（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统稳定性分析.pdf

摘要 摘要 网络控制系统是指通过计算机网络将传感器、激励器和控制单元作为网络结点 连接起来共同完成控制任务的系统，其主要特点在于反馈控制系统中的控制回路是 通过网络信道连接而形成闭环的。 网络控制系统的控制模式不再是传统的点到点的连接，而是传感器、激励器和 控制器作为结点直接连到网络上现场总线、高速以太网及公共通讯网络技术的快 速普及，传感器、执行器和机电变换装置的数字化加快，以及复杂系统控制理论的 发展催生了网络控制系统。网络控制系统除具有明显的工程意义外，理论上也富挑 战性，呈现出许多传统控制系统未曾遇到的问题，如信息传输时延( 时延是不确定 ，( 随机性) 和时变的) ，传输通道的拥塞引起数据时序的错乱和丢失，这些极大地激 发了人们对网络控制系统的研究热情，使其迅速成为控制界最受关注的领域之一 本论文涉及网络控制系统的研究工作如下： ( i ) 在m o n t e s t r u q u e 提出的基于模型的网络控制系统基础上，针对网络传输延迟 和采样周期非固定的系统，建立了相应的基于模型的带观测器输出反馈网络控制系 统的模型。若网络传输延迟小于最小采样周期，则认为无数据包丢失，若网络传输 延迟大于某一时刻的采样周期，则认为数据传输失败( 丢包) ，分别针对无数据包丢 失和有数据包丢失的情况，对基于模型的网络控制系统进行了稳定性分析，分别给 出了闭环系统渐近稳定的充分条件； ( i i ) 针对遭受白噪声干扰的随机网络控制系统，已知其数据传输丢包概率，考 虑其均方意义下的稳定性；在确保控制系统均方稳定的前提下求取其最大允许丢包 概率，并给出计算数据包最大丢失概率的算法。 论文各章节主要内容如下： 第一章对网络控制系统的发展做了简单综述。第二章总结了基于模型的网络控 制系统以及有外部扰动的广义网络控制系统的发展现状，给出了线性网络控制系统 的一些预备知识第三章分别针对无数据包丢失和有数据包丢失的网络控制系统， 利用李亚普诺夫稳定性理论，分析了基于模型的网络控制系统的稳定性，分别给出 了系统渐近稳定的充分条件。第四章对遭受白噪声干扰的随机网络控制系统，在仅 有数据包丢失而无网络传输延迟时，给出了在确保系统均方稳定前提下的最大允许 丢包概率算法。第三章和第四章在对理论结果进行了深入分析后，都分别给出了实 例验证了理论的正确性。第五章对论文的研究工作进行总结，并提出进一步继续研 究的问题。 关键词：网络控制系统网络传输延迟数据包丢失渐近稳定均方稳定 a b s t r a c t a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n 仃o ls y s t e m s ( n c s s ) a r es y s t e m st h a ts e n s o r s ，a c t u a t o r sa n d c o n t r o l l e r si m p l e m e n t e da st h en e t w o r kn o d e sb yac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 1 1 l em a i n c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o ls y s t e mw i t hf e e d b a c kc o n t r o ll o o pi st h a tt h el o o p s c o n n e c t e dt h r o u g ht h en e t w o r kc h a n n e l n ec o n t r o lm o d e lo ft h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mi sn ol o n g e rt h et r a d i t i o n a l p o i n t - t o - p o i n tc o n n e c t i o n s ，b u ts e n s o r s ，a c t u a t o r sa n dc o n t r o l l e r sa st h en o d e sd i r e c t l y c o n n e c t e dt ot h en e t w o r k n er a p i dp o p u l a r i z a t i o no ft h ef i e l d b u s ，h i g h - s p e e de t h e m e t a n dp u b l i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h er a p i dd i g i t a ld e v e l o p m e n to ft h e s e n s o r s , a c t u a t o r sa n de l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s f o r m a t i o nd e v i c e s ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m p l e xt h e o r yo fc o n t r o ls y s t e mp r o m o t e dt h ef o r m a t i o no fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m i na d d i t i o nt ot h eo b v i o u s l ye n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e ，t h et h e o r yo ft h en e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e mi sa l s oc h a l l e n g i n g t h cn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sh a v em a n yp r o b l e m s t h a tt h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m sh a v en o te n c o u n t e r e d ，s u c ha st h ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nd e l a y ( d e l a yi su n c e r t a i n ( r a n d o m n e s s ) a n dt i m e v a r y i n g ) ，t h ed i s o r d e ra n d d r o p p i n go ft h ed a t as e r i e sc a u s e db yt h ec o n g e s t i o no ft h et r a n s m i s s i o nc h a n n e l s ，a l l t h e s eh a v eg r e a t l yi n s p i r e dp e o p l e se n t h u s i a s mo ft h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，a n di t i s r a p i d l yb e c o m i n go n eo ft h ea r e a so ft h em o s tc o n c e r no ft h ec o n t r o la r e a f o rt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e rr e l a t e st ot h ef o l l o w i n gs t u d i e s ： ( i ) o nt h eb a s i so ft h em 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 mp r o p o s e db y m o n t e s t m q u e ，w ea n a l y z et h es y s t e m 、析t hn e t w o r kt r a n s m i s s i o nd e l a ya n dn o n - f i x e d s a m p l i n gp e r i o d ，a n dg i v et h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l b a s e do u t p u tf e e d b a c kn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e mm o d e lw i t ht h eo b s e r v a t i o n s i ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nd e l a yi sl e s st h a n t h em i n i m u ms a m p l i n gp e r i o d , w et h i n kt h a tt h e r ei sn od a t ap a c k e td r o p p i n go c c u r r e d , i f t h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nd e l a yi sm o r et h a nt h es a m p l i n gp e r i o do ft h a tm o m e n t , w e t h i n kt h a tt h ed a t ad r o p p i n gi so c c u r r e d a g a i n s tt h ed i f f e r e n tt y p e so fm o d e l b a s e d n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hn op a c k e td r