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东北大学硕士学位论文 基于模型的网络控制系统研究 摘要 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，称为网络控制系统。网络控制系统具有系 统连线少、可靠性高、结构灵活、易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享 等优点。在具有多重优点的同时，网络控制系统自身的缺点也是明显的。由于控制 网络是分时复用的，信息只有等到网络空闲时才能发送出去，这样就不可避免地将 网络传输延时引入到控制系统中。而且针对不同的网络协议，延时可能是恒定或者 时变的，使得网络控制系统的分析和设计变得十分复杂。 本文对状态传感器通过网络连接线性控制器执行器的连续线性被控对象的控 制进行了论述。控制器使用了一个确定的模型近似被控对象动态特性，并且使被控 对象在低速网络的环境下达到稳定。稳定的充要条件根据更新时间和被控对象及它 模型的参数得出，当更新时间或者模拟误差量增加时，系统显示出不稳定性。 本文研究了当被控对象为广义系统时，基于模型的网络控制系统的运行特性。 这类网络控制系统的特点是在传感器与控制器之间添加了一个模拟模型，利用被控 对象经过网络传输后的带有误差的信息( 包括被控对象的状态量) 来对被控对象的 原始状态量进行模拟。随后建立了针对广义系统对象模型的网络控制系统数学模型。 当网络诱导时延为小于一个采样周期的常数时，对系统的稳定性进行了分析。最后， 通过一个数值算例说明了本文建模方法和稳定性分析判据的有效性。 本文还研究了传感器和执行器之间传送时间的特性。传送时间是从传感器到控 制器t 执行器之间进行信息交换的时间。作用是在系统稳定时，确定传感器和执行 器之间的最大的传送时间。主要思想是通过使用传感器提供的被控对象的实际状态， 来不断改进模型的状态从而完成信息反馈。 关键词：广义系统；网络控制系统；渐近稳定；全局指数稳定；模拟模型 i i 东北大学博士学位论文a b s t r a c t m o d e l - b a s e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h a b s 仃a c t ac l a s so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) w h e r ei nt h ec o n t r o ll o o p sa r ec l o s e d t h r o u g hc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h i sf a m i l yo fs y s t e m si sa ni n t e g r a t i o no fp l a n t s ，s e n s o r s ， c o n t r o l l e r s ，a c t u a t o r sa n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so fc e r t a i n1 0 c a lf i e l d n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sh a v ea d v a n t a g e so fl e s sw i r e s ，h j 【g hr e l i a b i l i t y , i n c r e a s e ds y s t e ma g i l i t y , g o o d f l e x i b i l i t ya n ds h a r eo fi n f o r m a t i o nr e s o b r c e s ，e l c b mn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sh a v et h e i r o w nd r a w b a c k s ，t o o t h em e d i u mo fc o n t r o ln e t w o r ki st i m es h a r i n gm u l t i p l e x i n g ，s ot h e m e s s a g e sc a nn o tb et r a n s m i t t e du n t i lt h en e t w o r km e d i u mi sf r e e g i v e nt h ep o 缸a b o v e ，t h e n e t w o r ki n d u c e dt i m ed e l a yi si n t r o d u c e di n t ot h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si n e v i t a b l y d e p e n d i n go nt h en e t w o r kp r o t o c o lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m ed e l a yc o u l db ec o n s t a n to r t i m e - v a r y i n g ，w h i c hm a k e s i th a r dt oa n a l y z ea n d d e s i g nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s i nt h i sr e p o r tt h ec o n t r o lo fc o n t i n u o u sl i n e a rp l a n t sw h e r et h es t a t es e n s o ri sc o n n e c t e d t oal i n e a rc o n t r o l l e r a c t u a t o rv i aan e t w o r ki sa d d r e s s e d s p e c i f i c a l l y ，t h ec o n t r o l l e rb s e sa l l e x p l i c i tm o d e lo ft h ep l a n tt h a ta p p r o x i m a t e st h ep l a n td y n a m i c sa n dm a k e sp o s s i b l e s t a b i l i z a t i o no ft h ep l a n te v e nu n d e rs l o wn e t w o r kc o n d i t i o n s n e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n t c o n d i t i o n sf o rs t a b i l i t ya r ed e r i v e df o rt h ep r e s e n t e ds e t u pi nt e r m so f t h eu p d a t et i m ea n dt h e p a r a m e t e r so f t h ep l a n ta n do f i t sm o d e l t h ed e t e r i o r a t i o no f b e h a v i o rw h e ne i t h e rt h eu p d a t e t i m eo rt h em o d e l i n ge r r o ri n c r e a s ei se x p l i c i t l ys h o w n m o d e l b a s e dn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s w o r k i n gc h a r a c t e r i z a t i o n sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e rw h e r et h ep l a n tt oc o n t r o li si naf o r mo fs i n g u l a rs y s t e m as i m u l a t em o d e li sa d d e d b 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 , w h i c hi sa sac h a r a c t e ro f m o d e l - b a s e dn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m s t h ee r r o ri n f o r m a t i o n , e m e r g i n gw h e nt h ec o n t r o lp l a n tp a s s e df r o mt h en e t w o r k ， i n c l u d i n gt h es t a t eo ft h ec o n t r o lp l a n t ，i su s e dt os i m u l a t et h es t a t ev e c t o r so ft h eo r i g i n a l c o n t r o lp l a n t t h e nam a t h e m a t i cm o d e lo ft h em o d e l - b a s e dn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 、v i t l la s i n g u l a rs y s t e mf o r m u l a t i o ni sc o n s t r u c t e d t h es t a b i l i t yi ss t u d i e dw h e nt h en e t w o r kt r a n s m i t t i m e d e l a yi ss m a l l