（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的稳定与控制.pdf

摘要 题名： 硕士研究生姓名： 导师姓名： 专业名称： 摘要 网络控制系统的稳定与控制 王珍珍 崔宝同教授 控制理论与控制工程 本文主要分析了网络控制系统的稳定性和网络诱导时延问题随着控制系统规模日 益扩大、控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗透，控制系统结构越来 越复杂，对控制系统的性能要求也越来越高而网络控制系统正是计算机网络技术在控 制领域的延伸和应用，是计算机技术、网络通信技术与控制技术交叉发展和融合的产 物网络控制系统是将通讯网络代替传统的点对点式的连接方式构成的闭环控制系 统网络控制系统有成本低、安装维护简便、系统灵活性高及便于进行故障诊断等优 点网络控制系统在通过共享网络资源给控制系统带来了各种优点的同时，也给系统控 制理论带来了新的机遇和挑战将通讯网络引入控制系统，由于网络自身的特点，如网 络诱导的时延、数据包的时序错乱、数据包的丢失等等，使系统分析变得更加复杂本 文研究了网络控制系统的稳定性，并且给出了系统稳定时的最大网络诱导时延 基于l y a p u n o v 稳定性理论和线性矩阵不等式的方法，本文做了以下几方面的工作： ( 1 ) 针对网络系统中存在的不确定性，设计了控制系统的鲁棒控制器基于网络控 制系统的离散化模型，利用不确定矩阵的分析方法得到了保成本控制律并在此基础上设 计了系统的保本控制器 ( 2 ) 分析了一类具有时变不确定性的时滞网络控制系统的稳定性，给出了其稳定条 件通过选取合适的l y a p u n o v 函数，获得了网络控制系统稳定定理利用本文提出的网 络控制系统稳定定理，计算出系统的时延经过比较显示出文中结论的优越性，应用广 泛性，较小的保守性 ( 3 ) 探讨了一类具有多步时延的网络控制系统稳定性利用线性矩阵不等式的方法 提出了网络控制系统渐近稳定条件利用系统的稳定条件可计算出系统的最大时延 为说明结论的优越性，文中列举数值例子，附仿真图形，说明保守性较小 关键词：网络控制系统系统：不确定性：保本控制律；网络诱导时延：线性矩阵不 等式；l y a p u n o v 函数，o 系统稳定性；最大时延 a b s t r a c t t h e m e ： a u t h e r ： s u p e r v i s o r ： s p e c i a l t y ： a b s t r a c t s t a b i l i t ya n dc o n t r o lo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s w a n gz h e n z h e n p r o c u ib a o t o n g c o n t r o lt h e r o ya n ge n g i n e e r i n g t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea b o u ts t a b i l i t ya n a l y s i sa n dt i m e - d e l a yo fn e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m s ( n c s s ) w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o n t r o l t e c h n o l o g y a n d c o r r e s p o n d e n c en e t w o r kt e c h n o l o g y ，a n di n c r e a s i n g l ye x t e n d i n go fs y s t e ms c a l e ，m o r ea n d m o r ec o n t r o ls y s t e m sa d o p tt h en e t w o r ks t n l c 眦，u s i n gn e t w o r k sa sam e d i at oi n t e r c o n n e c t t h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t si nc o n t r o ls y s t e ma n dt or e a l i z ei n f o r m a t i o nt oe x c h a n g ea n dd e l i v e r o fc o n t r o ls i g n a l a d v a n t a g e so fn c s si n c l u d el o wc o s t ，h i 曲r e l i a b i l i t y ，l e s sw i r i n g ，e a s eo f s y s t e md i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e ，e t c h o w e v e r ，n c