（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统通信逻辑的设计与分析.pdf

中文摘要 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 ) 是一类通过有线无线通信网络 将传感器、控制器和执行器进行互联的分布式控制系统，网络化提高了控制系统 的效率、灵活性和可靠性，降低了系统成本，但也给控制系统带来了新的问题， 带宽约束( b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s ) 就是其中之一。由于网络带宽不可能无限大， 如果没有足够的网络带宽，控制信息就无法及时有效的传输，从而导致系统性能 恶化甚至造成系统不稳定。合理分配网络节点的带宽使用、减少网络中所需要传 输的信息量是解决带宽约束问题的有效方法，但目前有关如何减少包传输网络数 据量的研究比较少，有必要进行进一步探索。 通信逻辑( c o m m u n i c a t i o nl c g i c ) 是解决带宽约束问题的一种有效方法。首 先，针对通信逻辑的原理和研究现状进行了总结，分析了通信逻辑研究的关键问 题和存在不足。以线性时不变过程为对象，提出了一种新型的、基于系统状态的 随机通信逻辑，它由一个状态依赖泊松过程决定，设计了具有随机通信逻辑的智 能传感器节点并应用于一般结构的状态反馈网络控制系统。为了分析通信逻辑在 系统中所起的作用，采用b o u n u l l i 过程刻画网络丢包，建立了具有随机通信逻辑 的网络控制系统模型。基于该模型，结合随机稳定性理论、带时倚强度泊松过程 相关原理进一步证明了系统保持均方渐近稳定的充分条件，并对具有随机通信逻 辑的输出反馈网络控制系统稳定性进行了探讨。最后利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真 工具对建立的具有随机通信逻辑的系统模型进行仿真验证，比较了随机通信逻辑 和周期通信逻辑对系统性能的影响，进一步分析了采用常值强度和状态依赖强度 时的随机通信逻辑的特点和性能，验证了基于状态依赖泊松过程的随机通信逻辑 可以有效减少网络节点的带宽使用这一理论结果。 仿真结果表明，通过在网络控制系统中引入基于系统状态的随机通信逻辑， 可以合理的确定传感器选择合适的时间传送系统状态数据，从而减少网络节点对 网络带宽的使用，有效的降低网络中传输的数据量，同时保证系统稳定和一定的 系统性能。 关键词：随机通信逻辑网络控制系统带宽约束随机稳定性状态依赖泊松 过程丢包 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 ) b e l o n g st od i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s w h i c ht h es e n s o r s ，c o n t r o l l e r sa n da c t u a t o r sa r cc o n n e c t e db yas h a r e dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k t h i st y p eo ff e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m sw h e r et 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 han e t w o r ki sm o r ee f f i c i e n t , f l e x i b l e ，a n dr e l i a b l ew i t hl e s sc o s t h o w e v e r , n e t w o r ka l s ob r i n g ss o m en e wp r o b l e m s ，s u c ha sn e t w o r kd e l a y , d r o p o u t s ，b a n d w i d t h c o n t r a i n l s e t c t h er e m o t ec o n t r o l l e rc a n tg e te n o u g hi n f o r m a t i o nw h e nt h e r ea 托 m a n yn o d e so nt h en e t w o r kw h i l et h eb a n d w i d t hi s l i m i t e d 。