e rt h a nac o n s t a n to fap e r i o do fs a m p l i n gt i m e a tl a s tan u m e r i c a l e x a m p l ei sg i v e n t os h o wt h ee f f i c i e n c yo f t h ea p p r o a c ha n dt h e o r yp r o p o s e di nt h i sp a p e r , i nt h i sr e p o r tw ew i l lc o n c e n t r a t eo nc h a r a c t e r i z i n gt h et r a n s f e rt i m eb e t w e e nt h es e n s o r a n dt h ea c t u a t o r t h et r a n s f e rt i m ei st h et i m eb e t w e e ni n f o r m a t i o ne x c h a n g e sf r o mt h es e n s o r i i i t ot h ec o n l r o l l e r a c t u a t o r o u rg o a lw i l lb et oi d e n t i f yt h em a m n m m t r a n s f e rt i m eb e t 、v e e nt h e s e n s o ra n dt h ea c t u a t o rw h i l ek e e p i n gt h es y s t e ms t a b l e t h em a i ni d e ai st o p e r f o r m t h e f e e d b a c kb yu p d a t i n gt h em o d e l ss t a t eu s i n gt h ea c t u a ls t a t eo ft h ep l a n tt h a ti sp r o v i d e db y t h es e n s o r k e yw o r d s ：d e s c r i p t o rs y s t e m ；m o d e l b a s e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ； a s y m p t o t i cs t a b i l i z a t i o n ；g l o b a le x p o n e n t i a ls t a b i l i t y ；s i m u l a t e dm o d e l 独创性声明 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，不包含其他人己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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：。2 们玎 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名 签字日期 耀7 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言弟一早jli 1 1 背景 今天，计算机技术和互联网络的飞速发展把社会的信息化进程推向了一个全新的阶 段，信息的传递与交流已经成为整个现代社会生活运作的重要基础，随着计算机技术的 迅猛发展，控制规模的日益扩大和网络软硬件的成本不断下降，及发展大规模自动化的 需要，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 ) 的问题应运而生，其理论和应用也 越来越为人们所重视。本文正是在这样的趋势下研究了线性系统的网络控制问题。 在网络连接控制器的应用方面有许多例子。一个典型的例子是航空器控制实例【”， 在这个例子中，整个航空器都采用了不同于其他控制组成部分的传感器和控制表层；另 一个例子是一个普通的按程序步骤来实现数据并且得出系统的制造业工厂的实例1 2 ，临 界点配置了许多传感器来使过程中的重要信息可以到达质量控制工程师，这些传感器通 过一个工业网络将收集的信息传递给一台中央计算机，通过构造新的控制回路使质量控 制工程师或工业工程师通过获得的网络信息来分析熏新得到的数据。在这种情况下，控 制器和执行器连接到已经存在的网络上并且分享由指定的传感器提供的数据。总之，当有 大量的分布传感器和执行器时，在控制系统中使用网络是很有效的。 1 1 1 网络控制系统概述 网络控制系统是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用，是计算机控制系统的更 高发展。目前利用网络这一媒介来交流，传递信息已被应用到各个领域中并飞速发展着， 网络以其自身方便，快捷的特点愈发受到人们的重视。在许多重要领域甚至是一些尖端 领域，如制造、电力、航天、机器人等行业中已实现了高度的自动化，但仍不能满足社 会高速发展的需要。