（模式识别与智能系统专业论文）基于网络时延分析的控制器设计与实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 网 络控制系 统 ( n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m , n c s )以 通信网 络作为 控制器、 执行器、以及传感器之间的通讯媒质， 是网络通信和自 动控制相结合的产物。 近 年来随着通信网络在工业自 动化和航空航天控制技术中的广泛应用， n c s 研究受 到了越来越多研究者的关注。 n c s 中的通信网络引入了不确定时延， 这使得传统 的控制理论方法难以直接应用于n c s 。本文围绕网络时延这一n c s 的核心问题， 进行了以下几方面的研究工作: a ) 回顾和总结了 n c s 的研究现状， 主要包括系统建模、 时延的估计与补偿、 稳 定性分析、 最优随机控制、 采样时间调度、 控制器设计和基于q o s 的网 络控 制器自 适应等方面，并提出了本文的主要工作内容。 b )通 过 仿 真 实 验 提出、和r e . 对 控 制 系 统 性 能 影 响 不 等 价 的 观点 ， 并 建 立 了 和、分 离的 n c s 数 学模 型，由 此 基于 l y a p u n o v 判 据获得了 n c s 的 渐近 稳定 充分条件，实例分析表明该条件具有弱保守性。 匀 设计并实现了 n c s 仿真系统， 在其上可以比 较完全相同的网 络时延情况下不 同控制器的性能，设计开发了以e t h e r n e t 为通信媒质的 n c s 实验平台，为进 一步开展理论研究莫定基础。 d ) 比 较了 在不考虑网络时延情况下设计的模糊控制器和p i d 控制器在同一时延 环境下的性能， 通过实验建立了网络占 用率与网 络时延随机分布规律的函数 关系， 并提出了 一种基于网 络占 用率的自 适应模糊 n c s 控制器设计方法， 在 所开发的仿真实验平台上进行了 仿真实验， 其结果验证了所提出方法的有效 性。 关键词:网络控制系统;网络时延;稳定性:仿真平台;模糊控制器:自 适应 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m ( n c s ) i s a n i n t e g r a t i o n o f n e t w o r k i n g c o m m u n i c a t io n t e c h n o l o g y a n d c y b e r n e t ic t h e o r e t i c . a n n c s c o n n e c t s t h e c o n t r o l l e r s , t h e s e n s o r s a n d t h e a c t u a t o r s t h r o u g h o n e s h a r e d n e t w o r k i n g t o f o r m f e e d b a c k c o n t r o l l o o p s . i n t h e p a s t f e w y e a r s , a s t h e r a p i d g r o w t h a p p e a r s i n t h e w e l d o f i n d u s t r ia l a u t o m a t i c s , n a v i g a t i o n t e c h n o l o g y a n d a e r o s p a c e s c i e n c e , t h e s t u d y o f n c s h a s d r a w n m o r e a n d m o r e e y e s o f t h e r e s e a r c h e r s . u n c e r t a i n d e l a y s a re i n s e r t e d i n t o n c s l o o p b y t h e s h a r e d n e t w o r k i n g , a n d t h u s m a k e s i t h a r d t o a p p l y t r a d i ti o n a l a n a ly t i c a l m e t h o d o l o g y t o a n n c s . s o i t s b o u t r e w a r d i n g a c a d e m i c a l l y a n d p r a c t i c a l l y t o s t u d y t h e p h i l o s o p 场 b e h i n d n c s . t h i s t h e s i s d o e s s o m e r e s e a r c h w o r k s i n t h e f o l l o w i