s sb r i n gal o to fo p p o r t u n i t i e sa n d c h a l l e n g e sa l o n g 、i t hag r e a td e a lo fb e n e f i t s t h ei n s e r t i o no fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h e f e e d b a c kc o n t r o ll o o pc o m p l i c a t e st h ea p p l i c a t i o no fs t a n d a r dr e s u l t si na n a l y s i sa n dd e s i g no f t h en c s sb e c a u s em a n yi d e a la s s u m p t i o nm a d ei nt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lt h e o r yc a nn o tb e a p p l i e dt on c s sd i r e c t l y n c s sh a v es o m eq u e s t i o n si n c l u d i n gt h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ， d a t ap a c k e td r o p o u ta n dd i s o r d e r ，t h ew a yo ft r a n s m i s s i o nw h i c hm a d ei tm o r ec o m p l e x t h i s d i s s e r t a t i o ni sc o n c e r n e d 埘mt h es t a b i l i t yo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，a n dc o m p u t e st h e n e t w o r ki n d u c e dd e l a yo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw h e ni ti ss t a b l e b a s e do nt h el y a p u n o vt h e o r yo fs t a b i l i t y , t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea s f o l l o w si nt e r m so fl m i ( 1 i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ) ： ( 1 ) 嘶sp a p e ri sc o n c e r n e d 嘶t l lt h ed e s i g no fr o b u s tc o n t r o l l e rf o rn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( n c s s ) w i t hu n c e r t a i n t i e s an e wa n a l y s i sm e t h o do fn c s sb a s e do n ad i s c r e t em o d e l i sp r o v i d e db yi n t r o d u c i n gs o m ev a r i a t i o n a lm a t r i x 。砀eg u a r a n t e e dc o s tc o n t r o lc o n t r o l l e r d e s i g ni so b t a i n e db yt h eg u a r a n t e e dc o s tc o n t r o ll a w ( 2 ) 1 1 l es t a b i l i t ya n a l y s i sf o rt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m 晰t hd e p e n d e n td e l a ya n d t i m e - v a r y i n gu n c e r t a i n t i e s i s c o n s i d e r e d ，a n dt h e c o n d i t i o no fs t a b i l i t yi s g i v e n a n a p p r o p r i a t et y p eo fl y a p u n o vf u n c t i o n a li su s e dt oo b t a i no u rr e s u l t s a p p l y i n gt h et h e o r e m t h a tw eh a v ep r o p o s e d ，t h et i