（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的建模、分析与控制.pdf

1v执鼍 lj：】- ad i s s e r t a t i o ni nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l lilkilli l lti i iii i i i iii y 1717 2 0 3 e n g i n e e r i n g m o d e l i n g ，a n a l y s i sa n dc o n t r o lo f n e t w o r k e dco n t r o ls y s t e m s b yj i a n gc h o n g 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 n o v e m b e l 2 0 0 9 j-，d ， 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 , oio 耳ib7 疗 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。本人授权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 导师签名： 签字日期： - i - 2 。f 。4 畸 r k ：、 芦孑 ， ，厂 、 一。 一，j 、， 铂 1。， p 、 ： 一 、 ， i 东北大学博士学位论丈摘要 网络控制系统的建模、分析与控制 摘要 网络控制系统是通过实时网络构成闭环的反馈控制系统。在网络控制系统 中，传感器、控制器、执行器及被控对象和通讯网络连接在一起，设备之间信息 通过一个共享的网络通道进行传输。9 6 i 络控制系统是计算机技术、通信技术与控 制技术发展与融合的产物，与传统的“点对点”直接相连的控制系统相比，网络 控制系统具有布线简单、结构灵活、易于安装与维护、有较高的容错与故障诊断 能力等优点。然而，由于网络带宽有限以及信息传输过程中的碰撞，不可避免地 导致信息延迟、数据包丢失、多包传输以及时变采样剧期等问题。这些问题的存 在破坏了系统性能，甚至导致系统不稳定。因此，如何针对网络控制系统自身特 点，应用已有的控制理论方法来解决网络控制系统中存在的问题，已成为控制领 域研究的一个热点。 目前，针对具有网络诱导时延及数据包丢失网络控制系统的建模、稳定性分 析及控制器设计等问题的研究取得了一系列的成果。而关于如何有效使用有限通 讯资源，使数据信息合理分享通讯渠道，从而提高网络控制系统性能的问题尚未 得到充分研究。本文在总结前人工作的基础上，针对具有网络诱导时延和数据包 丢失的网络控制系统，基于m a r k o v 尉6 变系统的相关理论，提出了具有随机时延及 数据包丢失的网络控制系统的建模及确保闭环系统稳定的静态输出反馈日。控制器 的设计方法；提出了经由周期时变局部控制器镇定的网络控制系统的建模方法， 使控制信息有效利用带宽有限的通讯渠道，从而提高系统性能：提出了具有量化 反馈的网络控制系统的建模方法，通过采用动态量化器，调节其动态调节参数， 缩小最化范围，使得系统渐近稳定且具有良好的乩性能。本文的主要工作包括以 下几个方面： ( 1 ) 针对网络控制系统中网络带宽有限的特点，为了节约网络带宽，降低网络 拥塞率，缩短数据传输时延，我们根据m a r k o v 跳变系统的相关理论，提出了一类 具有随机时延以及数据包丢失的网络控制系统的建模方法。其中，系统中的传感 器、控制器采用时问驱动，执行器采用事件驱动，传感器的数据采用单包传输。 在实际控制中，因为被控对象的状态无法被直接测量得到，所以提出了一种在实 际应用中更容易实现的静态输出反馈如控制器设计方法。根据线性矩阵不等式相 关理论，通过建立和求解一个凸优化问题，得出了静态输出反馈日最优控制律。 与已有的静态输出反馈控制器的设计方法相比，我们的设计更简单可行。 ( 2 ) 研究在介质访问受限的条件下网络控制系统的镇定问题。根据周期时变系 统理论，研究了由网络连接具有多个传感器、控制器和执行器存在的网络控制系 o 会- 东北大学博士学位论文摘要 统的建模问题。由于介质的传输渠道带宽是有限的，在一定的时间内只有部分的 传感器和执行器可以获得由控制器输送的变换信息，而其他的传感器和执行器只 能等待，因此网络控制系统的性能不仅依赖于控制器的选择，还依赖于介质在网 络控制系统中的传输效率。我们通过设计彼此经由网络连接的分散动态输出反馈 控制器，得出网络控制系统镇定的充要条件。根据线性矩阵不等式相关理论，给 出一整套周期时变局部控制器的设计方法。 ( 3 ) 研究了具有网络诱导时延及数据包丢失的网络控制系统新模型，模型中考 虑了数据信息通过网络传输时特有的采样及量化等特征。分别讨论了利用量化状 态反馈实现网络控制系统比控制及具有非线性扰动网络控制系统的镇定问题。基 于线性矩阵不等式相关理论，推导出确保系统渐近稳定同时满足乩性能的状态反 馈控制器的设计方法。通过求解凸优化问题，获得网络控制系统及具有非线性扰 动的网络控制系统的最大允许时滞界。 ( 4 ) 研究了一个新的网络控制系统模型，此模型同时考虑了数据信息在传感器 到控制器及控制器到执行器之间传输过程中存在网络诱导时延及数据包丢失等情 况，以及多率采样及动态量化作用对系统的稳定性所产生的影响。通过选取适当 的l y a p u n o v - k r a s o v s k i i 函数，得到一个不仅依赖于系统的控制输入信号，还依赖 于系统的测量输出信号量化动态输出反馈控制器。根据每个采样时刻所确定的动 态调节参数他( i = 1 ，2 ) 的值( 胁( = 1 ，2 ) 取自可数集且依赖于系统的控制输入和测 量输出值) 设计量化控制器，且控制器设计仅仅需要量化器钆，( 蜘( f ) ) 和钆：( 纨( t ) ) 在 采样序列t = s t ，t = o r i ( t = l ，。) 的值。为了获得较少保守性镇定策略，文中 引入一些松弛变量，利用线性矩阵不等式方法得出不确定时变网络控制系统的最 大允许时滞界。与已有的结论相比，我们的结论具有较少的保守性。 ( 5 ) 研究了一类不确定的网络控制系统新模型。此模型考虑了数据信息在传感 器到滤波器之间传输过程中存在的网络诱导时延及数据包丢失等情况，同时考虑 了采样及量化作用对系统的影响。通过选取适当的l y a p u n o v - k r a s o v s k i i 函数，得 出比滤波器的设计方法。