o p p i n ga n dp a c k e td r o p p i n g ，w ea n a l y z et h e s t a b i l i t ya n dg i v et h es u f f i c i e n tt e n d i t i o n so f t h ea s y m p t o t i c a l l ys t a b l ef o rt h ec l o s e d - l o o p s y s t e m ，r e s p e c t i v e l y ； ( i i ) a g a i n s tt h er a n d o mn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m 州廿1w h i t en o i s ed i s t u r b a n c ea n d k n o w nd a t ap a c k e td r o p p i n gp r o b a b i l i t y , w ea n a l y z ei t sm e a ns q u a r es t a b i l i t y ；i ne n s u r i n g t h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，w ea n a l y z ei t sm a x i m u ma l l o w a b l ep a c k e td r o p p i n g p r o b a b i l i t y , a n dg i v et h ea l g o r i t h mt og e tt h el a r g e s tv a l u eo ft h ed a t ap a c k e td r o p p i n g p r o b a b i l i t y m a i nr e s e a r c hr e s u l t sp u b l i s h e di nj o u r n a lo fq i n g d a ou n i v e r s i t y ( e n g i n e e r i n g & t e c h n o l o g ye d i t i o n ) t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： c h a p t e rlg i v e st h es i m p l er e v i e wo f t h ed e v e l o p i n go ft h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m m 青岛大学硕士学位论文 c h a p t e r2s u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h em o d e l b a s e dn e t w o r k e dc o n t r o i s y s t e m ，a sw e l la sg e n e r a l i z e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mw i t he x t e m a lp e r t u r b a t i o n s ， g i v e ss o m ep r i o rk n o w l e d g eo f t h el i n e a rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m c h a p t e r3a i m sa tt h e n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mw i t hn od a t ap a c k e td r o p p i n ga n dp a c k e td r o p p i n gr e s p e c t i v e l y , a n a l y z e st h es t a b i l i t yo ft h em 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 mb yu s i n gl y a p u n o v s t a b i l i t yt h e o r y , a n dg i v e st h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n so ft h ea s y m p t o t i cs t a b i l i t yo ft h e c o n t r o ls y s t e mr e s p e c t i v e l y c h a p t e r4a g a i n s t st h er a n d o mn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m w i t hw h i t en o i s ed i s t u r b a n c e ，d a t ap a c k e td r o p p i n gp r o b a