m ed e l a yo fn c s sc a nb ec o m p u t e d t h e nc o m p a r e dw i t h p r e v i o u sp a p e r s ，t h ec o n c l u s i o no f t h i sp a r ti sp r e d o m i n a n t ，e x t e n s i v e ，a n dl e s sc o n s e r v a t i v e ( 3 ) t h es t a b i l i t ya n a l y s i sf o ra c 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 埘t l lm u l t i - s t e pd e l a yi s c o n s i d e r e d t h ec r i t e r i af o rt h ea s y m p t o t i c a ls t a b i l i t yo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si s p r o p o s e dt oc a l c u l a t et h em a x i m u md e l a yb yu s i n ga l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t ya p p r o a c h i no r d e rt os h o wt h es u p e r i o r i t yo fo u rr e s u l t s ，w eg i v es o m en u m e r i c a le x a m p l e sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t st op r o v et h a to u rm e t h o di sl e s sc o n s e r v a t i v e 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 ；t h eu n c e r t a i n t i e s ；g u a r a n t e e dc o s tc o n t r o ll a w ； n e t w o r ki n d u c e dd e l a y ；l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ；l y a p u n o vf u n c t i o n a l ；t h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e m ；t h em a x i m u md e l a y i l 独创- i | 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书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了明确的说明并表示谢意。 签 名：垂堕连 日 期：2 翌2 81 厶：竖 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 亟丝立玺 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络控制系统的产生 网络控制系统是近几十年发展起来的一种控制系统在2 0 世纪七八十年代，诞生 了最初的计算机控制系统它是直接数字控制系统( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) ，在2 0 世纪七八十年代占主导地位d d c 强调计算机直接参与到对象进程的控制中，传感器 的模拟量输出和执行器的模拟量输入都和数字计算机点对点的连接【l j d d c 是完全集中 的体系结构，全部控制策略是在一台计算机中完成由于所有的功能集中在一台计算机 中，即使是计算机的一个单一的故障也会使整个系统及其所有的回路失效，不便于整个 系统的控制与维修 随着控制系统规模的日益扩大及计算机技术的进一步发展，产生了集散控制系统 ( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) d c s 的结构如图1 1 d d c 和d c s 都属于点对点的 连线结构d c s 比d d c 在控制方面有了很大的进步，因为它将控制分散在几个小型的 控制器中，而每个控制器处理部分控制回路，这样一个故障只会影响系统的一部分回 路d c s 在二十世纪八九十年代占主导地位，在我国工业控制系统中得到了广泛的应 用在d c s 中，测量变送仪表一般为模拟仪表，控制器是数字的，因而它是一种模拟 数字混合系统传统的d c s 通常有4 层结构：第1 层是设备层；第2 层是f o 层；第3 层是控制层；第4 层是企业信息层除了第3 层、第4 层之间采用以太网外，其他都是 专用的网络，控制设备及软件也是专用的，开放程度不够，给系统维护及升级带来不便， 