实现更高的自动化程度需要高速稳定的信息传递、较小的空间限制 及简便的维护方式。将网络应用于这些领域连接不同的组成部分来组成控制系统不但完 全满足上述需要，而且由于网络的引入还省去了大量复杂的点对点的连线和控制器，因 而又具有了节能、节材等额外的优点。例如：在工业中，一个大型的工厂内，多条流水 线及驱动电机等分布于各处。对于这样一个多被控对象分散的控制系统，使用传统的点 对点方式进行控制，即一个控制器控制一个被控对象，将需要大量的连线及运转控制器 所需的能源，若采用网络控制方式则会大大降低建设成本，为简便维护设备奠定了基础， 提高了工厂的自动化程度，并且使宏观上的全厂控制和微观的个别子系统控制更为和 1 东北大学硕士学位论文 第一章引言 谐。 在诸多采用网络控制方式组建控制系统并有了这样或那样收益的领域中，典型的例 子就是飞行器控制系统。多种不同的传感器、控制器等分散在飞行器的有限空间内，显 然，使用网络控制方式设计其控制系统就会克服小空间的局限。另外，在制造业中各道 工序都会按前一道工序的指令来完成工作并向下道工序的设备发出指令。成千上力的传 感器被用来从关键的位子采集并发送重要的信息，应用网络控制系统，这些信息会通过 工业网被发送给中心计算机，计算机完成控制会将控制信息通过工业网发送给执行器施 加于被控对象。这样会使信息传递更为快捷从而提高生产效率。以上的这些系统都是利 用网络来进行信息交流完成控制的系统，这样的系统就是网络控制系统。网络控制系统 是一种彻底的分布式控制结构，通常在多传感器，多执行器的情况下有更好的应用。如 图1 1 为一般网络控制系统的图示【3 l 。 匪萎妻至蓦善蓦蓦蓦善誊雕蓦蓦蓦蓦蠹蓦薹懿蓦蓦毫至蓦蓦至蓦蓦蓦蓦誊l 图1 1 网络控制系统结构 f i g 1 1 s t r u c t u r eo f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具有可实现复杂大系统和远程控制、 可实现资源共享、具有高的诊断能力、交互性好、减少系统的布线、增加系统柔性和可 靠性、安装维护方便等诸多的优点。此外，通过采用无线传感器网络等无线网络技术还 可以实现广泛散布的传感器与远距离的控制器和执行器构成一些具有特殊用途的网络 控制系统，这是传统的控制系统所不能实现的。然而，网络给网络控制系统带来各种优 点的同时，也使系统的分析和设计变得异常复杂。传统的控制系统几乎都是基于同步时 钟计时的，因此要求通讯网络保证传感器、执行器和其它信号以已知固定的延时来传输 - 2 - 东北大学硕士学位论文 第一章引言 信号。虽然传统的控制系统对于设计过程中的变化是鲁棒的，但它们不允许未建模的通 信延时或传感器和执行器数据包的丢失。传统的控制系统是基于简单的通信结构：所有的 信号都在同步专用链接上传送，已知延时或最坏有界的延时且无数据包丢失。然而，在 网络控制系统中，传感器以异步的方式将信息包传输到网上，控制器接受并对数据进行 处理，然后将其发送到执行器。数据包的传输可能有时变延时，甚至丢失；通讯链接也可 能被切断或被阻塞，且其通讯能力也十分有限；传感器和执行器本身可能变得可用或不 可用；新的传感器、执行器和控制器可能被加入到该系统，并自动地进行重新配置以使 用新的资源。所有这些因素都迫切地要求发展与网络控制系统相适应的分析和设计理 论。 总之，网络控制系统的发展顺应了计算机、网络和控制技术融合的潮流，代表了下 一阶段信息革命的方向。它的出现将会大大促进控制理论与技术的发展，在实践上将能 解决复杂大系统控制和远程实时控制中遇到的技术难题；理论上可以促进控制、计算机、 微电子和通讯技术等多门学科的交叉渗透，使控制理论和技术进入一个崭新的阶段。 1 1 2 网络控制系统描述 将一个真实的物理系统实现，表示为一个抽象的数学模型，然后对模型进行分析和 求解，并利用分析和求解的结论来描述、刻画该物理系统，这一方法是近代科学研究的 基本思想之一。具体对一个实际受控系统来说，为了对它进行分析和控制，总是需要先 将该物理系统抽象为一个数学模型，比如一个线性连续系统可抽象为一个线性微分方 程： 莺( r ) = a x ( t ) + b u q ) ( 1 1 ) 其中，x ( t ) 、“o ) 和t i f f 别表示线性连续系统的状态向量、输入控制向量和时间变量。 联系网络控制系统就产生了新的问题：如何建立含有延迟信息或传输错误或二者兼 有的网络控制系统理论模型；数学模型的建立仅仅是理论研究重要的第一步，建立了有 效的模型就会出现其他新问题：网络控制系统模型的性能研究，如稳定性等；若网络控 制系统模型的性能不能满足需要，则该系统的设计问题便成为了另一个重要的研究课 题。 另外，被控对象模型为不同，则网络控制系统的模型也不尽相同。在实际应用中， 并不是所有被控对象都可以被刻画成理想的一般线性系统。随着现代控制理论研究的深 入，人们又发现了一种更具广泛形式的线性系统。一般可表述为如下的微分代数方程： e i o ) = a x ( t ) + a u ( t ) ( 1 2 ) 其中，x ( t ) r “、( f ) r 4 和t r 分别表示系统的状态向量、输入控制向量和时间变 气 东北大学硕士学位论文 第一章引言 量。矩阵e r “”，a r ，b r “，r = r a n k e 茎珂。