简称网络诱导时延。 由于网络所采用的通信协议不同以及网络当时的承载情况不同，导致网络诱导时延呈现 不同的特性，可以是定常时延、时变时延甚至是随机时延。 ( 1 ) 定常时延网络控制系统的研究 文 3 ，7 ，1 0 ，4 3 ，4 5 ，5 2 都研究了网络诱导时延为定常时的网络控制系统。w e iz h a n g 等1 详细讨论了各种情况下网络控制系统的稳定性问题，其中包括定常时延的影响。他 在确定性系统框架内应用采样控制理论对网络控制系统进行建模和分析，将定常传输时 延分为小于和大于一个采样周期的情况分别论述，并提出了时延补偿的方案。 m o n t e s t r u q u e 等h 1 分析了定常时延影响下的网络控制系统，基于一个先验的系统模型他 们分别研究了时延网络控制系统在状态反馈和输出反馈情况下的稳定性问题。邱占芝等 n 伽考虑了同时存在定常时延和网络数据包丢失的网络控制系统的均方稳定性问题。王璐 1 鲁东大学硕士学位论文 等h 3 1 研究了含有定常时延的多包传输网络控制系统的建模问题。岳东等h 明考虑了网络控 制系统的控制器设计问题，建立了存在定常网络时延及数据包丢失的网络控制系统的模 型，并基于时延依赖的方法设计了无记忆状态反馈控制器。刘艳红等2 1 讨论了基于模型 的定常时延网络控制系统的稳定性条件。 ( 2 ) 时变时延网络控制系统的研究 有不少学者研究了网络诱导时延为时变的网络控制系统卫4 她巩旭蛳3 2 蚰同3 。刘玉忠n u 考虑了同时具有时变时延和数据包丢失的网络控制系统的建模及稳定性分析，其中对于 时变时延，将系统分解为标称部分和含时变时延的不确定性部分，基于l m i 方法闭环 系统稳定的充分条件。彭晨等乜钔建立了包含时变时延和数据包丢失的网络控制系统的模 型，将求取最大允许时延问题转化为基于l m i 方法的次优化允许等价时滞界求解问题 并提出了相应的求解方法。邱占芝等啪2 7 考虑了不确定时延网络控制系统的最优以控 制及动态输出反馈网络控制系统的鲁棒控制器设计问题。霍志红等嘲1 针对一类存在噪声 干扰的时变时延网络化控制系统，基于信息调度与控制协同设计的思想，建立了具有信 息调度和噪声干扰的时变时延网络控制系统的模型，并研究了闭环系统的鲁棒稳定性问 题。c h a n g h o n gw a n g 等啪1 主要研究了具有随机时变长时延网络控制系统的稳定性与控 制。m a r i e k ec l o o s t e r m a n 等口2 1 分析了具有时变延迟的网络控制系统的稳定性。提出了用 于对于不确定时变延迟保持系统稳定反馈控制器综合的l m i s 。e u i h e o nj u n g 等1 考虑 时变延迟网络控制系统的最优控制器的设计，基于l m i 的输出反馈控制器用于补偿时 变的网络诱导延迟，时变延迟看作是在离散时间系统的变采样时间，设计的输出反馈控 制器保证系统的稳定并减少了稳态误差。z a i p i n gc h e n 等陌羽考虑了基于观测器的具有网 络诱导时延的网络控制系统，建立了闭环系统的模型，并推导出了状态观测器的模型。 ( 3 ) 随机时延网络控制系统的研究 大部分的网络诱导时延都呈现出不同的随机特性，因此，对于随机时延网络控制系 统的研究一直是广大科研工作者的研究热点腼1 3 j 钆她2 3 3 l 矧。j n i l l s s o n 等阳1 将网络时延建 模为定常的独立随机量，这个随机量只由一个基础的m a r k o v 链来支配并设计了l q g 最优控制器。孔德明等n 3 3 考虑同时存在随机时延和数据丢包的情况，设计出了保证网络 化控制系统渐进稳定的观测器和控制器。于之训等n 明针对网络控制系统中固有的随机传 输延迟，提出了一种新颖的控制模式，实现了对存在多步随机传输延迟的网络控制系统 的数学建模，并基于所得模型，利用m a r k o v 链理论，得到了满足给定性能指标的随机 最优控制律，同时给出了求取相应m a r k o v 链状态转移矩阵的方法。李毅等啪1 讨论了具 有随机长时延的同步网络控制系统的建模问题，通过对数据包的实际到达时刻的等效化 4 鲁东大学硕士学位论文 处理，对数据包丢失或者在接收时顺序错乱等情况下的网络控制系统进行建模，得到通 用模型，在此基础上利用状态预测和动态规划设计出该系统的最优控制器。