n g f a c e t s a r o u n d t h e n e t w o r k i n g - i n d u c e d d e l a y in n c s f i r s t , i t r e v i e w s f o r m a l w o r k w h i c h i n c l u d i n g n c s m o d e l i n g , t i m e - d e l a y e v a l u a t i o n a n d c o m p e n s a t i o n , s t a b i l i t y a n a ly s i s , o p t im a l s t o c h a s ti c c o n t r o l t h e o r e t i c s , s a m p l e t i m e s c h e d u l 吨， c o n t r o ll e r d e s i g n a n d q o s a d a p ti o n e t c . t h e n p r o p o s e d i t s ma i n wo r k . s e c o n d , i t p r o p o s e s o n e v i e w p o i n t t h a t r n a n d r _ a re n o t e q u a l t o t h e s y s t e m a n d p r o v e s it 妙 b u i l d i n g a m u l t i - d e l a y m o d e l o f n c s . t h i s m o d e l a l s o h e l p s t o d e d u c e a n e w s u ff i c i e n t c o n d it i o n t o e n s u r e t h e s t a b i l i t y o f n c s b as e d o n l y a p u n o v t h e o r e t i c s t h ir d , a ma t l a b / s i m u li n k s i m u l a t io n p l a t f o r m i s b u i lt t o b e u s e d a s t o o l s i n t h i s t h e s i s , a n d a n e x p e r i m e n t p l a t f o r m b a s e d o n r e a l e t h e r n e t i s b u i lt f o r f u t u r e s t u d y a t l as t , i t p r o p o s e d a d e s i g n m e t h o d o l o g y o f a n a d a p ti v e f u z z y n c s c o n t r l l e r b a s e d o n b a n d w i d t h e n g r o s s i n g r a t e . d u r i n g t h i s w o r k , i t c o m p a r e s a f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r w i t h a p d c o n t r o l l e r i n v a r i o u s t i m e - d e l a y e n v i r o n m e n t s . t h e n i t c o n s t r u c t s a f u n c ti o n b e t w e e n t h e b a n d w i d t h e n g r o s s i n g r a t e a n d t h e s t o c h a s t i c d i s t r i b u t i o n m o d e l o f n e t w o r k - i n d u c e d d e l a y . a n d t h i s f u n c t i o n i s u s e d t o p r o p o s e t h i s d e s i g n m e t h o d o l o g y . k e y w o r d s : n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m s ; n e t w o r k - i n d u c e d d e l a y ; s t a b i l i t y a n a ly s i s ; s i mu l a t i o n f u z z y c o n t r o l l e r ; a d a p t iv e c o n t r o l . i i - 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完成之际， 我衷心感谢张建明副研究员两年多来对我孜孜不倦的教 育和指导。 