在设计中，动态量化控制器设计依赖于每个采样时刻所 确定的动态调节参数弘的值( 弘取自可数集且依赖于系统的测量输出值) ，且控制器 设计仅仅需要量化器钆( 蜘( t ) ) 在采样序列t = s f ( i = 1 ，o o ) 的值。然后，研究了 更具有一般性的多面体不确定网络控制系统的滤波器设计问题。通过建立求解一 个凸优化问题，提出一个使系统具有更好的乩性能的滤波器设计方法。 关键词：网络控制系统( n c s s ) ；动态输出反馈；网络诱导时延；数据包丢 失；采样；混杂镇定；如控制；马尔可夫跳变系统；时滞依赖；线性矩阵不等 式( l m i ) 一i v _ 7 r _ 、 p 【 、 ，一一 一一 东北大学博士学位论文 a b s t r a c , t m o d e l i n g ，a n a l y s i sa n dc o n t r o lo fn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s a b s 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 s ( n c s s ) a r ec l o s e dl o o pf e e d b a c ks y s t e m sc o n s t i t u t e d b yr e a l t i m en e t w o r k i nn c s s ，s 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 r ec o n n e c t e db y m e a n so fan e t w o r ko ro t h e rs h a r e dm e d i u m ，a n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na m o n g c o n t r o ls y s t e mc o m p o n e n t si sr e a l i z e dt h r o u g hac o m m o n l ys h a r e dn e t w o r km e d i u m ， w h i c hi st h ed e v e l o p m e n ta n di n t e g r a t i o no fc o n t r o ls c i e n c e ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o ls y s t e mm a r k e db yt r a d i t i o n a l “p o i n tt op o i n t ”d i r e c tl i n k ，t h e r ea r es e v e r a la d v a n t a g e sf o rn c s s ，w h i c h a r eg i v e na sf o l l o w s ，b u tn o tl i m i t e dt ol e s sw i r e ，l e s sc o s to fi n s t a l l a t i o n ，e a s ym a i n t e n a n c e ，h i g h e rf l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，g o o df a u l td e t e c t i o na b i l i t y , e t c h o w e v e r ， s o m ep r o b l e m ss u c ha sn 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 ，m u l t i p a c k e tt r a n s m i s s i o na n dt i m e - v a r y i n gs a m p l i n gp e r i o da r eu s u a l l ya r i s e nd u et ob a n d l i m i t e d c h a n n e l s ，s ot h eu s eo fan e t w o r km a yd e t e r i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo rc a u s ei n s ta b i l i t y c o n s e q u e n t l y ，a s s o c i a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fn c s s ，i th a sb e c o m eah o ti s s u e h o wt os o l v et h e s ep r o b l e m si nn c s sb yu t i l i z i n ge x i s t i n gc o n t r o lt h e o r i e s r e c e n t l y , aw i d er a n g eo fr e s e a r c hh a sb e e nr e p o r t e dd e a l i n gw i t hp r o b l e m s r e l a t e dt om o d e l i n g ，s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dd e s i g no fc o n t r o l l e ro fn c s sw i t hn e t w o r k - i n d u c e dd e l a ya n dp a c k e td r o p o u t h o w e v e r ，t h ep r o b l e mh o wt oe f f i c i e n t l yu t i l i z e t h ef i n i t ec o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e sa n ds u f f i c i e n t l ys h a r en e t w o r kb a n d w i d t hi ss t i l l t ob es o l v