a n dt h a tw i l lr e s u l t d e g r a d a t i o no fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，e v e nl e a d st oi n s t a b i l i t y d y r m m i c l ya l l o c a t i n g t h eb a n d w i d t hu s a g ea n dr e d u c i n gt h ea m o u n to ft h et r a n s m i t t e dd a t ai se f f e c t i v et o s o l v et h ep r o b l e mo f b a n d w i d t hc o n s t r a i n l s ，b u tn oe n o u g ha t t e n t i o nh a sb e e np a i d c o m m u n i c a t i o nl o g i ci sa ne f f e c t i v ek e ym e t h o df o rt h eb a n d w i d t hc o n s t r a i n t s p r o b l e mi nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s f i r s tw ei n t r o d u c et h ep r i n c i p i ei d e ao f c o m m u n i c a t i o nl o g i ca n ds u m n l a r i z et h er e c e n tr e s e a r c hp a p e ro ni t t h ew o r ki s 南c u s e do i ll i n e a rt i m ei n v a f i a n tp r o c e s s e sa n dan e wc o m m u n i c a t i o nl o g i c ，w h i c hi s b u i l to nas t a t ed e p e n d e n tp o i s s o np r o c e s s ，i sp r o p o s e da n dc o m b i n e di n t oan e wt y p e o fs l n a l ts e n s o r , t 0d e t e r m i n ew h e nt h es e n s o rs h o u l dt r a n s m i t ed a t at or e m o t e e o n t r o l l o r i no r d e rt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fc o m m u n i c a t i o nl o g i ca sw e l la st h e w h o l es y s t e m , w es e tu pt h em o d e lo f t h es t a t e s - f e e d b a c kn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s w i t hd a t ad r o p o u t sd e s c r i b e dt h r o u g hb o u n u l l ip r o c e s s ，a n ds t u d yt h em e a ns q u a r e a s y m p t o t i c a l l ys t a b i l i t yo fs y s t e m sb yu s i n gt h e s t o c h a s t i ct h e o r ya b o u tp o i s s o n p r o c e s sw i t ht i m ev a r y i n gd e n s i t y s u f f i c i e n tc o n d i t i o n s a r ed e r i v e dt h r o u g h m a t h e m a t i cd e d u c t i o n t h es t a b i l i t yf o ro u t p u t f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m s w i t h c o m m u n i c a t i o nl o g i ci sa l s od i s c u s s e dl a t e r f i n a l l y , t h e o r e t i c a lr e s u l t so fn c sw i t h t h en e wc o m m u n i c a t i o nl o 西ca r ev a l i d a t e db ym a t l a b s i m u l i n kt o o l s t h es t o c h a s t i c c o m m u n i c a t i o nl o g i cb a s e do ns t a t e so fs y s t e m si sc o m p a r e dw i t hp e r i o d i c c o m n m u n i c a t i o nl o g i ct h r o u g hs i m u l a t i o na n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ef