张老师把我带入了控制理论研究的大门， 在学习过程中给予我悉心的 指导， 为我提供了一个宽松、 和谐的研究环境， 引导我在科研工作中一步步前进， 我的每一次进步和取得的成绩都是与张老师的教育、 帮助都是分不开的。 张老师 不仅在科研工作中给予我最大的帮助，同时在生活中给予了我无微不至的关怀， 在此衷心表示感谢! 张老师勤奋敬业、 知识渊博、 思维敏锐、 治学态度严谨、 为 人乐观豁达，在学习和工作上为我树立了良 好的 榜样。 同时衷心感谢王树青教授和王宁教授对我工作学习各方面的帮助和启迪。 王 树青教授对待学生和蔼可亲， 语言幽默， 令人如沐春风。 王宁教授治学态度十分 严谨， 对科研工作一丝不苟、 亲历亲为。 他们对科学真理孜孜不倦的 追求精神令 我非常钦佩和敬仰。 衷心感谢杨顶方同学和3 1 3 . 3 1 7 房间的兄弟姐妹们， 他们在我科研学习的过 程中给予了我极大的帮助和支持， 共同营造了一个和谐的学习生活环境， 在此表 示诚挚的谢意。 感谢两年多来与我同 一寝室的徐伟民、 陈庆更和吴进军同学， 他们是我的良 师益友，在学习和生活上给予我许多热心的帮助，跟他们在一起生活非常愉快。 对所有关心和帮助过我的同学和朋友们表示感谢。 衷心感谢我的父亲、 母亲及其他亲人， 他们用自己 最大的努力帮助我完成学 业，感谢他们一直以 来对我的关爱和支持。 十产 二零零五年三月于 求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 提要 随着现场总线技术在工业控制过程中的广泛应用， 近年来， 基于网络的控制 系统研究受到了高度的重视。 本章针对网络控制系统中的网络时延、系统建模、 控制系统设计与分析等方面的主要研究工作进行了综述和回顾， 分析了 现有方法 的优缺点，并提出了本文的主要工作. 关键词:控制系统;计算机网络;现场总线:时延;实时系统 1 . 1课题的提出 本文的研究是围绕国家自 然科学基金项目 “ 基于多智能体的网 络化过程控制 理论及应用研究” ( 6 0 1 7 4 0 3 5 )开展的。 1 . 2引言 现代工业系统的一个主要发展趋势是工业控制技术和网络通信技术的紧密 融合。 这是现代工业系统向 规模化、 大型化、自 动化发展的必然结果， 也是计算 机技术与网 络通信技术高速发展、由 科研和民 用领域向工业领域延伸的必然。 2 0 世纪5 0 年代以 前的工业控制系统都是模拟量控制系统， 采用集中式的星型 结构， 其控制回路中的传感器、 控制器和执行器之间都是通过线缆点对点直接联 接， 每一条线缆一般只连通两个节点。 随 着工业规模的发展以 及生产工艺流程的 不断细化， 现代工业系统中需要进行测量和监控的指标和变量越来越多， 在大型 流程工业中监控点的数量动辄数以万计， 传统的集中式控制系统本身固有的缺陷 愈加明显， 如系统可靠性低、 安装和维护过程复杂、 成本高等。 5 0 年代至6 0 年代， 随着计算机在工业控制领域的应用， 数字控制系统逐渐普及， 工业控制系统的可 靠性和可维护性都得到了 很大的提高。 但从系统结构上来看， 控制系统仍然采用 集中式结构，节点之间通过点对点的线缆联接。 近几十年来，网络通信技术的飞速发展给传统的通信方式带来了根本性变 革， 现场总线技术作为网络通信在工业控制系统领域一种实现方式， 受到了 越来 越多的研究和重视。 现场总线是指安装在制造或者过程区域和现场装置之间、 以 及现场装置与控制室内的自 动控制装置之间的数字式、 串行和多点通信的数据总 线。 2 0 世纪8 0 年代初各种现场总线技术开始出现， 由于其简化的协议栈和可靠的 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 设计，至今己发展成为基于网络的控制系统的主要实现方式。 在控制系统中引入通信网络， 对于控制系统的分析、 设计方法提出了新的要 求。 这主要体现在: 一方面， 在控制系统中引入通信网络后， 人为地引入了对象 本身特性以外的额外时延， 额外时延的不确定性造成了控制系统建模和分析的巨 大困难， 迫切需要研究新的控制系统分析和综合方法以适应n c s 的发展。 另一方 面， 控制系统的实时性要求与有限的通信网络资源之间产生了矛盾。 如何协调解 决这个矛盾是网络控制系统工程应用的前提之一。 近年来， 随着工业控制技术的 不断发展和现场总线技术的广泛应用， 基于网络的控制系统理论与应用研究越来 越受到工业界和理论界的关注。本章1 .3 节阐述了基于网络的控制系统研究对象 的范畴和常见的两种形式;1 .4 节列举了三种常见的通信网络ma c 协议与网络时 延的关系:1 . 5 节讨论了基于网络的控制系统理论研究中的时延组成以及已有的 时延模型;1 . 6 节就近年来这一领域中的主要研究成果进行了综述:最后介绍了 本文的主要工作。 1 . 