e d w h i c hc a ng u a r a n t e es t a b i l i t yo fc l o s e d l o o ps y s t e ma n dm a i n t a i n r e l a t e dg o o dp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so fi n t e g r a t i o no fr e l a t e dp r e v i o u sw o r k s ， m o d e lf o r m u l a t i o nf o rn c s sw i t hs t o c h a s t i ct i m ed e l a ya n dd a t ad r o p o u ti sp r o p o s e d b yu t i l i z i n gt h et h e o r yo fm a r k o vj u m ps y s t e m ，a n ds t a t i co u t p u tf e e d b a c kc o n t r o l l e r i sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h em o d e lf o r m u l a t i o nf o rn c s si s p r o p o s e db yv i r t u eo fp e r i o d i c a l l yt i m e - v a r y i n gc o n t r o l l e r ，w h i c hf a c i l i t a t e st h es h a r e o fi n f o r m a t i o nw i t ht h el i m i t e dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l h e n c e ，t h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e mi si m p r o v e d b yu s i n gt h ed y n a m i c a ls c a l a r ，t h ed y n a m i c a lp a r a m e t e r sc a n b es w i t c h e d ，a n dt h ep r o p o s i t i o no ff o r m u l a t i o no fn c s sw i t hq u a n t i z e df e e d b a c k c o n t r o l l e rc a ns t a b i l i z et h em o d e ls y s t e ma n dm a i n t a i ng o o dh of u n c t i o n t h e m a i nr e s u l t so b t a i n e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o no fb a n d w i d t hi nt h en c s s ，ac l a s so ff o r m u l a t i o n m e t h o d sf o rn c s sw i t hs t o c h a s t i cd e l a ya n dd a t ap a c k e td r o p o u ta r ep r o p o s e d 。v 群， 丐一 一l 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt e r m so ft h et h e o r yo fm a r k o vj u m ps y s t e m s ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt os a v i n gt h e b a n d w i d t h ，r e d u c i n gc o n g e s t i o no fn e t w o r k ，s h o r t e n i n gd e l a yo fd a t at r a n s m i s s i o n i nt h ed e s i g n e dm o d e l s ，s e n s o rn o d ea n dc o n t r o l l e rn o d ea r et i m e - d r i v e n ，t h ea c t u a t o r n o d ei se v e n - d r i v e n ，a n dt h es a m p l e dd a t aw e r el u m p e dt o g e t h e ri n t os i n g l ed a t a p a c k e t s i n c et h es t a t eo fn c s sc a n tb em e a s u r e dd i r e c t l y , t h e 巩c o n t r o l l e rd e s i g n i sp r e s e n t e dt h r o u g hs t a t i co u t p u tf e e d b a c k b ym e a n so ft h el m i ，t h ed e s i g no ft h e h o p t i m a lc o n t r o l l e ri sf o r m u l a t e da sac o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e m c o m p a r e d w i t ht h ee x i s t i n gr e s u l t s ，t h em e r i t so ft h eo b t a i n e dr e s u l t sa r es i m p l ea n df e a s i b l e ( 2 ) t h es t a b i l i z a t i o np r o b l e mo fn c s si ss t u d i e du n d e rc o n d i t i o n so fr e s t r i c t e d m