o r m e rc a l l a c h i e v eb e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e i tt u r n so u tt h a tt h ec o m m u n i c a t i o nl o g i c ，w h i c hi sb a s e do ns t a t ed e p e n d e n t p o i s s o np r o c e s s ，c a r ld e t e r m i n et h ea p p r o p r i a t et i m ef o rs e n s o r st os e n dt h ed a t aa n d r e d u c et h eu s a g eo fn e t w o r kb a n d w i d t l l ，m e a n w h i l ea s s u r et h es t a b i l i t y a n d p c r f o r m e i l c ef o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m e s k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t i o nl o g i c ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，b a n d w i d t h c o n s t r a i n t s ，s t o c h a s t i cs t a b i l i t y , s t a t ed e p e n d e n tp o i s s o np r o c e s s ，d r o p o u t s 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 矽口年月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：加口1 年 ， 导师签名： 锄 月f 日签字日期：矿年月日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 1 1 1 网络控制系统的基本概念 随着计算机与网络通信技术的飞速发展和进步，计算机和网络凭借着自身的 优势逐渐成为了各种远程控制和自动化应用的主角，在工业、军事、航空航天、 医疗、交通等诸多领域获得了广泛的应用，网络化的控制( n e t w o r k e dc o n t r 0 1 ) 成为了复杂大系统控制和远程控制不断发展的客观需求【”，推动着控制系统由封 闭的集中体系向开放的分布式体系发展。一方面，现代化的设备、智能化的传感 器、控制器和执行器往往分布在不同的空间，相互之间的数据交换需要通讯网络 来实现；另方面，通信网络的管理和控制也越来越多的需要控制理论和策略的 指导 2 1 。 传统的集中式控制系统和集散式控制系统都有些共同的缺点，例如随着现 场设备的增加，系统布线十分复杂，成本高，丽灵活性和抗干扰性却较差，不方 便扩展【2 】【3 】。相反，基于网络的控制方式具有效率高、灵活性和可操作性好、可 靠性高、安装维护简便、易于扩展、成本低等优点，实现了信息资源的共享，提 高了系统资源的利用率，同时可以将现场控制与企业的商业战略相联系，进一步 扩大控制系统的规模，更好地实现控制系统的一体化和协调化。因此网络化是控 制系统发展的必然趋势，具有广阔的应用前景。 对于网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s ) ，目前国际上尚无 统一的名称和定义，也有文献称之为基于网络的控制系统( n e t w o r k - b a s e dc o n t r o l s y s t e m s ，n b c s ) 等，国内文献也有翻译为网络化控制系统 4 1 ，本文统一用网络 控制系统( n c s ) 进行表述。有关控制网络化的研究自2 0 世纪8 0 年代就已开始， 随着现场总线和以太网进入工业控制网络领域，1 9 9 6 年k i m 明确提出了网络化 控制这一概念 5 1 ，1 9 9 9 年，m a r y l a n d 大学的g r e g o r yc w a l s h 教授综合前人的研 究成果，正式提出了目前为大家广为接受的网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m ，n c s ) 概念，用来描述基于网络的闭环控制系统f 6 】。通常认为n c s 是一 类分布式控制系统( 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 ) ，狭义上讲，n c s 是指 将传感器、控制器、执行器等通过通信网络连接构成闭环反馈控制系统【7 】，将网 第一章绪论 络作为控制的技术手段或环境，完成对传统对象的控制。从广义上来讲，网络控 制系统还包括通过企业信息网络以及i n t e m e t 等实现对工厂车间、生产线甚至现 场设备的监视与控制等陋】。