马卫国等1 研究了同时具有大于一个采样周期的随机传输时延及数据包丢失的网络控制系统的稳 定性问题及状态反馈控制器的设计。c h a n g l i nm a 等口”建立了网络诱导时延大于一个采 样周期的网络控制系统的模型，基于m a r k o v 链方法，讨论了传输时延具有m a r k o v 链 特性的情况，得到了保证系统均方指数稳定的无限时域最优控制器的设计。l i q i a nz h a n g 等啪1 考虑了一类带有随机时延的离散时域网络控制系统的稳定化问题。延迟建模为两个 m a r k o v 链，推导的闭环系统是双模型跳跃线性系统。得到了稳定化控制器存在的充要 条件，结果表明反馈控制增益是模型依赖的，运用交互l m i 方法计算状态反馈增益。 2 、有损网络控制系统 网络控制系统中的另一个问题就是数据包的丢失，数据包在网络中传输时有可能因 为节点访问失败或信息冲突而丢失。尽管许多的网络控制协议具有重传机制，但也仅仅 只能在有限的时间内重传，超过了这个时间数据包就丢失了。像t c p 等可靠的传输协 议能够保证数据包的最终传递，但这对于网络控制系统而言是不适用的，因为传输旧的 数据一般是没有意义的。对于实时反馈控制系统而言，对诸如传感器测量数据和计算的 控制信号等，丢弃旧的未传数据，传输新的有效数据可能更为有利。而且，过长的传输 延迟有时会引起数据包的时序错乱，这样当接受端接收到过时的数据时，也会将其丢弃。 因此，对于有损网络控制系统的研究是广大科研人员关注的另一个热点问题。 在对有损网络控制系统的研究中，大部分的学者是将丢包过程视为一个以一定开关 率闭合的开关。当数据成功传输时，视为开关闭合；当数据传输失败时，即发生数据包 丢失时，视为开关断开。这样，闭环有损网络控制系统就被建模为由结构事件律约束的 异步动态系统船，1 0 , 1 2 , 1 5 , 2 1 , 2 3 。另外，还有一些学者考虑了随机丢包的情况，将有损网络控 制系统建模为随机模型，用随机控制理论研究其稳定性和控制的设计晒1 3 1 7 ，坩瑚朋5 。刘 玉忠n 考虑了具有时延和数据包丢失的网络控制系统的建模与分析，对于数据包丢失 的情形，采用补偿策略估计系统的状态；对于时变的时延，将系统矩阵分解成标称部分 和含有时变时延的不确定部分，将网络控制系统建模为具有事件约束的切换异步动态系 统，并对该系统的稳定性进行了分析，得到了保持系统稳定的充分条件。宗鹤等n 町针对 网络控制系统的数据包丢失问题，提出将网络控制系统中的丢包问题看成是控制对象输 入矩阵的切换问题和控制器对象输入矩阵的分别切换问题，进而将网络控制系统看成是 由矩阵切换决定的切换率未知的切换系统，将丢包等效为切换系统中子系统之间的切 换。采用l y a p u n o v 函数方法，对每个由矩阵形式决定的子系统设计了基于观测器的状 s 鲁东大学硕士学位论文 态反馈控制器。利用l m i 的可行解给出了计算状态观测器和控制器的参数化方法。而 w o n - j o n gk i m 等h 2 1 采用模型预测控制策略对网络控制系统中存在的随机时延和数据丢 包进行了补偿。 3 、带约束的网络控制系统 很多情况下，限制网络控制系统性能的主要因素并非处理器的计算能力，而是所有 传感器、控制器和执行器分享通信介质的时间。由于带宽的有限性，在同一时刻网络只 能传递系统有限的输入输出信号，只传输部分数据的好处在于此时传输时延通常是可以 忽略的( 部分数据的通信耗时显然小于全部数据的通信耗时) ，一般我们把这种通信受限 制的网络控制系统称之为带约束的网络控制系统。 通信约束给我们带来两个问题： ( 1 ) 相对于通常系统在运行时能够得到全部的反馈数据，带约束的网络控制系统 只有部分反馈能够及时得到，那么显然其它信号丢失了，因此有可能造成系统不稳定或 系统的性能指标达不到要求，如何分析这些因素的影响及在什么条件下系统性能能够得 到某种程度的保持，是需要解决的第一个问题； ( 2 ) 一般的情况下，实际系统需要所有反馈信息的不断实时更新才可能使其正常 运转。因此在每一时刻只能得到部分反馈信息的前提下，如何设计合理的调度方法，使 全部反馈信息能够在一定的时间段内实现完全更新，并使系统满足一定的性能要求，是 需要解决的第二个问题。 