b i li t yo n l yi nt h en e t w o r k t r a n s m i s s i o na n dw i t h o u tt i m ed e l a y , g i v e st h ea l g o r i t h mt og e tt h em a x i m u ma l l o w a b l e p a c k e td r o p p i n gp r o b a b i l i t yi ne n s u r i n gt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m c h a p t e r3a n d4g i v e t h er e s u l t so fi n - d e p t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dg i v ee x a m p l e sd e m o n s t r a t i n gt h e c o r r e c t n e s so ft h et h e o r yr e s p e c t i v e l y c h a p t e r5s u m su pt h er e s e a r c hw o r k s ，a n d p r o p o s e st h ep r o b l e m st h a tw i l lc o n t i n u et os t u d yi nf u r t h e r 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 ；n e t w o r kt r a n s m i s s i o nd e l a y ；p a c k e td r o p p i n g ； a s y m p t o t i c a l l ys t a b i l i t y ；m e a n = s q u a r es t a b i l i t y 术语、符号及缩略语 术语、符号及缩略语 况 孵” z 彳r s 五( ) 厅( ) i i o e x e 似t ) 气 h ( k + 1 ) = t k + l t k k i 。 r ( f ) ( f ) ( f i f ) 毛( ) 口( f ) 4 ，乓，c p ，d p ，瓦，c m ，巩 工 k 五= 毛一 屯= 毛一x d z ( f ) = 【x j u ) ，( f ) ，6 2 r ( t ) ，矸( f ) 】t 口 ：实数域 ：刀维实线性空间 ：非负整数集 ：矩阵4 的转置 ：s c h u r 稳定矩阵全体 ：某一矩阵的第，个特征根 ：矩阵的最大奇异值 ：绝对值或方阵的行列式 ：矩阵k r o n e c k e r 积 ：随机向量x 的均值 ：零均值向量x 的方差阵 ：第k 拍采样时刻 ：采样周期 ：采样周期下界 ：采样周期上界 ：网络传输延迟时间 ：被控对象的输出 ：t 时刻观测器输出的状态 ：推演器接收到的状态( 滞后r 时刻) ：推演器输出的状态( 估计值) ：反馈控制 ：被控对象的系数矩阵 ：模型的系数矩阵 ：状态观测器增益矩阵 ：状态反馈增益矩阵 ：状态估计值与内部模型之间的误差 ：输出观测状态与状态估计值问的误差 ：系统全状态 ：系统的系数矩阵 v 青岛大学硕士学位论文 t i m 屯= x ( k t ) m = w ( k r ) 仇 p p m “ ：更新时刻 + 。无限小之前 ：更新时刻+ 。- - f 无限小之前 ：k 拍状态向量 ：k 拍干扰噪声向景 ：反映数据包丢失的随机数 ：数据包丢欠概率 ：数据包最人丢失概率 独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下所取得的研究成果。凡文中 涉及到非本人成果均已标注出处或得到许可，此外不再包含其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果，也不包含本人已用于申请其他学位的论文内容或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：南砾l 历 日期：加9 年月店日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用该学位论文内容或与该论文直接相关的成果时，署名单位仍然为青岛 大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：诵鼬脊 日期潍钼钿 导师签名：义弘彳趴日期，俨月7 日 【本声明的版权归青岛大学所有，未经许可任何单位剧任何个人不得擅自使用) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 二十世纪八十年代，在计算机控制系统中占主导地位的是直接数字控制系统。 八十年代中期以后，控制系统已经向着c i m s c i p s ( 计算机集成制造系缈计算机集成 过程控制系统) 方向发展，实现生产管理的全局优化，最大限度地提高生产力。工业 控制系统作为c i m s 系统重要组成部分，也随着企业管理模式的不断变化而得到发 展，而工业控制仪器、仪表已经从模拟量向数字量、智能化，由单台独立工作向网 络化转化。 