网络控制系统中的网络不同于一般的数据网络，它需 要能够支持实时或时间关键的应用，其基本特征是数据突发性小但频繁，数据包 相对较小，数据传输可以是事件或时间驱动的，测量和控制信号可以是单包传输 也可能是多包传输 4 1 。 总之，n c s 是通信技术、计算机技术与控制技术共同发展的结果，属于多 学科交叉领域，因此针对n c s 的分析和设计，也需要从网络和控制等角度进行 综合考虑。例如从网络的角度设计通信协议，来减少网络延时、数据丢失等问题 对控制系统的影响，或者从控制的角度将现有的网络结构、协议当作既定条件， 并在此基础上设计控制系统的结构和控制算法，以此补偿网络延时、数据丢失等 问题对系统的不良影响1 9 】。本文就是从控制的角度进行系统的分析研究。 1 1 2 网络控制系统的基本结构 按照控制系统各部分在空间分布的不同程度和方式，可以将网络控制系统的 结构划分为以下三类： ( 1 ) 分布式结构【l o 】 在分布式结构中，处在不同区域的被控对象、传感器、执行器通过网络进行 连接，实现远程闭环控制，结构如图3 1 所示。 图1 1 分布式结构 如果执行器和控制器直接连接，还可以演化出一种“半分布式”结构】，如 图3 2 所示，该结构中，传感器通过网络传送系统状态至控制器，而控制器直接 与执行器相连。由于控制系统中控制器和执行器之间的界限往往并不明显，特别 是由嵌入式微处理器构成的控制器通常都与执行器集成在一起，并且对于安全性 要求较高的系统，控制信号的传递一般不允许经过可靠性相对较低的网络，以避 第一章绪论 免给系统带来危险，所以这种半分布式结构的网络控制系统在应用中具有很大的 实用价值，是最普遍、一般的系统结构。 图1 2 半分布式结构 ( 2 ) 层次式结构f j 2 】 层次式结构由远程主控制器和本地闭环系统组成，其结构如图3 3 所示，其 中远程主控制器计算和发送参考信号给本地系统，由本地控制器实现本地闭环反 馈控制，同时返回系统运行信号给主控制器。 图1 3 层次式结构 ( 3 ) 并行式结构【1 3 】 并行式结构如图3 4 所示。在并行式结构中，控制器和被控对象组成系统节 点，系统节点之间通过网络传输信息，从而完成总体的控制目标。在并行结构中， 节点的动态特性是解耦的，而系统的控制目标是耦合的。 第一章绪论 图1 4 并行式结构 从并行式结构还可以演化出一类并行式多输入多输出分布式系统结构，以双输入 双输出系统为例，其结构如图3 5 所示： 图1 5 并行式双输入双输出系统结构 在并行式多输入多输出系统中，多个控制器之间通过网络传输各自的系统状态信 息，完成控制目标，系统的动态特性和控制目标都是耦合的。 1 1 3 网络控制系统的关键问题 由于受到网络协议、带宽、承载能力和服务能力等多方面因素的影响，网络 的存在给控制系统带来了诸如延时、丢包、带宽约束、多包传输、抖动、误码等 许多问题( 其中如抖动、多包传输、误码等对控制系统的影响很小，相关研究也 比较少) ，导致系统性能的下降甚至危及系统的稳定性。因此，网络控制系统中 分析的对象不再是孤立的控制过程，传统的控制系统分析与设计方法不再完全适 用于网络控制系统。如何分析网络给控制系统带来的网络延时、带宽约束和丢包 等问题，并在此基础上进行系统的状态估计、稳定性分析、控制器设计、系统分 析与综合等，是当前网络控制系统研究的热点和难点。各个方面的研究不是互相 独立的，而是相互渗透、相互影响的。 第一章绪论 ( 1 )网络延时( n e t w o r kd e l a y ) 网络控制系统中一个主要问题是网络引起的延时，一般将网络延时划分为周 期延时( 如i e e e8 0 2 4 、s a e 令牌环、p r o f i b u s 等) 和随机延时( 如c a n 、 e t h e m e t ) 两种【l2 】，对于大多数的网络来说，由于受到如传输冲突、排队、路由 等多种因素的影响，其延时往往是随机的、不确定的，这给控制系统的建模、设 计和分析带来了较大的困难。针对网络延时，国内外学者提出了多种思路和方法， 例如n i l s s o n 提出用m a r k o v 链对随机网络延时进行建模【1 4 】，s r i n i v a s a g u p t a 在 n i l l s o n 的基础上提出了一种时间戳模型预测控制算法i l 卯，而魏震等在n i l l s o n 的 基础上针对实时网络提出了平均延时窗口方法来实现对网络延时的准确在线估 计1 1 6 】。l u c kr 等使用排队机制对随机延时进行确定性的描述，利用网络中确定 的信息和概率信息对网络延时进行分析，开发了一种预测控制算法来补偿网络延 时带来的影响【l 刀1 18 1 。l i l lx i a o 等把存在任意有界延时的n c s 作为有限维离散时 间跳跃线性系统进行建模，从随机混杂系统的角度进行研究【1 9 1 。w a l s h 等利用非 线性理论和摄动理论分析延时的影响，给出了延时条件下进行系统设计的方法， 并保证系统的稳定性刚。f e n g l il i a n 等详细分析了网络延时的组成，将网络延 时作为系统参数建立了多输入多输出的系统闭环模型【2 ”。孙立宁等提出利用线性 神经网络和r b f 径向基函数网络技术对网络延时进行预测田】。 