e d i aa c c e s sn c s s b a s e do nt h et h e o r yo ft i m e - v a r y i n gp e r i o d i cs y s t e m ，t h er o o d - c l i n go fn c s sw i t hm u l t i p l es 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 r ec o n n e c t e dw i t ha n e t w o r ki sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no nb a n d w i d t h ， o n l yap o r t i o no ft h es e n s o r sa n da c t u a t o r sc a nr e c e i v et h ei n f o r m a t i o nd e l i v e r e d b yt h ec o n t r o l l e r h o w e v e r ，t h eo t h e rs e n s o r sa n da c t u a t o r sh a v et ow a i t t h e r e - f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fn c s sn o to n l yd e p e n d so nt h ec o n t r o l l e rd e s i g n e d ，b u ta l s o d e p e n d so nt h em e d i at r a n s m i t t e de f f i c i e n t l y i nt e r m so ft h ef e a s i b l es o l u t i o n st o l m i an e c e s s a r ya n ds u f i i c i e n tc o n d i t i o ni sd e r i v e dv i at h eu s a g eo fn e t w o r k si n t h ec o n t e x to fd e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，a n dt h es e to fp e r i o d i c a l l yt i m e - v a r y i n g ( p t v ) l o c a lc o n t r o l l e rc a nb ed e r i v e d ( 3 ) t h ep r o b l e mo fc o n t r o l l e rd e s i g nf o rn c s sv i ad i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni sa d - d r e s s e d t h es y s t e m su n d e rc o n s i d e r a t i o na r es t a b i l i z e dv i as t a t ef e e d b a c k ，w h e r e t h ee f f e c t so fs a m p l e ds i g n a l ，s t a t eq u a n t i z a t i o n ，n e t w o r k - i n d u c e dd e l a ya n dp a c k e t d r o p o u ta r ec o n s i d e r e d t h ep r o p o s e dd e l a y - d e p e n d e n ts t a b i l i t yc r i t e r i aa r ef o r - m u l a t e di nt h ef o r mo fl m i sm e t h o d ，w h i c he n s u r e sa s y m p t o t i cs t a b i l i t ya n da p r e s c r i b e dh p e r f o r m a n c el e v e lf o rn c s sw i t ha d m i s s i b l eu n c e r t a i n t i e s m a x i - m u ma l l o w a b l ed e l a yb o u n do fn c s si so b t a i n e db ys o l v i n ga c o n v e xo p t i m i z a t i o n p r o b l e m a tt h es a m et i m e ，q u a n t i z e df e e d b a c ks t a b i l i t yc r i t e r i o no fn c s sw i t h n o n l i n e a rp e r t u r b a t i o ni sp r o p o s e ds u c ht h a tt h ec l o s e d - l o o pn c s sa r es t a b l e 飞 ( 4 ) t h ep r o b l e mo ft h eq u a n t i z e 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 rd e s i g n f o rn c s si sp r o p o s e d b yu s i n gt h eq u a n t i z e di n f o r m a t i o no ft h es y s t e mm e a s u r e - m e n to u t p u ta n dt h ec o n t r o li n p u t ，an o v e ln c sm o d e li sd e s c r i b e d t h i sm o d e l c o v e r sm a n yn e t w o r k - i n d u c e df e a t u r e s ，s u c ha sm u l t i r a t es a m p l e d d a t a ，q