计算机网络技术在九十年代得到迅猛发展，控制系统最开始采用的是封闭的集 中式体系，随着控制和管理要求的不断提高，开始向开放的分布式体系加速发展， 并引起了控制领域的深刻变化，逐步形成网络化、全分布、全开放的自动控制体系 结构。 进入二十一世纪，自动化与工业控制技术的不断发展需要通信与网络技术更深 层次的渗透。现代工厂与智能设备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间里， 其问的通信需要数据通讯网络来实现，这是网络环境下的控制系统；同时，通信网 络的管理与控制也要求更多的采用控制理论与策略。原有的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，系统布线将变得十分复 杂，成本大幅提高，抗干扰性变差，灵活性不够，扩展不方便，维护比较困难等。 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，而是通过智能现场设备来完成控制和通信任务。 分布式控制系统又可以分为现场总线控制系统( f c s ) 和网络控制系统o n c s ) ，现 场总线控制可以看作是网络控制系统的初级阶段，它们在网络结构上没有什么区别， 都是总线网络，多个节点共享信道传输实时或非实时数据。但是，从定义上看，现 场总线控制系统侧重的是节点之间实时或非实时信息的传输和共享，而网络控制系 统强调的是在串行实时总线上建立闭环控制回路。因此，相对现场总线控制系统来 说，网络控制系统更要求网络的实时性，而网络结构更加分散。网络控制系统中的 控制网络是一个广义的范畴，包括了现场总线，但不局限于此，还可以包括工业以 太网、无线通信网络、甚至i n t e r a c t ，这也是与网络技术的发展相适应的工业控制 系统朝着分散化、网络化、智能化的方向发展，而分布式控制系统适应了这种发展 方向，给自动化系统的最终用户带来更大的实惠和方便，促进了自动化仪表、集散 控制系统d c s 、可编程控制器p l c 等产品在体系结构和功能方面的重大变革，引起 了工业自动化产品的又一次更新换代，因而网络控制系统成为自控技术的研究热点 青岛大学硕士学位论文 之一。 网络控制系统( n c s ) 是指通过计算机网络将传感器、激励器和控制单元作为 网络结点连接起来共同完成控制任务的系统，其主要特点在于反馈控制系统中的控 制回路是通过网络信道连接而形成闭环。网络控制系统的控制模式不再是传统的点 到点的连接，而是传感器、激励器和控制器作为结点直接连到网络上。网络控制系 统是复杂控制系统和远程控制系统的客观需求。 与传统意义上的控制系统相比，网络控制系统有助于控制与维护的分布化和智 能化，可以人火减少系统的连接线路，节约系统集成的成本，实现资源共享，具有 便于系统安装、维护、扩展和故障诊断等优点。此外，它还支持多种网络拓扑结构、 鲁棒性好，有助于系统的稳定；各个智能结点能够实现真正的分布式控制。由于其 所具备的优点，在工业控制系统中，利片j 网络作为媒介来连接系统的各部分在多方 面有应用，例如分布式工业控制、智能交通系统、多智能机器人、飞行器控制、无 人驾驶飞行器、多智能系统等等。总之，当有大量的分布式传感器与激励器时，将 网络应用于控制系统是非常有利的。 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。网络控制系统的出现大大促进了控制理论与技术的发展，在 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；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一2 门。 1 2 网络控制系统描述 1 2 1 系统结构 网络控制系统的概念， n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”，最早出现在1 9 9 8 年马里 兰大学g c w a l s h 的论著中用图示说明了网络控制系统的结构，在该系统中控制 器与传感器通过串行通信形成 j 1 环，但未给出明确的定义。图1 i 所示即为一个典 型的网络控制系统的结构，系统中的传感器节点与控制器节点以及控制器节点与执 行器节点，在进行数据传输之前都需要建立网络连接，通过网络进行不同节点之间 信息的相互交流。 图1 1 所示的网络控制系统中，被控对象为连续时问对象，控制器为一数字控制 器。被控对象通过传感器将数据信息传递给控制器，而控制器输出数据信息通过执 行器施加到被控对象上。 2 第一章绪论 同络 图1 1 典型的网络控制系统的图示 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、刻画该物理系统的思想是近代科学研究 中的一个基本思想。具体到一个实际受控系统，就是需要先将该物理系统抽象为一 个数学模型，然后再对它进行分析和控制，比如一个线性连续系统可抽象为一个线 性微分方程： j ( f ) = a x ( t ) + s u ( o 其中，x ( t ) 、以( f ) 和t 分别表示线性连续系统的状态向量、输入控制向量和时问变量。 联系网络控制系统就会出现新的问题：如何建立含有网络延迟或有数据包丢失 或二者兼有的网络控制系统理论模型。