虽然国内外提出了许多不同的方法和理论对网络延时进行研究，但是由于延 时的随机性和复杂性，没有理论可以对其进行准确的建模，所以相关理论成果往 往具有较大局限性，难以广泛适用。 ( 2 ) 网络丢包( n e t w o r kd r o p o u t s ) 丢包也是网络控制系统中存在的一个重要问题，它的产生一般由于三个原 因：第一，传输过程丢失，这种情况在无线网络中多有发生，主要是由于信道的 衰减或干扰造成；第二，由于网络拥塞造成的数据缓冲区溢出丢失，这种情况在 具有带宽限制且节点较多的网络中常常出现；第三，由于有的控制系统中对数据 的实时性要求较高，有时对于延时过大的数据往往采用“故意”丢弃的方式进行 处理【1 0 1 1 2 3 j 。 网络中存在的丢包现象可以从确定或随机的角度进行建模。w e iz h a n g 等利 用切换系统方法建立了一个确定性的丢包模型，并通过l y a p u n o v 分析得到了系 统稳定性的充分条件 7 2 4 1 。s i n o p o l i 和t a t i k o n d a 等分别独立提出使用b e r n o u l l i 过程来进行刻画网络中的丢包现象，推导了考虑系统丢包时的k a l m a n 滤波方程 【2 5 】，并得到了系统稳定的丢包概率临界值1 2 6 1 。p e t e rs e i l e r 等利用有限状态m a r k o v 链对网络丢包进行建模，分析了时变条件下的k a l m a n 最优估计问题【2 7 j ，并给出 了设计输出反馈控制器的线性矩阵不等式条件( l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y 第一章绪论 c o n d i t i o n ) 伫研。此外，x u 等人使用泊松过程来描述系统的随机丢包现象网。m e i y u 等将具有任意丢包的n c s 建模为切换式线性系统( s w i t c h e dl i n e a rs y s t e m s ) ， 并利用切换系统理论对n c s 镇定性问题进行了分析，给出了n c s 稳定的充分条 件，并通过求解l m i 计算可允许的丢包上界口o j 。龙承念等针对丢包提出了一种 切换补偿策略，根据数据包是否丢失分别设计了开环估计器和闭环估计器，并设 计了新的控制算法实现补偿，保证了系统的闭环稳定性【3 1 1 。 ( 3 ) 带宽约束( b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s ) 所谓带宽约束，是指因为网络中的信息源一般比较多，信息的传送要分时占 用网络通信线路，而网络在一定的时间内只能传送有限量的数据信息，即网络的 通信速率是有界的，这是由网络的通信协议、带宽以及系统节点数目等因素决定 的。是在众多的实际应用中，如无人驾驶飞行器、无线传感网络、水下机动车、 大规模传感器一执行器阵列等，带宽约束往往是影响网络控制系统运行的一个非 常重要的条件，也是网络控制系统中研究的热点之一【1 0 1 2 3 1 。带宽约束问题并没 有统一的名称，在不同的文献中往往有不同的说法，如有限带宽通道 ( b a n d w i d t h - l i m i t e dc h a n n e l s ) 【1 0 l 、受限制通信( l i m i t e dc o m m u n i c a t i o n ) 1 2 3 1 、 位速率约束( b i t - r a t ec o n s 行a i n t s ) 3 2 1 、通信约束( c o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t s ) 3 3 1 等。带宽约束问题，一般分为位传输( b i t - r a t e ) 和包传输( p a c k e t r a t e ) 两个 研究方向，前者针对以位为单位传输的网络，如声纳、r s 2 3 2 等，h e s p a n h a 总 结了位传输n c s 的主要研究问题：如何确定保持系统稳定的最小位传输速率， 如何为系统中不同的部分分配位长度，如何确定优化的编解码方案以减少传输 的数据量等【3 4 1 。后者针对以包为单位进行数据传输的网络，如e t h e r n e t 、a t m 、 b l u e t o o t h 等，研究的主要问题包括：如何在保证系统稳定的条件下减少网络带 宽的使用和不必要的通信开销，如何通过有效的方法如网络信息调度提高控制系 统性能，如何利用离散、有限甚至是不完全的数据信息进行有效的状态估计、设 计高性能的控制器等。 ( 4 ) 抖动( j i t t e r ) 抖动是指为“在任何特定的时间间隔内，与时问相关的、突然的、乱真的变 化”，抖动依赖于时钟的精确性、调度算法和计算机硬件结构，从控制的角度看， 抖动表现为：控制周期的抖动，延时抖动，采样抖动；从调度的角度看，抖动表 现为：输人抖动，输出抖动，队列抖动，截止期抖动【8 j 。 ( 5 ) 传输误差( t r a n s m i s s i o ne r r o r ) 传输误差指系统的控制信号或测量信号传输时由于网络干扰等原因发生传 输错误，从而使系统产生瞬态误差，影响系统正常运行。