当，= 行时，方程( 1 _ 2 ) 就退 化为方程( 1 1 ) 成为正常系统，当， t ，则称这样的网络诱导时延 为长时延。 由定义1 2 可知，长时延不是一定大于一个采样周期，而是时延的分布区间的上界 大于一个采样周期。要分析具有网络诱导时延的闭环网络控制系统，就必须要给网络诱 导时延建模，网络诱导时延可以建模成以下三种形式【4 9 】。 ( 1 ) 常数时延。 当被控过程中的时间刻度远远大于网络诱导时延时，将网络诱导时延建模成常数是 一种方便而有效的方法，此时用时延的均值或极大值进行系统分析。若被控过程中的时 间刻度不能远远大于网络诱导时延时，则不能将网络诱导时延建模成常数，否则会得到 错误的结论。另外，在一定的条件下，在源节点和目标节点分别设置一定长度的缓冲区 可以将网络中的随机时延转化为确定性时延( 常数时延) 该思想由文献【5 0 】首先提出， 但该文献未能给出具体的实现方法和实现条件，关于如何将网络中的随机时延转化为确 定性时延详见本文第四章。 ( 2 ) 随机时延，时延序列中的时延变量之间两两相互独立。 在n c s 中，网络诱导时延在多数情况下是随机的，但为了n c s 的分析和设计的方 便，常常也认为网络诱导时延序列中的时延变量之间两两相互独立，且服从某一确定的 概率分布。 ( 3 ) 随机时延，时延的概率分布由一m a r k o v 链调节。 在网络控制系统中，将网络诱导时延建成一个其概率分布由m a r k o v 链调节的随机 序列更符合网络控制系统的实际 4 9 1 ，一个简单的例子是将网络负载的三种情况：低负载、 中负载和高负载看成m a r k o v 链的三个状态。 网络诱导时延的存在会降低系统的性能甚至引起系统不稳定，因此在网络控制系统 的研究中，网络诱导时延问题受到了广泛关注5 1 6 4 。文献【5 1 】在分析了网络诱导时 延的基础上，论述了网络诱导时延的随机的和确定的补偿算法。文献 5 2 1 提出了一个洋 葱式的层模型来分析同步控制环和异步控制环中的时延。文献 5 3 1 对分布式系统中的时 间问题作了定义，即分布式系统中时间问题是指控制时延、控制周期的选择、时间抖动 ( f i t t e r ) 和瞬态误差。并对控制时延、控制周期的选择、时间抖动和瞬态误差等问题作 7 东北大学硕士学位论文 第一章引言 了详细的论述。文献 5 4 1 分析了网络控制系统中两类界面即保持最新采样界面( t h e h o l d f r e s h e s ts a m p l ei n t e r f a c e ) 和变位率界面( t h ev a r i a b l eb i t - r a t ei n t e r f a c e ) 下的时延模型， 并分析t 两种界面情况下的时延特性。文献【5 5 】研究了通过局域网反馈的网络控制系统 的时延补偿方法，给出了通过s m i t h 预测器消除网络诱导时延影响的方法，并指出长的 时延对局域网嵌入式控制系统的稳定未必都有害。文献 5 6 6 0 分析了时间抖动的减小方 法以及时间抖动对系统性能的影响。文献【6 1 】研究了c a n 中的响应时间问题，文献 6 2 】 利用微积分学研究了网络时延问题，并定义了用以建立通讯网络模型的几个网络元素， 且强调指出利用网络中的调节器元素( r e g u l a t o re l e m e n t s ) 可以减少最大网络时延。文 献【6 3 】分析了a t m 网络中的响应时间，并提出了一种a t m 网络中的响应时间的分析方 法。文献【6 4 】建立了网络控制系统中的时间抖动的数学模型，分析了时间抖动对系统性 能的影响。 1 2 1 4 丢包 在网络控制系统中，控制信号的丢包可以划分为两类：主动丢包和被动丢包。所谓主 动丢包，就是在一些网络的拥塞控制算法里面，有时有目的丢失掉一部分数据包来防止 网络阻塞，这些数据包往往是一些非实时数据。所谓被动丢包，就是当数据包超过了允 许重发的时限而发生的丢包。丢包对系统的性能是一柄双刃剑。一方面，对于主动丢包 而言，丢失过时的信息，始终发送最新的数据，不进行信息的重发，这样有利于最新信 息的利用，保证信息的实时性。另一面，被动丢包使数据和通讯的延时加剧。更糟糕的 情况是，数据包可能发生连续丢失，系统不能立即恢复正常，时序样本不能准时到达， 这样便产生了空采样的问题；如果控制器不能在传感器产生新样本之前及时得到样本， 在无缓存区的情况下，旧的样本将被覆盖，这样便产生了样本拒绝问题。一般而言，反 馈控制的被控对象只能容受定比例的丢包，对于本来没有丢包的系统当丢包率达到一 定值时，系统将变得不稳定1 5 。 1 2 1 5 通讯约束 在网络控制系统中，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。 如何在保证系统稳定或一些其它性能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，这个问题可以分为位速率约束和信息速率约束的控制。 位速率约束问题存在于拥有有限字长和常被噪声干扰的网络中。因而，确定传感器 采用何种编码发送数据，控制器如何进行解码以及需要多快的通讯速率( 这里指的是位 速率，即每秒或每个时间步可传送的位数) 就显得十分重要1 6 1 。 