理论研究最重要的就是建立有效的数学模型， 之后再结合其它问题进行研究，比如要进行网络控制系统模型的性能研究、系统的 稳定性及其稳定裕度的研究等。如果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，被控对象模型不同，则网 络控制系统的模型也不尽相同m 钔 1 2 2 网络通讯引起的问题 网络有限的通信带宽、承载能力和服务能力使数据的传输可能经历时延、丢包 以及多包传输等诸多问题，其主要表现是使系统的超调量增大，震荡增加，同时系 统的相角稳定裕度变得很小，甚至系统会变得不稳定，从而给控制系统的分析和设 计带来了很大困难。同时由于在闭环回路中加入了网络通信的不确定因素，控制系 统的一些理想的假设如控制的同步性、无时延性等不再成立，要使系统的性能达到 要求，仅仅依靠传统的控制理论是不够的，因此对这个问题的研究和探索是极为必 要的，国内外许多学者都积极地投入了该领域的研究。目前网络控制系统存在的几 个问题主要包括网络诱导时延、数据包丢失、单多包传输及网络节点的驱动方式等 问题嘲。 3 ， 青岛大学硕士学位论文 1 网络诱导时延 由于信道竞争、物理信号编码和通信协议等带来的额外开销，经过各节点之间 豹网络传输，在网络控制系统中必然会引入不同类型的时延。这些时延可能是定常 眠时变的甚至是随机的，它们在不同程度上降低了系统的控制性能，甚至会造成 控制系统的不稳定。网络诱导时延主要包括传输时延、处理时延和排队时延。 传输时延只依赖于网络带宽和两个节点之问的距离，是网络诱导时延中最具确 定性的参数。 处理时延包括信息转换为适合网络上传播的格式所需时问、控制器的处理时问 以及到达目标时信息的还原时间，这与系统节点设备的软硬件有关。处理时延可以 通过试验进行估计。 排队时延包括在缓存队列中排队的时间和进行信道竞争等待其空闲的时间，其 大小主要取决于原节点的发送数据量、网络当时的流量以及网络的协议，以及信息 的连接方式。由于排队时延随介质访问控制机制的不同而有很大差异，当网络流量 波动时，这种差异会更大，所以时延的不确定性主要来自排队时延。 在网络环境下，网络诱导时延的存在使得系统的分析变得非常复杂，虽然近年 来对有网络诱导时延的控制系统的分析和建模取得了很大的进展，但由j j ：网络流量、 传输协议、介质访问控制机制等的不同，网络诱导时延有很大的差异，具有不确定 性，使得现有的方法一般不能直接应用。根据网络诱导时延性质的不同，在进行网 。络控制系统建模时，可以将网络诱导时延建成以下三种形式璐3 ： 常数时延。当网络控制系统的采样周期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，此时用时延的均值和极大值进行系统 的稳定性分析。若网络控制系统的采样周期不能远远大于网络诱导时延，则不能将 其建模成常数，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巾的随机时延转化为确定性时延( 常数 时延) h 1 。m o n t e s t r u q u e 等研究了在存在常数时延且网络控制系统中状态可用的情况下 系统的稳定性问题嘲；孙海燕等在m o n t e s t r u q u e 等的基础上探索了在存在常数时延并 且网络控制系统中状态不可用的情况下系统的稳定性问题口】。 随机时延，时延序列中的时延变量之间相互独立。在网络控制系统中，网络 诱导时延在多数情况下是随机的，但为了控制系统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相互独立，且服从某一确定的概率分布。 b a u e r 等人分析了带有随机时延的网络问题，提出在离散情况下使用s m i t h 预估器来 消除由于网络引起的延迟。s m i t h 预估器放在控制器的前面，并且它使用被控对象的 信息把来自传感器的延迟信息传送给控制器。使用火于被控对象知识能够帮助我们 在不牺牲网络控制系统性能的情况下缓解网络上的传输压力j ：。 4 第一章绪论 随机时延，时延的概率分布由- - 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控制系统的实 际通讯网络。于之训等利用传输时延m a r k o v 特性，得到了具有多步传输时延的网络 控制系统模型，并且得到了满足给定二次性能指标的最优控制律的解析解，但控制 方法过于复杂例 2 数据包丢失 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断等现象，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的机制，但也只能在一个有限的时间内传 输，当超出这个时间后，数据包就会丢失。而且考虑控制网络中实时性要求，当传 输信息时延过长，而下一时刻的信息己经到达时，系统会自动丢弃长时延信息，采 用最新信息。传统的点对点结构的控制系统基本上都是同步和定时的系统，它可以 对系统中参数或者未建模动态具有较强的鲁棒性，但可能完全不能容忍数据网络的 结构和参数的改变( 网络中的数据包丢失可以看成是网络结构和参数的改变) ，因此 在网络控制系统的设计中，对数据包的丢失问题必须寻找相应的解决方法。一般来 说，反馈控制的被控对象只能忍受一定比例的数据丢失，对本来在没有数据包丢失 时稳定的系统，当数据包丢失概率达到某一值时，系统将变得不稳定n 们 目前对网络诱导时延方面的研究较多，而针对数据包丢失的网络控制系统的研 究相对较少。