难以实现各个部件间的互换与操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难【2 1 图1 1d c s 结构图 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r eo f d c s 随着科学技术的发展，被控对象和控制系统日益复杂化，控制系统各部件间需要的 江南大学硕士学位论文 信息越来越度多，这种点对点结构的控制系统逐渐显示出一定的局限性，主要表现在连 线繁杂，维护、升级、扩展困难等l l 】此外这种控制系统结构也不适合如模块化、分散 化、综合诊断、维护快速简易和低成本等一些新的控制要求d d c 和d c s 点对点连接 的控制网络越来越不能满足当今信息化的要求，这就为网络控制系统的产生提供了迫切 的需求另外，随着软硬件产品价格的不断下降，传感器、执行机构和驱动装置等现场 设备的智能化为通讯网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基础应这些需 求，产生了现在的现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是2 0 世纪八十年代兴起的一种先 进的工业控制技术，它是网络控制系统的初级阶段现场总线出现以后，网络化、集成 化、智能化便成为控制系统发展的一种必然趋势现场总线把通讯网络一直延伸到生产 设备现场，信号传输的全数字化提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信号传输 过程中存在的信号衰减、精度下降、干扰信号的引入等长期难以解决的问题同时，在 f c s 中具有微处理器的智能i o 与设备构成独立的控制单元，控制功能直接下放到现场， 达到了完全的分散控制【l 3 1 f c s 的结构如图1 2 图1 - 2f c s 结构图 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo ff c s f c s 技术经过2 0 多年的发展，在很多领域都得到了广泛的应用虽然取得了一定 的成就，但是也存在许多问题制约其应用范围的进一步扩展首先是现场总线的选择虽 然目前的i e c 组织已经达成了国际总线标准，但总线种类仍然有1 0 余种，并且各厂家 自成体系，不能达到完全开放，难以实现互换与互操作其次，现场总线仍是一种分层 的专用网络，管理和控制分离，难以实现整个工厂的综合自动化及远程控制现场设备 控制需要进一步趋向于分布化、扁平化和智能化【4 j 控制技术和控制系统应该与企业的 商业战略相联系，不仅需要将控制系统的各部分集成到一起，而且需要将控制系统( 硬 件和软件) 集成到整个企业系统之中企业的这种组织管理模式客观上便要求信息网络 与控制网络的一体化，二者的分离必将会阻碍信息的上行下达，降低企业的生产管理效 率将控制网络融入企业信息网络，可以实现集中管理、高层监控和企业的综合自动化， 2 第一章绪论 为进一步连入更大的网络系统，如i n t r a n e t ，w a n ，i n t e m e t 等打下基础，从而实现远程监 控、远程诊断和远程维护 随着控制系统规模日益扩大，控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉 渗透，控制系统结构越来越复杂，对系统控制性能要求也越来越高，产生了现在的网络 控制系统通过通讯网络代替传统的点对点式的连接方式构成的闭环控制系统【5 1 ，我们 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 ) ，简记为n c s 相对传统的点对点式的 控制系统，网络控制系统有：成本低、安装维护简便、系统灵活性高、便于进行故障诊 断等优点【l ，6 7 1 另外使用无线网络技术还可以实现使用大量广泛散布的廉价传感器与远 距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的网络控制系统，这是传统的点对点结构的控 制系统所无法实现的网络控制系统的研究已成为国际学术界研究的一个新的热点很 多领域的研究本质上都可归结为基于网络控制系统，如远程遥控操作、远程医疗、远程 教学、无线网络机器人以及工业e t h e m e t 技术等【3 5 1 网络控制系统在通过共享网络资源给控制系统带来了各种优点的同时，也给系统控 制理论带来了新的机遇和挑战将通讯网络引入控制系统，由于网络自身的特点，如由 于网络诱导的时延、数据包的时序错乱、数据包的丢失【8 】等等，令原来系统的稳定性交 差，使系统的分析变得更加复杂目前，网络控制系统中控制理论的研究落后于网络控 制系统实际应用网络控制系统的出现、发展、推广及应用给控制理论提出了严峻的挑 战针对控制理论的研究首次表现出滞后于控制系统应用，所以对网络控制加以分析和 研究具有其重要的现实意义 1 2 网络控制系统的结构 网络控制系统主要有以下几种结构，如图1 3 到1 - 6 图l - 3 网络控制系统的典型结构 f i g 1 - 3t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 