但是随着网络技术的不 断进步和完善，一般工业网络的误码率已经大大降低，例如c a n 总线的误码率小 第一章绪论 于1 0 。1 ，抗干扰性稳步提高，只有对于无线网络来说，由于易受到外界的干扰， 误码发生的情况略多。总体来说，误码对网络控制系统的影响是很小的，相关的 研究也比较少。 ( 6 ) 多包传输( m 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 ) 受网络的数据包大小限制，测量和控制信号的采样数据可能需要通过多个数 据包传送，或者控制节点空间上的分散，也会要求同一时刻的采样数据通过多个 包传送。这多个数据包在传输中可能通过不同的路径，因而不会同时到达目的节 点，给系统的性能和稳定性造成影响。同误码一样，多包传输也并不是网络控制 系统中的主要问题。 1 1 4 网络控制系统的研究方向 ( 1 ) 状态估计( s t a t ee s t i m a t i o n ) 由于网络延时、丢包、带宽约束等因素的存在，以及受到系统采样、量化、 编码的影响，网络中传输的各种数据信号( 如测量信号、控制信号等) 是离散的、 有限的，甚至是不充分的，传统的状态估计理论不再完全适用于网络控制系统， 而有效的系统状态估计器是实现系统最优控制的前提，因此有关状态估计的研究 一直是网络控制系统的一个重要研究内容。b r o c k e r 等对带宽约束下的状态估计 问题进行了研究，提出了“编码器一预估器序列”和“有限迭代编码器预估器序 列”概念【3 5 】p 6 】。m a t v e e v 和s a v k i n 针对不规则传输间隔条件下的线性离散部分 可观系统进行了分析，解决了最小方差状态估计问题 3 7 1 。g o o d w i n 将随机延时条 件下的状态估计问题归结为结构化总最j , - 乘问题，并用带约束的总最小二乘方 法求解最优解1 3 8 】。b e l d i m a n 针对采用静态调度和t o d 调度的网络控制系统设计 了两种状态预估器，对由延时造成的状态滞后进行估计【3 9 1 。z h i p uj i n 综合网络 延时和丢包的双重影响，提出了一种多描述源编码方案来改善k a l m a n 滤波的估 计方差性能，提高了系统的统计稳定性m 。 ( 2 ) 稳定性分析( a n a l y s i so f s t a b i l t y ) 保证系统的稳定，是对控制系统的最基本要求。w e iz h a n g 等利用网络控制 系统的增广状态模型，利用混杂系统理论分析了系统稳定性，进一步采用速率受 限异步动态系统( a d s ) 模型分析了带丢包和多包传输时的系统稳定性【7 】【4 ”。 w a l s h 等利用摄动模型和l y a p u n o v 第二方法分析了单包和多包传输时的系统稳 定性，定义了保证系统全局指数稳定的最大允许传输间隔( m a x i m u ma l l o w a b l e t r a n s m i s s i o n i n t e r v a l ) ，并证明了在他们所提出的t o d 调度协议下的系统稳定性 【6 】。a n t s a k l i s 等提出了一种基于模型的网络控制系统结构，远程控制器可以通过 该模型来估计对象的动态性能，并给出了系统稳定的充分必要条件 4 2 j 。s a d j a d i 第一章绪论 同时考虑了系统的网络延时和丢包情况，并将丢包作为延时的一种极限情况进行 描述，提出了一种次优方法来简化估计器和控制器的计算，利用不确定极限原理 ( u n c e r t a i n t yt h r e s h o l dp r i n c i p l e ) 获得了系统均方稳定的充分条件1 4 3 1 。n e s i c 和 t c c l 分析了采用静态调度协议和t o d 动态调度协议下系统的输入一输出和输入 一状态的。稳定性，利用小增益理论( s m a l l g a i n t h e o r e m ) 并且给出了设计网 络信息调度协议的一般框架 4 t i h 5 1 。 ( 3 ) 控制器设计( d e s i g no f c o n t r o l l e r ) 针对网络控制系统中的控制器设计问题，国内外许多学者从不同的角度出发 提出了不同的方法。g u p t a 等首先证明了一种改进的分离理论，来求解丢包情况 下n c s 的标准l q r 状态反馈设计问题，并给出了一种由k a l m a n 滤波器和切换 式线性滤波器组成的最优算法，解决了系统的l q o ( l i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ) 最优控制问题 4 6 1 。d o n g y u e 等建立了同时考虑网络延时和丢包的n c s 模型，提 出了一种基于延时的状态反馈控制器设计方法，通过求解l m i 获得最大允许延 时和控制器增益1 4 7 】。然后进步分析了n c s 的鲁棒 k 控制器设计问题，通过 引入松弛矩阵变量( s l a c km a t r i xv a r i a b l e s ) 和延时下界信息提出了一种新的手乙 性能分析方法，并通过仿真证明了该方法的有效性【4 s 】。