w z h a n g 把含有数据包丢失的网络控制系统模型化为具有有限制事件 发生速率的异步动态系统，把网络处理成以某一频率闭合的开关模型，得到了网络 控制系统关于某一已知丢包频率系统稳定的充分条件。b a z i m i s a d j a d i 运用分离 原理设计l q 控制器并对数据包设计估计器，然后给出无扰动网络控制系统均方稳定 的充分必要条件n 2 】c n h a d j i c o s t i s 等则假设丢包概率已知，研究一维离散时间网络 控制系统并给出了系统稳定的充分必要条件n 钉q v l m g 等把网络控制系统模型化为 关于丢包概率的跳跃线性系统，通过判断一个矩阵谱半径是否小于l 得到网络控制系 统均方稳定的充分条件n 铂。s h a w mh u 等则把网络丢包过程处理为b e r n o u l l i 模型，研 究其丢包概率不变时，离散时间网络控制系统均方稳定的充分必要条件 1 5 o y a z h a n g 等针对带有静态状态反馈的离散时间网络控制系统，假设通讯网络丢包概率服从有 限m a r k o v 分布变化，分析系统均方稳定的条件，比假设丢包概率恒定更具有实际意 义n 们 目前一些涉及数据包丢失的研究中，没有同时考虑网络诱导时延等因素对系统 性能和稳定性的影响，其研究结论的局限性是明显的。综合考虑网络诱导时延、数 据包丢失等因素，展开网络控制系统的研究是走向实用的必经之路 3 单多包传输 单包传输是将传感器腔制器的输出数据集中到一个数据包中进行传输。由于在 5 青岛大学硕士学位论文 网络控制系统巾，传感器和激励器分布在较人的物理区域内，将所有数据放到一个 包内传输往往不容易实现。多包传输的另一个原因是由于网络对数据包的长度有限 制，在一个数据包中仅能传递有限的信息，当有人量信息需要传递时多包传输就不 可避免了。当系统控制器的输出数据分别被分割到不同的数据包内在不同的结点进 行传输时，同样有可能出现数据包丢失，而且还会出现数据包同时发送由于路径的 不同而不能同时到达目标结点的情况，这就增加了研究的难度j 】。 关于单个数据包传输的研究已经比较成熟了，目前缺乏的是对多个数据包传输 的网络挖制系统研究。多包传输的网络控制系统既包含了被控对象为单输入单输出 时采用多包传输的系统，又包含了被控对象为多输入多输出，具有多个传感器、控 制器和执行器的系统。在多输入多输出网络控制系统方面，g c w a l s h 针对传感器和 控制器均为时间驱动，执行器为事件驱动的长时延多输入多输出网络控制系统，考 虑传感器与控制器的时钟不同步的情况，建立了网络控制系统的时变离散时间模型 n 7 = 。n i l s s o n 譬l 对传感器和控制器均为时问驱动，执行器为事件驱动的网络控制系统， 假设网络诱导时延是固定的，且小于一个采样周期，给出了网络控制系统的离散时 刨模型和控制器的设计方法h 耵。l w zh a n g 利用稳定域的概念和混杂系统的分析方 法分析了系统的稳定性，并基二j 二网络控制系统的时域解提出了网络诱导时延的补偿 方案，研究了具有数据包丢失和多包传输的网络控制系统的稳定性问题，并用异步 动态系统的分析方法分析了具有数据包丢失及多包传输的网络控制系统的稳定性问 题：。驯。 4 网络节点的驱动方式 网络控制系统的节点有两种驱动方式，即时钟驱动( t i m ed r i v e n ) 和事件驱动 ( e v e n td r i v e n ) 。时钟驱动是指网络节点在一个事先确定的时间到达时开始它的动作， 事先确定的时问到是节点动作的依据，时钟驱动中的时钟是指节点的采样时刻。事 件驱动是指网络节点在一个特定的事件发生时便开始它的动作，事件驱动巾的事件 是指网络节点通过网络从另外一个网络节点接收到数据网络控制系统中的传感器 一般采用时钟驱动，传感器的时钟即为系统的时钟，而控制器和执行器既可以是时 钟驱动，也可以是事件驱动。但事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点： 控制器和执行器为事件驱动时，从源节点( 传感器或控制器) 发送的数据一到 达目标节点( 控制器或执行器) 便马卜动作，避免了控制器或执行器为时钟驱动时数 据等待被采样的时间，客观上减少了网络诱导时延； 控制器或执行器为事件驱动时，避免了控制器或执行器为时钟驱动时与传感 器时钟同步的困难，也避免了控制器或执行器为时钟驱动时容易持续的无效采样和 数据丢失，提高了反馈数据的利用率口1 。 6 第一章绪论 1 3 网络控制系统研究现状 国外的研究现状： a s t r o m 和w i t t e n m a r k 研究了当系统反馈回路中有时延时系统的建模问题。在具 体分析过程中，将时延分为小于一个采样周期和大于一个采样周期，并据此分别讨 论控制系统的稳定性，同时假定时延是定常的，运用系统状态增广法，也就是将延 迟的信号作为增广系统的状态，通过增加系统维数来研究系统的时频特性n 9 】。 h a l e v i 和r a y 提出了一类具有时变时延的控制与通信集成系统( i c c s ) ，研究了 系统中的连续控制对象和离散控制器。