图1 3 是网络控制系统的典型结构图，主要由控制对象、传感器、执行器和控制器 组成传感器与控制器、控制器与执行器之间用网络连接起来，共用网络中的资源 江南大学硕士学位论文 图1 4 集中式网络控制系统结构图 f i g 1 - 4t h ec o n c e n t r a t i v es t r u c t u r eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 图1 4 是集中式网络控制系统结构图，所谓集中是指整个网络控制系统中只有一个 控制器下面的两幅图形是具有网络诱导时延的网络控制系统的结构图 夕控弋 执行器传感器l 传感器k jl r1 勿 卜呸 刁 网络 彳匠习它 控制器 图1 5 具有多状态时延的闭环网络控制系统结构 f i g 1 - 5t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hs t a t ed e l a y 图1 。5 主要是一个控制器和一个执行器的带有状态时延的网络控制系统结构图，时延已 标注在图中 4 第一章绪论 卢爻 i 执行器n执行器l 传感器n传感器l j ljl 】【】e e习砰r 臣刁 网络 巨刁砰 彳 匡刁 jl j 控制器 图1 6 具有多状态及输入时延的闭环网络控制系统结构 f i g 1 - 6t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hm u l t i - s t a t ea n d m u l t i d e l a y 图1 - 6 是具有多输入多输出的网络控制系统，其状态与输入时延已标注在框图中 从网络控制系统的结构图可以看出网络控制系统有如下特点： ( 1 ) 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； ( 2 ) 各节点间的物理连线相对简单( 每个直接与网络相连的部件称为节点) ； ( 3 ) 个别节点出现故障，通常不会影响整个系统的运行，且故障定位容易； ( 4 ) 系统开放化和产品集成化：网络控制系统的开发是遵循一定标准进行的， 是一个开放性的系统，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品，这 些产品之间便能实现互操作和集成 1 3 网络控制的常用网络 网络诱导时延的特性与网络的结构、协议以及网络的传输速度密切相关，目前在 控制系统中己采用了不同类型的网络系统，这些网络根据应用对象可分为针对设备的类 型和针对生产过程的类型其中比较常用的有三种控制网络【5 7 1 ：以太网、控制网和设备 网以太网利用载波多路侦听冲突检测机制c s m a c d ( i e e e 8 0 2 3 ) 来解决通讯线路的 冲突问题在c s m a c d 中，任何想发送数据的节点必须对线路进行侦听，确保线路是 空闲的，然后传送要发送的数据在传送数据之后，节点继续侦听，在整个数据传输过 程中，节点检测线路上是否有指示冲突的高电压存在当检测到冲突时，节点等待一段 随机长的时间，在线路清除后再重新发送数据 6 0 1 这个随机时间是由标准二进制指数退 避算法( b e b ) 来确定的以太网的优点是传输速率很快，一般采用的是1 0 m b p s 标准，高 速以太网一般为1 0 0 m b p s 或者1 g b p s ，在网络低负载的情况下，几乎没有延迟其缺点 是由于以太网采用非竞争协议，并且不支持任何信息优先，在网络负载大时，消息碰撞 5 江南大学硕士学位论文 是一个主要问题因为，它在很大程度上影响数据传输量和延迟时间，延迟时间可能是 无界的 控制网通常采用令牌总线协议令牌总线协议是在网络高负载情况下，具有高效率 的一种确定性协议在发送一个消息帧之前最大等待时间就是令牌循环时间令牌总线 协议( i e e e 8 0 2 4 ) 采用的是一种线性的、多点的、树状或者分段的拓扑结构在令牌总线 网中，节点在逻辑上组成一个环，正常运行时，一个节点完成了发送，就将令牌传给下 一个节点控制网的优点是：在网络的操作过程中，令牌总线可以动态的增加节点或者 删除节点；网络不会发生冲突，数据长度很短，从而减少开销、增加网络容量；可事先 确定令牌循环时间，这点在工业控制中很重要；可为要传输的数据提供不同的优先级其 缺点是：尽管令牌总线协议在网络高负载时具有高效和确定性的特点，但在网络低负载 时，令牌总线协议不能达到c s m a c d 的功效当一个逻辑环上有许多节点时，在传输 数据较少的情况下，网络的大部分时间用在节点问传送令牌 设备控制局域网( c a n ) 是一个串口通信控制访问协议c a n 协议是针对报文进行优 化的协议，采用c s m a 仲裁法，由报文识别器完成仲裁过程，传送报文的节点要等到 总线空闲时，才能开始传送而且每一报文都有一个特殊的优先级，这样可以在多个节 点同时发送时，对总线的访问进行仲裁处理c a n 其优点是：它是一种针对短报文优 化的确定性协议，报文的优先级是在仲裁场中实现的在仲裁过程中，具有高一优先级 的报文通常优先进行访问，因此可以保证具有高优先级的报文传送这种协议使得网络 中的信息传输不会发生冲突，这种网络中的传输时延是定常的【6 