3基于网络的控制系统结构 基于网络的控制系统也简称为 网络控制系统n c s . n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m ， 是 一 种网 络通 信 和 自动控制相结合而产生的控制技 术。它在工业实现上，以通信网络 作为控制器 ( c o n t r o l l e r )、执行器 ( a c t u a t o r )以及传感器 ( s e n s o r ) 之 间的通讯媒质，分析上，分别继承 执行器节点卜叫 被控 对象 1 一 侧传感器节点 一 时 延 1 几通 讯 网 络称1时 延 !| 控制器节点 图 1 - 1基于网络的控制系统结构 了 控制理论和通信理论的分析和综合方法1 1 112 1 13 1 。 它主要研究通信网络引入的网 络时延对控制系统性能的影响， 期望找到合适的理论分析和综合方法，以使基于 网络的控制系统能达到尽可能好的控制性能 ( 兼顾瞬态和稳态性能要求) 。 本文 讨论的 n c s 概念范畴与 相关 文献中 n b c s . i c c s ( i n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ) i ll 等 价。 图1 - 1 给出了 n c s 的结构图。在控制系统中引入通信网络前后最大的区别在 于: 其一， 单个控制循环通过通信网络形成了一个闭环反馈系统， 所有的信号传 递都在一条共享通信通道上进行，多个控制循环可以共享同一个通信网络资源; 其二， 在控制器和控制对象之间、 控制器和传感器之间存在网络传输时延。 这一 时延是由于有限的网络通信资源， 包括带宽、 协议、 调度等方面的限制而造成的。 广泛研究的n c s 一般有两种连接形式: 递阶结构和直接结构，如图1 - 2 所示。 图1 - 2 a 是递阶结构的 n c s ， 它用网络连接起很多分散的子系统， 每个子系统自 身 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 都是一个完整的包含控制器、 传感器和执行器的闭环控制系统， 通过通信网络与 中 央 控制器偏 相 连。 各 个 子系 统的 控 制器 可 通过网 络 从c m 处 获得 本子 系统的 参考输入， 并将本子系统的系统输出 或 状 态 通过网 络反 馈给c m o 图1 - 2 b 是直接结构的 n c s ，每个 传感器和执行器都直接联接在通信 网 络 上，c m 通 过网 络与 传感 器 和 执 行器一起构成闭环控制系统， 所有的 控制信号和反馈信号都在网络上传 输。 在这个网络上往往还有其它的控 制环和节点在同时使用网络资源。 两种结构的n c s 系统各有特点: 递阶结构的n c s 是一种模块化的 n c s 系统，各个模块之间相对独立， 中 央控制器c m 不直接接收传感 器输 a递阶结构的n c s b直接结构的 n c s 图1 - 2 n c s 的连接形式 出的反馈信号和计算执行器输入的控制信号， 通信网络所引入的时延并不影响每 个控制子系统的性能， 因此对这种系统的理论研究主要涉及实时系统理论和调度 算 法 设 计 等 方 面。 直 接 结 构 的 主 控 制 器c m 直 接 从 网 络 上 接 收 传 感 器 输出 的 反 馈 信号， 并将计算得到的控制信号通过网络直接发送给执行器， 网络时延直接存在 于每个控制循环中。因此，直接结构的 n c s 理论研究主要涉及系统的时延问题。 由于直接结构的 n c s 简单，在工业上应用广泛，因而本文选取直接结构的n c s 做为研究对象。并假设控制器和执行器是事件驱动的，传感器是时间驱动的。 n c s 中的网络时延与传统控制中时延最大的区别在于: 网络时延是一种不确 定的时延， 它与所选用的网络协议、网络节点数、 网络节点的采样周期、 网络带 宽等因素有关。其中，网络介质访问控制协议直接影响网络时延的数学分布。 9 . 4网络介质访问控制协议 网络介质访问控制协议 ( me d i u m a c c e s s c o n t r o l p r o t o c o l 简称m a c ) 定义了 节点访问网络介质时的冲突处理机制。 m a c 定义的网络物理层访问方式一般可 以归结为三种: a ) 随 机访问( r a n d o m a c c e s s ) ; b )静 态时 序 访问( s t a t ic s c h e d u l in g a c c e s s ) ; 价 动 态时 序访问( d y n a m i c s c h e d u lin g a c c e s s ) 。 