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，这是在假定网络无 8 东北大学硕士学位论文 第一章引言 限精确以及忽略由有限字长导致的量化误差前提下提出的1 7 。由于通讯序列的不同组合 表明了控制器所能获得的不同系统输出，因此系统的整体性能也会有所差异。对给定的 被控对象和通讯资源，寻找最优的通讯序列以及在最优通讯序列下的最优控制器，是通 讯约束下系统分析和设计必须要考虑的问题”。 1 2 2 网络控制系统常用控制方法分析 近几年，在工业控制系统中，大量使用了用网络作为媒介连接控制系统中各组成部 分的方法。例如在大规模被控对象和地理学计算机分布系统中，数字和不同的控制子系统 的位置决定了控制系统之间不可能使用单线连接【7 】。另外，系统用网络传输信息的一个 非常理想的目标就是维护简单和灵活。系统的设计方法是：当结构发生错误时，通过改 变信号和使用其它的系统来简化控制策略，并且一般都配有高水平的管理员来控制整个 被控对象。 从控制理论的角度来看，传统的控制理论在对系统进行分析和设计时，往往做了很 多理想化的假定，如信息在网络中传输正确无误：计算延时远远小于采样周期：网络通信 没有过载；输出观测值或控制输入的大小都打包成单个的数据信息等。而在网络控制系 统中由于控制回路中网络的存在，上述假定通常是不成立的。因此，传统的控制理论都 要重新评估后才能应用到网络控制系统中。研究网络控制系统的主要分析思路是基于采 用的网络通讯协议和网络结构，把网络延时、丢包、通讯约束等因素考虑在内，研究网 络控制系统的稳定性及动态性能。 1 2 2 1 随机最优控制 文献 1 2 】提出了一种基于循环服务网络的控制系统分析方法，这种方法的核心思想 是增广确定性离散时间模型。在这种方法中，通过将线性被控对象转换成文献 1 3 1 0 0 描 述的离散时间方程，再将其与设计的线性控制器组合在一起并重新排列成一个增广状态 空间方程，通过讨论采样周期来分析对网络控制系统稳定性的影响，适当选择时间偏差 。来改善网络控制系统性能，增广确定性离散时间模型结构简单，并且易于应用于周 期网络延时的网络控制系统中。而且，这种方法通过适当地修改可以用来支持文献 1 4 1 提到的传感器和控制器多速率采样情况下的系统分析。文献 1 5 ，1 6 研究了当传感器和控 制器启动时存在时间偏差。时的随机调节器问题。当计算控制信号时，新的传感器值 到达控制器的概率p k ” 。，则说明是在新的测量数据未 知的情况下对控制信号进行计算。当控制信号到达执行器节点时，执行器节点立刻对控 制信号进行d a 转换。把延时后的控制信号归入增广对象模型中状态，推导出了离散的 增广被控对象模型：。= 4 坼- 4 - 反，式中4 和玩为具有随机特性的矩阵。文中设计 9 东北大学硕士学位论文第一章引言 了系统的随机l q 最优控制器，对于在所有的状态不可测的情况下如何构造状态估计器， 文中也进行了研究。同时设计的随机l q 最优控制器与最小方差估计器结合起来，设计 了短延时情况下网络控制系统的延时补偿l q g 控制器，即d c l q g 。由于存在乘性不 确定性，d c l q g 不满足分离定律。t s a ia n dr a y ( 1 9 9 7 ) 考虑了1 c c s 的传感器和控制 器存在时间偏差。的情况下，设计了短延时的i c c s 的一种线性二次耦合延时的补偿 器，即l q c d c 。对于l q c d c ，状态反馈和状态估计是不满足分离设计定理。 文献 1 7 1 分析了离散时间域上的网络控制系统最优控制问题。通过运用随机稳定性 分析对独立延时的网络系统稳定性给出了一个修正的控制策略。在分析的过程中，假定 网络延时f = f ”+ f “ 0 ；p = 1 一口是丢包率。如果 l m a x “0 ) o 和m ，7 p 中，s s - 2 p ，硝。是待定的标量，p 是待定的l y a p u n o v 函数矩阵。 上述条件是有关p 和l o g a ，的二次线性矩阵不等式条件，能够通过v k 迭代算法 东北大学硕士学位论文第一章引言 求解。文献【3 1 ，3 2 】也将网络控制系统建模成信息速率约束的a d s ，基于l m i 和遗传算 法给出了保证系统二次稳定的数值分析方法，同时将该方法用于具有数据报丢失的网络 控制系统的分析。文献 3 3 1 对传感器和控制器、控制器和执行器之间通讯链路上存在随 机延时和或报文丢失的网络控制系统进行了研究。 文中考虑的是离散被控对象x 酶+ 1 ) = 4 x 0 ) + b o ) ，控制律“g ) = 足。忙) x g 一_ 亿) ) 是m a r k o v 模式依赖的状态反馈控制器，k ) ) 是有界的随机整数系列且0 d ， 伍) + 1 ) = “ 该模型兼顾了网络延时和丢包，如：j i 表示网络中的报文丢失；，= i + 1 表示更大 的网络延时；i i 表示网络延时恒定。文中通过将系统建模成l v i a r k o v 跳变线性系统， 并应用矿一x 迭代的方法设计了开关型和非开关型控制器。