2 j 与其它网络相比，c a n 的主要缺点是数据传输率较低，因而与其它控制网络相比较，流量受到了限制c a n 协议要求同步，这也限制了设备网的最大长度尽管c a n 支持大于8 个字节的分段数 据，但c a n 不适用于大尺寸数据报文的传送 下面我们对控制网络的数据传输时间和数据编码效率进行一下比较三种控制网络 的典型参数见表2 1 1 5 引 表1 1 三种控制网络的典型参数 t a b 1 - 1t h et y p i c a lp a r a m e t e r so ft h r e ek i n d so fc o n t r o ln e t w o r k 以太网控制网设备网 数据传输率 1 05o 5 ( m b p s ) 位时间 ( a s ) o 10 22 最大长度 2 5 0 01 0 0 08 ( 米) 最大数据长度 1 5 0 0 5 0 48 ( 字节) 最小帧 7 27 锅憾 ( 字节) 最大节点数 1 0 0 09 96 4 6 第一章绪论 传输相同数量的数据时，设备网所需的传输时间比以太网和控制网两种网要长，因 为其数据传输速率低与控制网和设备网相比，以太网在数据量很大时( 大于2 0 字节) 传输时间相对较短在传输相同数量的数据时，尽管控制网需要的时间较少，但它需要 一些时间来获得对网络的访问三种控制网络的数据编码效率和数据大小的关系【5 5 l ：数 据的编码效率定义为所发数据长度与整个信息长度的比值对于数据量小的情况，设备 网的效率最优而以太网的效率最差对数据量大的情况，控制网和以太网比设备网要好 ( 设备网的编码效率仅为5 8 ，而控制网和以太网的效率接近9 8 ) 综合以上分析可以 看出，以太网有最小帧长要求，所以以太网和设备网、控制网相比传输少量数据( 小于 1 0 字节) 需要更多的开销以太网因为其很高的数据传输速率在传输大数据包( 大于2 0 字节) 时与其他网络相比需要的时间较少设备网传输最大的数据长度为8 个字节，对 于数据量很大时设备网就要把这些数据进行分包传输从而使得设备网传输相同量的数 据比以太网需要更长时间在网络控制系统中，每次传输的数据量不是很大【3 0 】，但实时 性要求非常高，因此选择设备网更为合适对于数据量小的情况，设备网的数据编码效 率最优，这正符合网络控制系统的要求而且c a n 总线协议是对短消息优化传输的确 定性协议，消息的优先级在仲裁域中指定，优先级高的消息能够访问网络介质，这样就 能够保证高优先级消息的传输延迟较小，以满足网络控制系统高实时性要求 1 4 网络控制系统的研究现状 网络控制系统的研究，开始于上个世纪九十年代。r a y 2 8 】等人研究的集成通信控制 系统( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ，简写成i c c s ) q b 提出了网络控制系统 的初步概念，后来人们在此基础上将网络控制系统加以完善到目前为止，网络化控制 系统的研究已取得了一系列的研究成果研究的模型同时包含了连续型和离散型；网络 化控制系统的对象包含了线性定常、线性时变和非线性对象；系统分析和设计方法有基 于随机控制理论的方法，基于确定性控制的方法、基于鲁棒控制的方法、基于自适应控 制、智能控制、预测控制的方法及基于离散事件系统、混合系统的方法；研究的问题包 含网络时延，数据包丢失，多包传输及网络调度方法等问题 国内的研究现状： 2 0 0 0 年，于之t j l 1 2 , 1 4 】，陈辉堂，王月娟，针对网络控制系统普遍存在的时间延迟， 采用事件驱动方式对系统进行建模，并针对该数学模型提出了使系统达到均方指数稳定 的控制律设计方法同年，又研究了一种能够处理时变延迟的状态观测器控制策略 2 0 0 1 年，顾洪军【3 】等人根据网络控制系统中数据的传输要求和实现高速、快响应， 最大的降低实时数据的传输延迟，给出了几种信息延迟的组成模型，并基于数据链路层 分析了几种典型的数据传输技术 2 0 0 3 年，魏震，李长虹，谢剑英【l5 ，从网络控制系统的应用出发，对网络时延进行 在线估计，运用最优控制为网络控制系统设计控制器 2 0 0 3 年，胡寿松【1 6 j ，朱其新，研究了网络控制系统延迟的随机特性，给出了最优估 计器下的最优控制律，并给出了随机稳定的条件 7 江南大学硕士学位论文 2 0 0 5 年，岳东【1 7 】等考虑了网络控制系统的时延和数据包丢失，建立了带有不确定性 的混合模型，用线性矩阵不等式的方法设计了也鲁棒控制器 2 0 0 6 年，王艳【l8 】等，针对存在时变有界长时延的网络控制系统，讨论了具有时延补 偿功能的状态观测器以及状态反馈控制器的设计方法此方法的状态观测器是跟据控制 器接收数据包的情况下在开环预测和闭环预测两种模式之间切换，以补偿时延的影响 2 0 0 7 年，陈宁宁，朱轶强，蒋静坪u 9 1 ，针对i n t e r n e t 环境下的网络控制系统时延突 变大、时变难以估计等特点，利用实际网络时延测量值，建立了网络控制系统的时变多 时延状态方程并应用珑鲁棒控制理论，通过求解一组线性矩阵不等式，在满足一定 性能要求条件下给出了静态状态反馈控制，使得闭环网络控制系统二次稳定并满足相应 