在实际工业实现中，它们分别对应着不同的网络设备和通信协议栈，例如: 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 a ) c o n t r o l n e t ( t o k e n - p a s s i n g b u s ) 使用静态调度访问 m a c ; b ) d e v i c e n e t ( c a n b u s ) 使用动态调度访问 m a c . c ) e t h e rn e t ( c s m a / c d ) 使用随机访ip7 m a c ; 其中c o n t r o l n e t 使用的 令牌环网总线( t o k e n - p as s in g b u s ) m a c 协议是一种 静态调度访问 协议t ! ， 这是一种确定性的 协议。 在使用这种m a c 协议的 n c s 系统 中， 每一个控制循环中的网络时延都是确定的， 因此可以采用定常时延系统的分 析综合方法来研究。 d e v i c e n e t 是标准c a n 网 络的一个变种， 与标准c a n 网络协议兼容， 它使用 c s m a / a m p ( c a r r i e r s e n s o r m u l t i p l e a c c e s s / a r b i t r a t i o n o n m e s s a g e p r i o r i t y ) 介 质访问方式0 ) . c a n 网 络是为短信息优化的一种确定性网络， 信息的 优先级由 判 断区内的数据所指定。 在竞争中总是高优先级的信息赢得网络占用权， 因此c a n 网络中高优先级的信息的时延总是确定的， 而低优先级的信息具有不确定的传输 时延。 在理论分析时， 优先级高的控制循环可以看作时延确定的控制系统来进行 分析，优先级较低的控制循环中的时延则是随机的。 e t h e rn e t 是一种随机性网络， 它使用c s m a / c d 介质访问 机制来解决网络资源 的竞争问题。 一个需要传送信息的节点首先对网络进行监听， 如果网络忙， 那么 它等待直到网络空闲， 否则它立即开始传送信息。 在传送过程中， 发送消息的节 点会保持监听有无网络碰撞的发生。 当检测到有碰撞发生后， 正在传送的节点就 会 停 止 传 送 并 随 机 等 待 一 段 时 间 后 重 新 开 始 传 送 。 随 机 等 待 的 时 间 是 0 到 ( 2 忆 ， ) 中的一个随机数与一个s l o t 时间长度的积，其中i 代表的是本节点检测到的第i 次 碰撞事件， 一个s l o t 时间 指的是一定大小的 数据报做一次来回传输 ( r o u n d - t r i p ) 所需要的最短时间。当第十次碰撞 ( i = 1 0)发生后，时延的上限就固定在 2 - 1 = 1 0 2 3 个 s lo t 时间 上。 1 6 次 碰 撞后， 节 点 就 会 停 止再 次发 送 信息的 尝 试而向 节点的控制器返回一个失败报告。ma c 层协议定义的冲突处理机制决定了当 e t h e rn e t 中碰撞发生后，数据包的等待时延是随机的，因此使用e t h e rne t 通信的 n c s 中的网络时延是随机的。 1 . 5网络时延 1 . 5 . 1时延的组成 n c s 研究的核心问 题是如何有效处理网络引起的时延。 从时延产生的过程来 看， 系 统中 的 总 时 延r k 可以 分 为 三 个 部 分 5 . r k = 才十 叮+ 犷( 1 - 1 ) 式中， k 表 示 第k 个 采 样周 期， r k 是 传感 器发出 测 量 信号 到 执行 器接收 到 控 制 信 浙江大学硕 士学位论文 第一章 绪论 号 之间 的 总时 延， 犷为 传 感 器到 控 制 器的 时 延， r k 为 控 制 器的 计 算时 延， z k 为 控制 器到 执 行器的 时 延。 ti 是 随 机的， 但实际 上r k 比 犷、 ,r k c 小 很多 ， 而且 可以 通过 适当 的软硬件设计 来减小。 因 此 在大多 数 分析中r k 可以 忽略， 或者 将其归于 丫 中 6 151 1 . 5 .2时延模型 迄今为止还没有一种网络时延模型可以适用于大部分网络情况的分析， 随机 时延的近似模型主要有两种6 1 :时延之间相互独立的随机时延模型与m a r k o v c h a i n 下的随机时延模型。 第一种随机时延模型基于如下假设:任意两次传输时延之间是相互独立的。 这样每一个时延都可以看作独立的随机变量， 用相应的随机函数模型来描述， 文 1 5 等都讨论了 这种模型。 第二种模型考虑了 相邻时刻时延之间的相互联系， 并引 入 m a r k o v c h a i n 模 型 来 描 述 这种 相 互 依 赖 关 系。 例 如 文 5 把网 络负 载 情况 分 为三个层次: 低负载( l ) 、 中负载( m) 、 高负载( h ) ， 分别定义为m a r k o v c h a i n 的三个状态。 对应每一种网络负载状况都有相应的概率分布函数来描述其时延分 布 规 律 定 义网 络 负 载 从 一 种 状 态i 变 为 另 一 种 状 态l 的 概 率 为 9， 即 : 9 y = p ( r k + i = j i r k = i i , j e s ( 1 - 2 ) 式中 ， s = 体, m, h 为网 络负 载状态描述集， r , e s 是网 络在k 时 刻的负载状态。 ， . 6 n c s 研究现状 早在 2 0 世纪8 0 年代后期， y . h a l e v i 和 a . r a y 等就开 始了 对 n c s 系统的 分 析和 控制器设计方 法的 研究2 1 3 1 7 1 。 进入2 0 世纪 9 0 年代， n c s 研究越来 越受到 研究者 们的 关 注。 l u n d i n s t it u t e o f t e c h n o l o g y 的 j o h a n n i l s s o n 等 研究t 随 机过程控制理 论 在 n c s 研究中 的 应 用5 6 2 9 1 . g r e g o ry c . w a l s h 领导的 研 究组 从 2 0 0 0 年开 始 对 n c s 中 的 调 度问 题 展 开 研究 10 1 1 2 1 . y o d y i u m t ip s u w a n 和 m o - y u e n c h o w 以 及 他 们的学生n a i f b . a lm u t a i r i 等近年来一直致力于自 适应n c s 控制器设计的 研究工 作2 4 2 5 2 6 )2 8 3 0 1 。 近年来， n c s 的 研究己 成为 控制理论界的 热点 之一， 涌 现出了 大量的 研究 成果。 为 此， i e e e c o n t r o l s y s t e m s m a g a z i n e 和 i e e e t r a n s a c t i o n s o n a u t o m a t i c c o n t r o l 分别于2 0 0 1 年2 月和2 0 0 4 年9 月出版了 n c s 专辑，a u t o m a t i c a 也 在近几年刊出了不少n c s 研究成果。本节初步总结了 近年来n c s 研究的主要进 展。 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 1 .6 . 1增广向 量建模方法 增广状态向 量方法1= 1 是一种描述定常时延离散控制系统的常用方法， 现已 广 泛应用于对n c s 系统的描述。 它的基本思想是将新构造的状态向量方程与系统原 来的状态空间描述相综合， 以得到新的系统状态空间描述。 系统原状态空间描述 如下: z f( x , u , t ) ; x e r ， 二 。 r ( 1 - 3 ) v = g ( x , u , v , t ) ; v c- r 0 ( 1 - 4 ) 式中，x 是原系统的状态向量，u 是系统输入向量，t 是时间，v 是系统的附加状 态向 量.f* 和9 ( *)分 别表 示 原 系 统的 动态 特性 和附 加 状 态的 动态 特性。 由 ( 1 - 3 )、 ( 1 - 4 ) 两式可得到系统的增广状态向量描述: s 一 f g ( s , u , t ) ; s e r 0 ( 1 - 5 ) 式 中 ， 一 i x t , t j t 是 增 广 状 态 向 量 ， 从*) 是 原 状 态 的 增 广 状 态 向 量 的 动 态 特 性 。 文 2 1 将网 络时延导致的误差看作系统的附 加状态，并由 此建立了 相应的 n c s 数 学描述。 1 . 6 . 2时延的估计与补偿 网络时延的随机性对控制系统的性能有很大影响。为了消除随机时延的影 响， r .l u c k 等 提出了 一 种时 延估计 和补偿方法it 1 ， 如图 1 - 3 所 示。 图中 闭 环控制系 统的控制器和执行器前分别加入了一定长度的f i f o 队列作为缓冲区，观测器根 据队 列姚中的 历 史数 据来 估 计 被 控 过 程的当 前 状态， 并 通过 预估 器预 估未 来的 被 控过 程 状态。 控 制器 根 据 估计的 未 来 状态 计算出 控 制量 并 传入队 列9储存， 等待发送给执行器. 状态观 测器 预估器卜- d 控制器 9 z (k ) x (* 一 ， + 1) x ( k + f r) r 门 . . . .，. . .口 叫口. . . . . . . . . . . . . . 口 . . .口 .曰 .叫 . . 口. . . . .门 . . . . .门 . 国.几 . . . . . . . 通讯网络 c 宁 瓦 ii ( l - ,f 一_ 一一_ _ _ l - h) y ( k ) 可 对9 传感器 被控 对象 执行器 产 图 t 一使用队 列补偿网 络时 延的 方 法门 由于观测器和预估器的性能依赖于所建模型精确程度， 这种方法对受控对象 模型的精度要求很高。另外，加入f i f o 队列后，虽然消除了网络时延的不确定 性， 但是时延也同时被不必要地最大化了。 吴建国等运用这种思想给出了确定性 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 n c s 的三种等价系统u 1，并设计了 这三种等价系统各自 的 输出反馈控制器。 