文献 3 4 也将具有丢包的网 络控制系统建模成m a r k o v 跳变系统，结合u a v ( u n m a r m e da e r i a lv e h i c l e s ，简称为 u a v ) 的协调控制研究了丢包率对系统性能的影响。 文献【5 】将完全状态反馈中具有一恒定延时的网络控制系统建模成： 坶? 血( f ) 一麟( f ) ，f e k h + f ，( ) m ( 1 i 圣( f + ) = x ( 卜f ) ，t k h + r ，k = o ，1 2 】 式中：h 是采样周期。延时状态x o r ) 的轨迹可以通过求解x ( f ) 和如) 。 踯一= f e a h 。可1 落南咖一 最大容许延时 ( 1 1 2 ) 描竺o k “= 0 嬲1 2 + ) = z ( 卜) ，r 以， “ 此时，时变的采样周期玩= r 。一。系统的指数稳定性为如下一个l m i 条件： h r 慨，“胞魄，t ) 一p 0 文献【5 】还从开关系统的角度研究了网络控制系统中的多包传输问题。 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 2 2 4 鲁棒控制 鲁棒控制方法的一个优点在于没有必要知道网络延时的先验信息。文献【3 5 采用鲁 棒控制理论在频域上设计了种网络化控制器。文中把分布式的网络延时f ”和r “同时 建模成乘性摄动，并假定f ”和f “都有界且能近似成流体流动模型。网络延时描述为： r = 寺( 。+ 。) + 寺( f 。一r m j ) 8 ，一l 占1 ， 22 ( 1 1 5 ) = ( 1 一口) 。+ 口f m 。玩0 口妄， 式中：f 表示f “和f “，f 一是f 的上确界，f 。是f 的下确界；口和j 是由应用 决定的实数。等式( 1 1 5 ) 的第一项是恒定延时，而第二项是不确定延时。则： e 。错高妾2 卅州馘 、l + s ( 1 一口) m 。“ ”、。” 、 式中：是扰动函数；既( s ) “i 石赫是由不确定延时导致的乘性不确定加权。 文中进一步采用1 综合方法设计了鲁棒控制器，并在实际的网络环境中用二次线性方法 进行了离散化处理。为了获得机器人应用中的最大容许误差，文中给出了一种应用于具 有a t m 网络q o s 的鲁棒控制方法。文献【1 9 】也采用综合方法设计了鲁棒控制器，该控 制器能使系统在一定的延时范围内保持稳定。文献 3 4 将可能存在的输出丢包的网络控 制系统建模成- - m a r k o v 尉b 变系统，给出了系统的日。控制。文献 1 1 研究了通讯约束下 网络控制系统的最优风控制问题，给出了日。性能与通讯系列之间的寻优算法，文献 3 6 】 在兼顾了不确定网络延时和丢包的情况下将网络控制系统建模成线性离散切换系统，提 出了网络控制系统的鲁棒稳定性和扰动衰减性能分析。 1 2 2 5 智能控制 文献 3 7 - 3 9 采用模糊逻辑给出了一种补偿网络延时的智能p i 控制器；文献 4 0 应用 遗传算法和模糊逻辑对p r o f i b u s d p 网络环境下网络控制系统的控制器进行了设计和仿 真实验，证明了这两种控制器对于网络延时的鲁棒性；文献 4 1 - 4 z 采用增益规划中间件 的方法实现了现有控制器平滑至网络控制和遥操作环境下控制器；文献【4 3 研究了m 网 络环境下p i 控制器的增益规划问题。 1 2 2 6 容错控制 文献 4 4 4 5 研究了基于t t p c 通讯协议的容错网络控制系统的建模问题；文献 4 6 研究了网络控制系统的故障诊断和容错控制问题，探讨了各种网络延时下的故障检测、 故障分离、容错控制，以及干扰解藕、噪声消除、稳定性分析等问题。 1 4 东北犬学硕士学位论文 第一章引言 1 2 2 7 基于模型控制 文献【6 5 】将网络建模成具有固定采样周期h 的连续被控对象，同时给出了被控对象 模型，雪j ，该模型给出状态估计量，为此，控制输入为材o ) = 詹b ) 。实际被控对象和其 模型的状态误差e ( f ) = x ( ，) 一谁) 用于增广状态向量，传感器附属在被控对象上并与执行 器通过网络进行连接。这样建模的出发点是仅把测量的状态向量通过网络周期性地传 送，从而大大减小网络化系统对通讯带宽的要求。文中基于下列网络控制系统模型给出 了系统稳定性的充要条件： 珊a + b k j + g t c 篇糊l e 满足瞄( t k ”0 ，l o ( f ) jj 一歙i ( r ) j “l p ) 爿j v t 【t k ，t k + 1 ) ，k t l t i ；h ( 1 1 7 ) 矩阵模型五= 彳一j ，雪= b 一台，文中对完全状态反馈和部分状态反馈的系统性能进 行了分析，并讨论了离散情况下的系统稳定性：文献【6 6 】研究了状态反馈、输出反馈、 网络延时和离散情况下的基于模型的网络控制系统；文献 6 7 】进一步将上述方法推广到 了具有随机延时的情况下，讨论了几乎处处和均方稳定性条件。与文献6 5 6 7 假定更新 次数厅忙) = r 。- t t 恒定不同，文献【6 8 假定更新次数矗( ，厅一) 具有随机时变特性， 同时假定h 。的统计特性未知，文中采用l y a p u n o v 方法分别讨论了具有独立同分布和 鬼具有m a r k o v 特性这两种情况下的渐近和均方稳定性。 