关于带约束的网络控制系统以及上述的两个问题，许多文献已进行了相关研究并得 到了一定的结果。文献 5 8 对目前的研究现状作了综述。文献 2 0 ，2 1 ，2 2 ，4 3 ，5 0 ，6 1 ，6 3 主要讨论了第一个问题。其中 2 0 ，2 1 ，2 2 对于由于通信通道的限制而采用单包传输和多 包传输的网络控制系统分别进行了建模。文献 4 3 ，6 3 分别对多包传输的网络控制系统 进行了建模，文献 6 3 还研究了系统的稳定性，并给出保持系统稳定的充分条件。文献 5 0 用第二缓冲区的方法解决了数据包的时序错乱问题。分析了网络控制系统中延迟的 m a r k o v 特性，当考虑数据包的时序错乱时，给出了状态转移矩阵中元素的求值方法。 运用跳跃线性系统方法分析了n c s 的稳定性，并给出了系统随机稳定的充要条件。文 献 6 1 对受媒体访问约束的线性网络控制系统的结构性质( 可达性和客观性) 及稳定性 进行了讨论。对媒体的访问由一对周期通信序列支配，其中一个是针对控制器到执行器 路由，另一个是针对传感器到控制器路由。另外，文献 4 ，2 9 ，4 7 ，5 9 ，6 0 ，6 2 主要讨论了 第二个问题。其中文献 4 ，2 9 ，4 7 ，6 0 ，6 2 主要讨论了受限网络控制系统的控制与调度的 协同设计。文献 5 9 考虑了通过具有比特率约束的数字通信通道的连续时间不确定系统 6 鲁东大学硕士学位论文 的状态估计问题。估计的状态必须被量子化、编码且通过一个容量受限的通信通道进行 传输，提出并研究了最优和次优编码一解码器状态估计方案。 1 2 2 不同的研究方法 目前，针对网络控制系统中所采用的研究方法的不同又可以分为两个主要的方面： 确定性理论和随机理论。 从确定性理论的角度对网络控制系统进行分析和设计有很多优点，可以利用很多已 经成熟的理论分析系统的稳定性和进行控制器的设计口毛卜”j 毛埔j 邑2 1 净巩巩4 2 4 3 4 5 柏，4 也4 9 等1 。 从确定性理论的角度对网络控制系统进行分析和设计可以不考虑网络负载的影响；对于 具有确定延时和确定性丢包的控制网络，利用确定性理论对其进行分析和设计是简单有 效的。然而确定性理论也有很多缺点，状态增维方法对总延时小于一个采样周期时是非 常有效的，当总延时大于一个采样周期时，增维后系统的阶数随延时的增大而增大，以 致难以进行分析；而增加缓冲区的方法将所有的延时都转化为最大延时，降低了系统应 有的性能。 由于网络控制系统所采用的网络协议的不同，以及网络负载情况的影响，网络诱导 延时和数据包的丢失往往表现出很大的随机性，因此，可以从随机理论的角度对网络控 制系统进行深入地研究晦6 争盟巩舯3 k 脚砥慨跏。n i l l s o n 等畸1 主要分析了离散时间的网络控制 系统，进一步将网络诱导延时建模为定常的随机变量，这个随机变量只由一个基础的 m a r k o v 链来支配。由此，解决了变时延模型的l q g 最优控制问题，同时指出采样信息 的重要性是使系统的历史信息已知，如果不能得到被控对象的全部状态信息，则可以通 过最优预报和状态观测得到对象状态的全部观测值。于之训等 1 9 ，2 8 针对网络控制系 统中固有的随机传输延迟，提出了一种新颖的控制模式，实现了对存在多步随机传输延 迟的网络控制系统的数学建模，并基于所得模型，利用m a r k o v 链理论，得到了满足给 定性能指标的随机最优控制律，同时给出了求取相应m a r k o v 链状态转移矩阵的方法。 另外，还有许多学者考虑了类似的网络控制系统，并讨论了所建立随机模型的稳定性和 控制器的设计问题啪瑚3 1 眠剐。孙兰香等呦1 在被控对象为线性定常模型的基础上，建 立了一种既包含时延小于一个采样周期又包含时延大于一个采样周期的统一模型。所建 立的模型考虑了控制器的动态特性、随机噪声影响以及丢包现象，是一种离散随机模型。 朱其新等口妇在考虑系统噪声、控制器动态及输出反馈的情况下，提出多包传输、单包传 输有数据包丢失和多包传输有数据包丢失的网络控制系统的离散随机模型的统一建模 方法。李毅等乜2 1 讨论了具有随机长时延的同步网络控制系统的建模问题，通过对数据包 鲁东大学硕士学位论文 的实际到达时刻的等效化处理，对数据包丢失或者在接收时顺序错