u a n t i z e d s i g n a l ，t i m e - v a r y i n gd e l a ya n dp a c k e td r o p o u t b a s e do nl y a p u n o v - k r a s o v s k i if u n c - t i o n s al e s 8c o n s e r v a t i v es t a b i l i z a t i o nc r i t e r i o nf o rt h ee x i s t e n c eo fad y n a m i co u t p u t f e e d b a c kc o n t r o l l e ri sd e r i v e db yi n t r o d u c i n gs l a c km a t r i xv a r i a b l e s t h eq u a n t i z e d v i ) j 1 一 。 ，二 ， 东北大学博士学位论文a b s t r a c t c o n t r o ls t r a t e g yi n v o l v e st h eu p d a t i n gv a l u e so ft h eq u a n t i z e rp a r a m e t e r s 胁( i = 1 ，2 ) ( # d i = 1 ，2 ) t a k eo nc o u n t a b l e s e t so fv a l u e sw h i c hd e p e n d e n to nt h ei n f o r m a t i o no f t h es y s t e mm e a s u r e m e n to u t p u t sa n dt h ec o n t r o li n p u t s ) d e s i g no fc o n t r o l l e ro n l y n e e d st h ev a l u e so fq u a n t i z e r s 钆1 ( 蜘( ) ) ，q 2 ( y c ( ) ) i nt h es a m p l es e q u e n c et = 8 ia n d t = 吼( i = 1 ，o 。) i nt e r m so ft h ef e a s i b l es o l u t i o n st ol m i ，m a x i m u ma l l o w - a b l ed e l a yb o u n d so ft i m e v a r y i n gd e l a ya r eo b t a i n e d c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n g r e s u l t s ，t h em e r i t so ft h eo b t a i n e dr e s u l t sa r el e s sc o n s e r v a t i v e ( 5 ) t h ep r o b l e mo ft h er o b u s t 日f i l t e r i n gf o ru n c e r t a i nn c s s ，w h e r em e a - s u r e m e n tq u a n t i z a t i o n ，s i g n a lt r a n s m i s s i o nd e l a y sa n dd a t ap a c k e td r o p o u ta r ec o n s i d e r e d ，i sa d d r e s s e d t h es i g n a lt r a n s m i s s i o nd e l a y sa r ea s s u m e dt oh a v eb o t ha n u p p e rb o u n da n dal o w e rb o u n d ，w h i c hi sm o r ep r a c t i c a lt h a ne x i s t i n gr e s u l t sf o r n c s s b a s e do nl y a p u n o v - k r a s o v s k i if u n c t i o n s al e s sc o n s e r v a t i v es t a b i l i t yc r i t e - r i o ni sp r o p o s e ds u c ht h a tt h ec l o s e d - l o o pn c si sa s y m p t o t i c a l l ys t a b l ew i t ha nh o 。 p e r f o r m a n c eb o u n d t h eq u a n t i z e dc o n t r o ls t r a t e g yi n v o l v e st h eu p d a t i n gv a l u e so f t h eq u a n t i z e rp a r a m e t e r s 弘( pt a k eo nc o u n t a b l es e t so fv a l u e sw h i c hd e p e n d e n to n t h ei n f o r m a t i o no ft h es y s t e mm e a s u r e m e n to u t p u t s ) d e s i g no ff i l t e ro n l yn e e d s t h ev a l u eo fq u a n t i z e r q 肛( 铷( ) ) i nt h es a m p l es e q u e n c et = s i ( = l ，o 。) t h e o p t i m a lf i l t e ri sf o r m u l a t e da sac o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e m m o r e o v e r ，t h e r e s u l t i n gc r i t e r i o ni sf u r t h e re x t e n d e dt om o r eg e n e r a lc a s e s ，w h