s e i l e r 等利用随机丢包模 型将n c s 建立为一类具有m a r k o v 跳跃参数的离散时间线性系统，使用见，范式 衡量系统性能并通过矩阵不等式条件进行求解，并给出了设计日。控制器的充要 线性矩阵不等式条件【4 9 1 。s i n o p o l i 等进一步分析了在离散时间条件下系统的l q g 最优控制问题，并给出了保持系统稳定的丢包概率临界值1 5 0 1 。t a t i k o n d a 等分析 了网络对传统的l o g 控制问题的影响，提出了连续速率变形结构框架( s e q u e n t i a l r a t e d i s t o r t i o n f r a m e w o r k ) ，并给出了分离理论适用的条件和编码解码以及控制 器的设计方法肛”。胡寿松等针对网络延时大于采样周期的情况，提出了基于全状 态和部分状态信息的随机最优控制器的设计方法，同时可以保证系统的均方指数 稳定 5 2 1 。 ( 4 ) 网络调度( n e t w o r ks c h e d u l i n g ) 网络控制系统的性能不仅仅取决于所采取的控制策略，也受到网络调度算法 的影响，一个有效的调度方法可以很好的提高控制性能，分配网络带宽的使用， 同时网络调度也是减少带宽约束对系统影响的方法之一p 朋。b r a n i c k y 从作用形式 的角度给出了n c s 中网络调度的定义：在任意时刻，调度算法根据某一决定信 息传输顺序的规则，分配网络上每个传输实体( 传感器、执行器、控制器等) 的 信息传输时序唧j 。网络调度一般分为静态( s t a t i c ) 调度和动态( d y n a m i c ) 调度 两种类型，前者指在系统运行前已经建立网络带宽的使用规则，而在运行中不发 生变化，例如令牌环网络等；后者指信息调度规则能够在系统运行中根据系统的 第一章绪论 状态进行调整，如t o d 动态调度方法【5 孔。p a r k 和k i m 基于最大可允许延时条件 针对控制系统中不同的数据类型提出了一种新型的调度方法，该方法可以根据系 统状态调整采样周期、交换不同信息的传输次序并分配网络带宽，并能保证系统 的稳定性1 5 6 l 。t i p s u w a n 使用增益调度技术解决网络时延对控制系统性能带来的 影响，提出了增益调度中间件的概念实现对控制器增益的外部调节，其思想是建 立调度函数并根据网络的q o s 调整控制器参数，实现系统的优化控制【5 ”。b a it a o 等针对令牌型网络控制系统提出了一种基于抖动( j i t t e r ) 的最优带宽调度算法， 利用抖动建立控制性能和带宽分配之间的关系并根据系统状态动态调整采样周 蝌5 8 1 。g u p t a 等针对具有多传感器节点的n c s 提出了一种随机传感器调度方法， 其思想是根据设定的最优概率分布选择合适的传感器节点发送数据，以获得最佳 的期望稳态估计性能0 9 1 。k i m 等将n c s 中传输的数据分为实时数据、非实时数 据和事件数据三类，并在此基础上设计了一种带宽分配调度方法，以满足控制系 统的实时性要求，同时最大限度的使用网络带宽 6 0 1 。 尽管目前有一些能够根据系统状态动态分配调度网络节点使用带宽的方法， 但一般都是以优化系统控制性能为目的，同时从网络和控制性能的角度进行综合 考虑是比较困难的。对于按包传输的网络，有效的网络调度可以合理的减少网络 节点传输的数据量，既可以缓解网络的带宽压力，同时也可以减少节点由于争用 网络造成的冲突和延时，对于扩大系统容量，避免网络拥塞，都具有非常重要的 意义。毫无疑问，网络调度是解决带宽约束问题的最直接方法，但目前有关的研 究比较少，缺乏具有通用意义的研究成果，因此，有必要进行深入的研究。 ( 5 ) 系统设计与分析( s y s t e m sd e s i g na n d a n a l y s i s ) 由于网络中存在的延时、丢包和带宽约束等多种因素，使得网络控制系统的 分析与综合变的异常复杂。王常虹等提出一个在时滞上界及其变化范围的基础上 的离散线性时变时滞系统镇定条件，并根据此条件构造了n c s 的时滞补偿控制 器，通过锥补线性化方法进行求解控制器1 6 “。h e s p a n h a 等对近年来国际上有关 网络控制系统研究领域的现状进行了较为全面的总结和归纳，并针对网络的各个 关键问题给出了系统分析和设计的指导意见和理论成果 i o o h a r t 等针对一类n c s 结构提出了进行控制器分析和设计的基本框架，并分析了延时对系统的影响，并 讨论了控制器的具体实现步骤【6 2 】。为了更好的理解网络中的延时，f e n g l il i a n 详细讨论了几种主要的控制网络，如c o n t r o l n e t ，d e v i c e n e t 和e t h e m e t 等，然 后对网络延时进行了严格的理论表述，并在此基础上提出了n c s 的设计图和设 计算法旧j 。b r a n i c k y 等应用速率单调调度算法( r a t em o n o t o n i cs c h e d u l i n g a l g o r i t h m ) 阐述了考虑可调度约束和稳定性约束的n c s 最优调度问题，综合考 虑了延时、丢包和多包传输的影响，进行n c s 的系统设计1 6 4 。