通过系统状态增广法，将对象延迟的输入输 出信号增广到系统方程中，得到一个有限维的时变的离散系统模型嘲 n i l s s o n 针对离散时问的网络化控制系统，提出将网络中的时延建模为一个马尔 可夫随机过程，并得到了网络化控制系统的随机数学模型，然后在此模型上研究了 系统的l q g 最优控制策略n 钔 m o n t e s t r u q u e 等提出了一种基于状态模型的网络化控制方法，在控制器节点一侧 建立一个关于被控对象的状态模型，在网络未接通时刻，利用此模型的状态作为被 控对象状态的估计值进行状态反馈，而在网络接通时刻，就直接利用被控对象状态 进行状态反馈。这种方法可以在保证系统稳定性和性能的同时，尽量减少对网络的 使用从而降低网络负荷眠z 1 。 国内的研究现状： 同济大学的于之训、陈辉堂等人率先开展了对网络控制系统的研究工作，他们 研究了在局域网( 控制网) 内控制系统的随机时延和稳定性等，针对网络控制系统 中普遍存在的数据通讯延迟问题，在有动态噪声及测量噪声存在的情况下，提出了 一种延迟补偿器结构，实现了对随机通讯延迟的补偿和对信号的最小方差预测嘲 南京航空航天大学的朱其新、胡寿松等人对长时滞的网络化控制系统进行了系 统分析与设计。完成了单包传输、多包传输、单包传输有数据包丢失及多包传输有 数据包丢失时网络控制系统的建模，提出了在网络传输的各种情况下网络控制系统 的离散随机模型的统一的建模方法，在建模过程中考虑了控制器的动态特性及系统 噪声，为网络控制系统的分析、仿真和控制器设计奠定了基础。而被控对象为非线 性及网络诱导时延大于一个采样周期时网络控制系统闭环模型的建立则有待于进一 步研究嘲。 中科院自动化所的王征、谈大龙和王向东等人也对网络化控制系统的稳定性问 题进行了探索和讨论，综述了目前网络控制系统的研究现状，介绍了随机延迟问题、 数据包丢失问题和多通道输出问题的建模以及各种控制策略。在此基础上，分析了 网络控制系统稳定性研究中尚待解决的问题以及一些新的研究方向嘲】。 中科院自动化所的王飞跃和王成红从未来计算机网络技术对控制理论的影响和 7 青岛大学硕士学位论文 推动作用的观点出发，对网络控制系统的理论研究和应用做了预测和估计，提出了 一系列具有挑战性的问题潞。 在目前所知的有关网络控制系统的研究中，华中科技人学控制系的非线性与复 杂系统中心做了很多开拓性工作。其中方华京、郑英、谢林柏等人在针对时延型网 络控制系统的故障诊断方面做了有意义的探索瑚二。关治洪、黄剑等人则填补了网络 环境下的脉冲控制理论与应用研究空白口l 。 1 4 本文主要工作 本论文针对线性连续的被控对象，主要研究了网络控制系统的建模、分析和稳 定性问题，主要理论基础是l y a p u n o v 稳定性理论，包括渐近稳定和均方稳定。主要 研究了在存在网络诱导延迟、数据包丢失等情况时，网络控制系统的稳定性。全文 的内容安排如下： 第一章绪论，简要介绍了控制系统的发展历程和产生的背景，网络控制系统的 概念、系统结构和基本问题，以及网络控制系统的研究现状，最后介绍了本文的工 作及内容安捧。 第二章对网络控制系统中目前存在的网络控制系统建模进行了简瞥的总结即 m o n t e s t r u q u e 等人提出的基于模型的网络控制系统建模，以及存在外部扰动时广义网 络控制系统的建模，针对不同的网络控制系统建模，很多学者分析了控制系统的各 种稳定性。在本章最后将给出网络控制系统的一些基本知识。 第三章分别针对网络传输延迟小于一个采样周期和网络传输延迟大于一个采样 周期的基于模型的网络控制系统的稳定性进行了分析，即不存在数据包丢失和存在 数据包丢失情况时控制系统的稳定性，给出了使控制系统渐近稳定的充分条件，并 且给出了实例进行验证 第p l q 章针对仅存在数据包丢失情况的网络控制系统，分析了控制系统的均方稳 定性及允许的最大数据包丢失概率，即如果控制系统的数据包丢失概率小于最大丢 失概率，则网络控制系统就是稳定的，并给出了求解网络控制系统数据包丢失最大 概率的算法。 第五章为本文的结论和展望。总结了本文的主要研究内容，分析了本文的局限 性及今后的研究方向。 8 第二章线性网络控制系统基础 第二章线性网络控制系统基础 第一章给出了网络控制系统的基本结构( 图1 1 ) ，包括被控对象、传感器、控 制器、执行器以及网络，在网络传输过程中可能会出现网络传输延迟和数据包丢失， 因此，就需要建立不同的控制系统模型来分析控制系统的特性。下面将分别介绍基 于模型的网络控制系统模型和存在外部扰动的广义网络控制系统的模型。 2 1 基于模型的线性网络控制系统 m o n t e s t r u q u e 等人提出了一种新的思想，即在系统控制回路中尽量减少对网络的 使用，使得网络对系统的负面影响降至最低，并根据这种思想提出了一种基于被控 对象模型的控制系统的建模，可以利用模型提供更多的信息给控制器，以减少系统 的不准确性，改善控制系统的稳定裕度及其它性能指标。m o n t e s t r u q u e 还引入了网络 信号更新时间的概念，在相邻的两次更新时间间隔内，控制器以被控对象模型为依 据，计算并产生控制信号，作用于被控对象，形成本地端的开环控制，此时并不使 用网络；在信号更新时刻，将网络并入控制回路，形成闭环系统，这时被控对象的 状态信号通过网络传输至控制器，用于更新被控对象模型中的状态信号，因此可以 考虑在保证系统稳定性的同时，尽量增加网络信号更新的时间间隔，以减少控制系 统对网络的依赖叭z 1 。 m o n t e s t r u q u e 等人首先研究了状态反馈的