e r et h ep a r a m e t e r u n c e r t a i n t yo fs y s t e mm a t r i c e si sa s s u m e dt ob eo ft h ep o l y t o p i ct y p e 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 c s s ) ；d y n a m i co u t p u tf e e d b a c k ； 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 a m p l e d - d a t a ；h y b r i ds t a b i l i z a t i o n ；h c o n t r o l ；m a r k o vj u m ps y s t e m ；d e l a y d e p e n d e n t ；l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ( l m i ) 一v i i 。 一k 、 1 0 1一， 、 ： 气 东北大学博士学位论文目录 目录 独创声明 i 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1引言1 1 2网络控制系统基本问题2 1 2 1 网络诱导时延 2 1 2 2 数据包丢失3 1 2 3 单包与多包传输4 1 2 4 采样与量化，4 1 2 5 节点的驱动方式 5 1 3网络控制系统研究现状6 1 3 1 网络诱导时延问题 6 1 3 2 数据丢包问题 7 1 3 3 多包传输问题8 1 3 4 采样及量化问题 9 1 4本文的主要研究工作n 1 4 1 具有随机时延网络控制系统的m a r k o v 建模及巩控制1 l 1 4 2 经周期时变局部控制器镇定的网络控制系统的分析与控制1 2 1 4 3 具有状态量化的网络控制系统的日控制1 2 1 4 4 网络控制系统的量化动态输出反馈控制1 2 1 4 5 具有多面体不确定网络控制系统的比滤波1 2 1 4 6 结论与展望1 3 第二章预备知识1 5 2 1 如控制1 5 2 2一些引理1 6 2 3符号说明1 8 i x 东北大学博士学位论文 目录 第三章具有随机时延网络控制系统建模及比控制2 1 3 1 引言2 1 3 2 具有随机时延网络控制系统的m a r k o v 建模及乩控制器设计2 1 3 2 1 系统建模2 1 3 2 2 比控制器设计2 4 3 2 3 算例仿真2 8 3 3 本章小结3 2 第四章具有周期时变局部控制器的网络控制系统的镇定3 3 4 1引言3 3 4 2 经周期时变局部控制器镇定的网络控制系统的分析与控制3 3 4 2 1 问题描述3 3 4 2 2 主要结果3 6 4 2 3 算例仿真3 8 4 3 本章小结4 l 第五章具有状态量化的网络控制系统的氏控制4 3 5 1引言4 3 5 2 具有状态量化的网络控制系统的巩控制4 4 5 2 1 问题描述4 4 5 2 2 混杂镇定策略4 5 5 2 3 控制器设计4 9 5 2 4 算例仿真5 3 5 3具有非线性扰动的网络控制系统的量化控制5 5 5 3 1 问题描述5 5 5 3 2 控制器设计5 5 5 3 3 算例仿真6 0 5 4 本章小结6 l 第六章网络控制系统的量化动态输出反馈控制6 3 6 1 引言6 3 6 2 网络控制系统的量化动态输出反馈控制6 3 6 2 1 问题描述6 3 一x 一 ， r 扩 攻读博士学位期间的研究成果1 2 3 个人简历1 2 5 x i 尸， 文 目录 x i i 0 一 ， 户 k ， 东北大学博士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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 ) p 叫又称网络化的控制系统，最早 出现在马里兰大学g c w a l s h 的论著中，网络控制系统是一种全分布、网络化、 集成化、节点智能化的实时反馈控制系统。在网络控制系统中，传感器、控制 器、执行器及被控对象和通讯网络连接在一起，设备之间的数据通过一个共享的 网络通道进行传输，从而实现设备之间资源共享和协调操作。它是计算机技术、 通信技术与控制技术发展与融合的产物。与传统的“点对点( 被控对象、传感 器、执行器及控制器等直接相连，并且信号能够被无损失传播且传输的过程没有 时延) 直接相连的控制系统相比，网络控制系统具有布线简单、结构灵活、易于安 装与维护、有较高的容错与故障诊断能力、能够实现信息资源共享等优点p 一1 。 近几年来，随着控制技术及通信技术的提高，以及现场总线和工业以太网等 分布式控制系统的快速发展，这种网络环境下的新型网络控制系统得到迅速发 展，它被越来越多地应用于复杂的工业控制领域，例如汽车工业制造、飞行器设 计p 1 、机器人控制p 1 1 1 以及基= f i n t e r n e t 的远程过程控制实验p2 驯等。一个典型的 网络控制系统结构如图( 1 1 ) 钏所示。 网络控制系统作为一门崭新的学科是计算机网络技术和控制技术两个学术领 域的交叉学科u 引。其中，控制理论领域学者的研究工作主要侧重于网络控制系统 的建模和控制器的设计等问题，着重研究系统的稳定性、快速性、准确性、超调 和震荡等方面理论；而通信技术领域学者研究更多网络控制系统的问题是网络服 图1 1网络控制系统 f i g 1 1 n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 东北大学博士学位论文 第一章绪论 务质- 量( q u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q o s ) ) ，着重研究网络吞吐量、传输效率、误差率、时 延可预测性和任务可调度性等方面理论。因此，基于传统的控制理论所提出的设 计与分析方法不能直接应用到网络控制系统中，要使得网络控制系统能够稳定并 且具有良好的动态性能，需要根据网络控制系统的自身特征建立数学模型，同时 发展相应的分析、设计和控制方法。因此，如何针对网络控制系统自身特点，建 立新的理论和方法来解决网络控制系统中存在的问题，成为目前控制领域研究的 一个热点问题。 自从马里兰大学g c w a l s h 的论著中提出网络控制系统定义以来，网络控