的性能指标该控制方法使系统在网络时延、建模误差等干扰下仍保持鲁棒稳定性 国外的研究动态及发展趋势： 1 9 9 8 年，j n i l s s o n 5 】用随机方法对网络控制系统进行了分析，建立了增广矩阵模 型，假设网络诱导时延在每个采样周期存在于传感器与控制器和控制器与执行器之间， 给出了任意一个小于采样周期的网络诱导时延系统的稳定性条件和在此条件下网络控 制系统的控制器设计方法 2 0 0 1 年，w z h a n g ，m s b r a n n i c k y ，s m p h i l l i p s 1 0 】分析了网络控制系统的基本问题： 网络时延，单包多包传输，丢包用混合模型分析了取样周期和时延的关系 2 0 0 4 年，y u 【9 1 等用切换控制的方法研究了网络控制系统的丢包和时延问题 2 0 0 5 年，l i q i a nz h a n g l 8 j 研究了具有任意时延的离散网络控制系统模型的稳定性问 题，将时延看作m a r k o v 链，给出了稳定控制器存在的充分条件，并用线性矩阵不等式的 方法计算了状态反馈增益 2 0 0 6 年，a n d r e yvs a v k i n l 2 0 用拓扑的概念分析研究一类不确定性网络控制系统， 并计算了该拓扑熵 从国内外文献可以看出，目前对网络控制系统的研究主要在下面的几个方面： ( 1 ) 时延问题 如果网络时延是分布特性已知的随机量，则网络化控制系统为一个随机系统，可利 用随机控制的理论和方法进行系统分析与设计当网络时延是时变、不确定时延，可采 用鲁棒控制、白适应控制、智能控制等方法对具有时变时延的网络化控制系统进行分析 与设计也可通过在控制器和执行器节点设置一定深度的先进先出( f i f o ) 缓存器等方 法，将时变时延转化为固定时延，利用确定性系统的方法进行系统分析与设计【5 5 】 假设延迟小于采样周期的前提下，基于离散域，将网络延迟建模为独立随机延迟或 利用m a r k o v 链建模为随机网络延迟等，把n c s 中的随机网络延迟作为一个线性二次型 高斯问题( ( l q g ) 来处理该方法中也指出了时间戳的重要性 针对时延大于一个采样周期的情形，也出现了一些新的方法，例如混合系统等朱 其新等针对控制器和执行器均为事件驱动，网络时延上限大于一个采样周期时，分别建 立了s i s o 和m i m o 网络化控制系统的离散模型，研究了闭环系统的稳定性，给出了随 机最优控制器的设计方法 8 第一章绪论 固定时延网络化控制系统应用确定性设计方法应首先将随机时变延迟转化为固定 或周期性延迟，然后针对固定延迟设计控制器排队机制用于将n c s 中的随机延迟重 构为确定性延迟，使n c s 变成时不变系统早期的排队方法提出基于预估器的确定性 延迟补偿方法，设计一个观测器估计设备状态，一个预估器计算基于过去的输出测量值， 把控制和历史输出测量值分别存放在一个f i f o 队列和一个移位寄存器上，由于观测器 和预估器性能依赖模型精度，所以设备模型要求必须非常精确 ( 2 ) 数据包丢失问题 大部分文献在研究n c s 丢包问题时，都假定各个节点是同步的，时延必须小于一 个采样周期，在这些基础上分析系统的稳定性问题目前针对数据包丢失的研究，没有 同时考虑网络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显而易见 的 ( 3 ) 单包传输和多包传输问题 多包传输的网络化控制系统既包含了s i s o 对象采用多包传输的系统，又包含了被 控对象为m i m o ，具有多个传感器、控制器及执行器的系统由于多包传输网络化控制 系统相对于单包传输网络化控制系统要复杂得多，目前的研究成果中对系统部件的工作 模式( 控制器和执行器采用事件驱动还是时间驱动) 等问题尚未有统一的结论，可以说多 包传输网络化控制系统尚处于起步阶段，有待于进一步的研究 ( 4 ) 兼顾q o p 和q o s 的控制与调度的综合研究 n c s 是由网络和控制组成的系统，其闭环性能不仅依赖于控制算法的设计，还依赖 于对网络资源的调度【5 7 】大多数研究集中于两个方面：通信协议和控制器的设计合适 的通信协议可以保证网络的服务质量( q o s ) ，而先进控制器设计是为了保证控制的品质 ( q o p ) 由于网络和控制的内在联系，在n c s 中有必要同时考虑网络和控制的参数，以 保证网络的q o s 和控制的q o p t i p s u w a n 提出了终端用户自适应控制方法，并且通过直流电机调速系统验证了方法 的可行性及效果该方法假定控制器和远程系统能够测量网络条件( 吞吐量、网络流量、 延迟边界、带宽等) 控制器可以请求和更新网络q o s 需求如果期望的q o s 需求不能 达到，则在目前网络条件下，控制器使系统参数达到最优的情况下尽可能维持系统的最 佳性能【9 1 1 基于r m ( r a t em o n o t o n i c ) 静态调度算法，z h a n g 1 0 】研究了在满足网络资源可调度性 和系统稳定性双重约束条件下，使n c s 系统动态性能达到最优的采样周期优化问题当 系统无法满足网络资源可调度条件时，z h a n g 提出在保证系统稳定条件下，可通过人为 丢包的方式满足网络资源可调度条件，但没有实现该方式的自动算法 