1 3 本文的主要工作 本文针对线性连续的被控对象，研究了基于模型的网络控制系统的建模、分析和稳 定性问题。全文的内容安排如下： 第一章为全文的绪论部分。第一节介绍了本文的研究目的与意义，概述了网络控制 系统的研究背景；第二节综述了网络控制系统的研究现状，扩充和完善了网络控制系统 中的基本问题，提出了网络控制系统中的时延的概念；对网络控制系统中节点的两种驱 动方式( 时钟驱动和事件驱动) 作了比较；简短的说明了网络控制系统中的一些基本问 题，对常用的控制方法给出了简明的分析；第三节介绍了本文的主要工作。 第二章对于线性连续的被控对象，研究了基于模型的网络控制系统的建模和稳定性 问题。第一节为引言部分，阐述了基于模型的网络控制系统研究背景以及各类研究方案 的规划和分析；第二节叙述了构成此类问题的基本原理，建立了系统模型；第三节研究 系统的稳定性，给出了系统全局指数稳定的充要条件；第四节设计了使被控对象状态稳 定的控制器；第五节对稳定的充要条件中测试矩阵的特征值进行了分析；第六节针对一 维被控对象作具体的计算，给出实例仿真。 1 5 东北大学硕士学位论文第一章引言 第三章研究了基于广义系统模型的网络控制系统模型。第一节为引言部分，简述了 广义系统：第二节建立了状态反馈系统模型：第三节建立了输出反馈系统模型；第四节 给出了带有辅助设备的广义系统模型。 第四章研究了基于广义系统模型的带有辅助设备的网络控制系统的稳定性问题。第 一节为引言部分，介绍了广义系统稳定性的有关概念；第二节研究了带有辅助设备的网 络控制系统模型的稳定性问题；第三节对具体的实例设计了控制器，给出稳定性结论。 最后，还研究了传感器和执行器之间传送时间( 从传感器到控制器1 执行器之间进行信 息交换的时间) 的特性，在系统稳定时，确定传感器和执行器之间的最大的传送时间， 降低了对控制网络的网速和带宽的要求。 第五章是总结与展望。 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章基于模型的网络控制系统分析与建立 第二章基于模型的网络控制系统的分析与建立 本章研究了基于模型的网络控制系统和稳定性问题。对状态传感器通过网络连接线 性控制器，执行器的连续线性被控对象的控制进行了论述。控制器使用了一个被控对象模 型，这个模型近似于被控对象动态系统并且使被控对象在低速网络的情况下可以稳定。 稳定的充要条件根据更新时间和被控对象和它模型的参数得出。当更新时间或者模拟误 差量增加时，这个系统就显示出不稳定性。 将控制器和执行器通过独立结点连接在一起，而网络是在传感器和控制器或执行 器的结点之间。假设控制器和执行器是合理并存的，这样嵌入式的微处理器通常被合并 入执行器，来处理通过网络收到的数据并且执行命令。 本章还研究了传感器和执行器之间传输时间的特性。传输时间是传感器和控制器 执行器之间信息交换的时间。因此，传输时间的倒数是传感器发送信息到执行器的频率， 研究目的是在保持系统稳定的条件下，确定传感器和执行器之间的最大的传输时间，这 将降低网络需求的带宽并且为其做其它测试，如控制器使用网络和或非控制的信息交 换。可以用动态系统的知识来增加传输时间，在控制器，执行器旁边使用被控对象模型， 传感器推迟传送数据，一直到系统模型能够提供一个被控对象动态系统的近似值，因此 在控制器执行器上面使用被控对象模型，使其重新构造被控对象的功能。主要思想是 通过使用传感器提供的被控对象的实际状态，来不断改进模型的状态完成信息反馈。 2 1 问题的提出 研究一个网络控制系统的主要问题是每一个子系统需要很大的带宽。传统的控制反 馈路径使传感器信息可连续的到达控制器。工业控制器通常在传感器到控制器之间用导 线连接，带宽的大小和系统的动态响应速度是密切相关的，系统的动态响应越快，所需 的带宽就越大，这样使得控制信号大量的传输，从而达到被控对象和控制器之间的信息 连续交换。 本章中考虑由传感器和控制器组成的一个系统，通过网络将传感器和控制器连接起 来，其中网络是该系统的反馈路径。数据网络限制带宽并用离散的时间结构传输数据， 这使设计网络控制系统的工作更有挑战性。为了克服带宽的限制，文献 6 9 1 弓l 入了最小 集中控制概念，使时间和状态反馈不依赖于控制规则，这可以看作是开环和闭环控制的 一种折中方法。既然网络是反馈路径，那么开环控制就没有反馈带宽限制，但是网络在 减少稳定状态误差，抵制噪音和干扰，减少系统参数变化的灵敏性方面存在一定缺陷。 1 7 东北大学硕士学位论文 9 5 - - - 章基于模型的网络控制系统分析与建立 开环控制十分不可靠，闭环控制则有很好的稳定性，但是闭环控制则需要大量的带宽。 文献 7 0 】研究了无限维随时间变化的离散的、初始条件未知的系统问题。控制器通 过网络来控制被控对象。传感器到控制器执行器之间发送信息需要用一组特定的有限维 符号。传感器提供一个编码器，在每个采样周期内传递信息给控制器执行器。传递过程 中忽略信息到达目标的时间，并且假设数据不丢失，使得满足初始条件的概率密度函数 中，在第m 个输出时刻，当且仅当编码器和控制器满足某些初始条件和一些动态系统常 数时，被控对象是渐近稳定的。 文献【7 1 】为一个l t i 离散系统设计了一个离散控制器和数据评估方案，得出运行在离 散周期和状态离散值中的一个最优化的控制器和状态评