然后从仿真的角 第一章绪论 度对n c s 的控制和调度进行了研究分析，利用n s 2 网络仿真环境对网络进行仿 真分析，通过o d e s 对控制器进行建模，给出了基于仿真经验的n c s 设计指导 性建议【6 5 】。 系统设计涉及诸如状态估计、控制器设计、网络调度、系统结构、性能优化 等多方面因素，对于n c s 这类时变的分布式不确定系统，目前国际上还没有有 效的方法进行分析与设计。总之，网络控制系统是控制理论和网络技术相结合的 产物，网络控制系统的研究必然具有多层次、多样性的特点，由于网络的随机性 和复杂性，给网络控制系统的研究带来了巨大的困难。目前的研究往往只考虑延 时、丢包或带宽约束等因素之中的一个或两个方面，分析对象也大部分以线性对 象为主，针对非线性对象和随机对象的研究相对较少，且在分析过程中的假设条 件较多，使得大多数的理论成果距离现实应用还有一定的差距。但随着研究的不 断深入和扩展，这些问题都会逐渐得到解决。 1 2 课题的研究意义 带宽约束是影响网络控制系统的一个重要关键因素，节点过多、数据传输过 于频繁或者传输的数据量过大都会有可能增大网络上冲突的概率，使得网络通信 延时变大，引起数据丢失，严重时会造成网络拥塞，从而导致网络控制系统性能 下降，甚至不稳定l 的】。针对位传输网络控制系统带宽约束问题的研究白二十世纪 九十年代后期就己开始，至今已经积累了相当多的研究成果。例如h e s p a n l m 给 了保持线性时不变过程稳定的最小位速率的计算方法，并提出了相应的系统状态 编码倩 码器的设计方法保证系统的渐近稳定 6 7 1 。l i b e r z o n 探讨了测量值和开环系 统转移矩阵范数之间的关系，提出了相应的编码方案和保持系统稳定的充分不必 要条件 明，并进一步讨论t - ：i i ! 线性对象时的系统稳定性问题f 6 9 1 1 7 0 j 。m i t t e r 等对网 络所传输信息的量化方案进行详细的分析，证明能够保持单输入线性时不变对象 稳定的最小密度无记忆量化方法满足对数规则 7 i 】。b a i l l i e u l 等针对有限数字通信 带宽控制问题( d i 【g i t a lf i n i t ec o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t h d f c bc o n t r 0 1 ) 进行研究， 给出了量化控制设计的规律性条件，证明只有b i n a r y 控制可以在最低的数据通信 率条件下保证系统稳定，最后提出了一种b i n a r y 量化反馈控制设计方法【7 ”1 7 3 1 。 s a v k i n 等提出一种保证多输入多输出离散时间线性系统渐近稳定的确定性多速 率状态空间方法，并完成了非线性动态反馈控制器的设计1 7 4 1 ，进一步研究了在位 传输网络带宽约束条件下的系统l q g 控制，给出了分离原理适用的估计与编码方 案【7 5 1 ，分析了线性不确定系统的鲁棒稳定性问题，设计了鲁棒稳定控制器【圳。 n a i r 和e v a n s 首先应用渐近量化理论( a s y m p m t i eq u a n t i z a t i o nt h e o r y ) 提出了系统 第一章绪论 的编码和控制方案并研究了无限维时变离散对象系统的渐近镇定性i 阳，证明了有 限维线性系统的指数可镇定性【_ 碍】，进一步证明了完全可观跳跃m a r k o v 线性系统 的渐近稳定性问题【聊，然后针对有限维离散随机线性对象分析了保持系统均方稳 定的通信速率条件【8 0 】。x i a l i 等使用1 - b i t 编码估计序列得到了迭代形式的系统状 态估计器，分析了收敛性，并通过仿真进一步分析了数据通信速率与渐近平均估 计偏差之间的关系【8 1 】。 随着网络技术的不断发展和完善，位传输网络的应用已逐渐减少，大部分的 工业网络、通信网络都是以包为单位进行数据传输( 注：此处的包具有泛指的意 义，表示网络一次传输的最小数据单元) ，因此，研究包传输网络更具有实际的 意义。对于包传输网络控制系统而言，解决带宽约束问题最直接的方法就是通过 合理减少节点传输数据次数来降低带宽的使用，这是因为包传输网络所采取的协 议往往都具有固定的必要负载开销，例如e t h e m e t 帧格式规定每一帧数据需要1 4 个字节或2 2 个字节的类型字段和至少4 6 个字节的数据端，a t m 的一个单元数据则 需要5 个字节的包头和4 8 个字节的数据域。对于这样的网络，通过采用优化的编 解码方案压缩传输信息的方法减少传输的数据量，分析保持系统稳定的最小位传 输速率，这样做对于系统和网络的影响非常小，不具有实际意义。而从数据传输 的速率出发，研究如何降低网络中节点的数据传输量或传输速率，减少网络带宽 的使用更符合实际情况。这样做的好处是，通过降低网络中节点发送数据包的速 率，能够间接的减少网络中数据传输冲突和网络拥塞发生的概率，减少网络节点 由于争用网络带来的等待延时，同时可以增加网络中的节点数，使得更多的节点 可以共享网络资源。这样做的另一个优点是，对于以嵌入式处理器构成的节点， 如无线传感网络