1 5 本文主要工作 本文的研究主题是网络控制系统的稳定与控制基于l y a p u n o v 稳定性理论，采用 l m i 和各种数学变换，依据目前的研究成果和资料，对某些方面进行了相应的推广， 并分析了几类网络控制系统的不确定性，网络诱导时延和系统的稳定性 9 江南大学硕士学位论文 全文包括绪论共分为六部分，论文的内容安排如下： 第一章介绍了网络控制系统的由来，研究的目的和意义，网络控制系统的概念以及 常用网络，及研究现状 第二章主要介绍了网络控制系统的网络诱导时延、数据包传输方式、丢包及数据包 的时序错乱、节点的驱动方式、网络调度等基本问题及处理方法，其次介绍本文主要用 的线性矩阵不等式的方法 第三章针对网络系统中的不确定性，利用引入不确定矩阵的分析方法，基于网络控 制系统的离散化模型得到了保成本控制律，进而网络控制系统的保本控制器最后给出 了数值实例，说明了我们结论的有效性 第四章分析了一类带有时变依时滞和不确定性的网络控制系统的稳定性我们利用 了新颖的l y a p u n o v 函数，对控制系统的时变时延和不确定性给出了两个定理，得到了保 守性更小的结果最后，列举了两个例子显示我们结果的有效性和优越性 第五章探讨了一类随机的网络控制系统，对系统进行了稳定性分析通过选取 l y a p u n o v 函数，利用线性矩阵不等式的方法，得出系统的稳定条件，进而计算出系统的 最大时延，以保证系统的稳定 最后，对全文的研究工作进行了概括和总结，并提出了有待进一步研究和解决的一 些问题 1 0 第二章网络控制系统的基本问题与l m l 方法介绍 第二章网络控制系统的基本问题与l ml 方法介绍 闭环控制系统中由于通讯网络的引入，使得n c s 在具有多重优点的同时，也给控 制系统带来了许多新的问题这些问题主要包括网络时延、数据包丢失、数据的单包和 多包传输、数据乱序及网络调度3 6 3 7 1 等问题这些对网络控制系统的稳定和性能有重大 的影响本章将介绍网络控制系统的基本概念及网络控制系统的分析设计方法，并对本 文所采用的线性矩阵不等式( l m i ) 方法作介绍 2 1 网络控制系统的基本问题 2 1 1 网络诱导时延 网络中的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而网络的承载能力和 通信带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，这使得信息在传输过程中不 可避免地存在时延【3 由于网络的引入，使得网络控制系统信息在传输过程中产生的时 间延迟称之为网络诱导时延，它是网络控制系统研究中面临的最基本的问题之一网络 诱导时延包括： 1 ) 传感器到控制器时延f 鼯 2 ) 控制器到执行器时延r ， 3 ) 控制器执行运算产生的时延，一般情况下，广远小于f ”以及彳“，所以经常并 入f 鲇或f 中 网络诱导时延由于受到网络所采用的通信协议、网络当时的负荷状况，网络的传输 速率和信息包的大小等诸多因素的影响，而呈现出或固定或随机、或有界或无界的特征， 导致控制系统性能的下降甚至不稳定，同时也给控制系统的分析、设计带来了很大的困 难根据不同的网络协议，网络诱导时延可以建模为定常时延、时变时延、随机时延f 3 4 1 等网络诱导时延存在于控制系统的信息反馈通道中，对闭环系统的性能和稳定性均有 影响应予以考虑和研究 一般情况下，网络诱导时延是时变不确定的1 2 0 1 ，可能大于一个采样周期，也可能小 于一个采样周期如果网络诱导时延小于一个采样周期，则称这样的网络诱导时延为短 时延如果网络诱导时延大于一个采样周期，则称这样的网络诱导时延为长时延【2 5 1 时 延的长短主要是依据时延的上界区分，对于长时延的情况，在某些时段内也可能出现时 延小于一个采样周期的情形 2 1 2 数据包的时序错乱 数据包的时序错乱一般发生在具有路由器、网关等中继环节的长时延网络控制系统 中由于路由器会根据网络的实际情况选择合适的网络途径传输数据，因而相同节点发 送的数据包可能会经过不同的网络路径到达目标节点，另外数据包在中继环节的队列中 等待的时间往往也不同，因而造成数据包的时序错乱【9 1 数据包的乱序又可分为两种不 同的情况： 江南大学硕士学位论文 1 ) 在单包传输的网络控制系统中，由于数据包中的数据是完整的，乱序使得后发 的数据先到； 2 ) 在多包传输的网络控制系统中，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数 据包从源节点到达目标节点时，不仅不同时刻的数据包的时序会发生错乱，而 且不同时刻数据的不同数据包的到达时间也会参差不齐对以上两种情况，在 n c s 的设计中应分别加以相应的处理但是数据包的时序错乱，过程比较复杂， 有关这方面的研究相对还较少 2 1 3 单包传输和多包传输 以数据包形式传输信息是网络控制系统区别于传统控制系统的主要特点，网络控制 系统中的数据包传输主要分为单包传输和多包传输【1 1 1 单包传输是指在网络控制系统中 传感器、控制器以及其他系统部件的待发数据都被封装在一个数据包中一起发送而多 包传输是指传感器、控制器以及其他系统部件的待发数据被分成多个数据包，分时发 送在网络控制系统中进行多包传输，一