c h a n 等 针 对网 络 半 回 路 系 统 n h l s 1 11110 j ( n e t w o r k e d h a lf - l i n k s y s t e m ) 提出 了 一种新的网络时延补偿办法19 1 ， 其f i f o 队列的设置如图1 - 4 所示。图中 传感器 和控制器都是时间驱动的， 执行器是事件驱动的。 这种补偿方法的一个基本假设 是系统完全能观。 通过将随机时延转化为定长时延后可以采用传统方法进行控制 系统的设计。 散 骊 虱 .振 赢 .(k)fu # i1s ( k ) x ( k ) f n- a ir m -4 一 k - 二t 二_ _ _ _ _ _， q 1 y ( k 感 1 被控对象1 执行器 图 1 - 4网 络半回路 系统的 时 延补偿方法 19 1 除了对网络时延进行补偿，对网络时延进行在线估计也是一种有效的方法。 魏 震 提出了 使 用 d w ( d e la y w i n d o w ) 时 延 窗口 来 对时 延 进行 在 线 估计 的 方 法 川 。 其主 要 思 路是: 控 制器中 的 一 个时 延窗口 d w 存 储 着z , 的 当 前 值和 历 史 值。 假设 丫为随 机变量， 在 第k 个 周期， 时 延窗口 d w 中 存 储 着总 共m个当 前 和历 史时 延 数 据 丫 ，嵘 .， 一 ，么小 当 m 足 够 大 时 ， 可 以 根 据 对 d w 数 据 的 在 线 分 析 得 到r k c 的 随 机 分 布 规 律。 在 一 定 条 件下 ， r k 与r k 具 有 基 本 一 致的 随 机 特 性， 由 此 可通过r k 获得4 - 的 估计。 1 . 6 .3稳定性分析 n c s 的稳定性研究工作是从寻找保证系统稳定所需的最大允许传输时间间 隔 m a t i ( m a x i m u m a l lo w a b le t im e i n t e r v a l ) 出 发的。 g r e g o r y c . w a ls h 等 研究 了一 个被控对象和控制器都是连续的半回路 n c s 系统1 1 0 1 ， 其控制闭 环只在传感器 和控制器之间用网络相连接。 假设作为研究对象的控制系统 x ( t ) 二 a ,x ( t ) ( 1 - 6 ) 是全局渐近稳定的，则存在奇异对称正定矩阵p， 使得 不p + 拟， = - i( 1 - 7 ) 成立。 将网 络时 延引 入的 误 差e (代 入到 原 控制 系 统中 可 组 成新的 增 广 状态向 量 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 z ( t ) 一 二 ( t) e ( t ) t ， 则 整 个 n c s 的 状 态 空 间 描 述 为 : t ( t ) = a z ( t ) ( 1 - 8 ) 在 l y a p u n o v 第 二 方 法 的 基 础 上 ， 将 网 络 导 致 的 误 差 。 ( t ) 看 作 是 一 个 收 敛 于 零 的 扰动。 当控制信号为多包传送且网 络m a c 协议是 在静态调度或动态( t o d ( 1 ) 调度的情况下， 可得到如下的n c s 稳定性判据。 定理 1 2 1 : 对于一 个可由 式 ( 1 - 8 ) 所描述的、 具 有p 个节点 并按照动 态t o d 调 度 或 静态 调 度操作的 n c s ， 如 果 其最 大时 滞满 足 如 下 条 件: r m ( 1 - 9 ) 那么此n c s 是全局渐近稳定的。式中，p代表系统中的网络节点数量， a = 弋n ( 玛、 a 2 = 凡 。 ( 尸 ) 分 别 代 表 式( 1 - 7 ) 中 正 定 矩 阵p 的 最 小 特 征 值 和 最 大 特征 值 这 个方 法 可以 适 用 于 非 线 性 系 统， 因 为 。 ( t ) 可以 用 非 线 性 方 程 表 示 它的 局限 在于 其只能 适用于 半回 路 n c s 系统。 在这 个结 论的 基础上， 文汇 1 2 把 上 述 结 果 扩 展 到 l y a p u n o v 函 数v ( x ) = x t p x 满 足 条 件 a , p + p a , ， 二 一 q ( 1 - 1 0 ) 的情况下。 式中，p , q 都是对称正定阵。 并且得到如下的充分条件: r , a + ( q ) 16a, 擂 ila f (擂 一 ): :， ( 1 - 1 1 ) 式 ( 1 - 9 ) 和式( 1 - 1 1 ) 的 结 论在实际 应用中 过 于保守。 we i z h a n g 等 还将 n c s 中被控对象为连续过程而控制器为离散过程的系统看作是一个混合系统似 ( h y b r i d s y s t e m) ， 利用混合系统稳定性分析技术， 把定常时延下n c s 的稳定性 问题转化成判断如下矩阵h是否是s c h u r 阵的问题。 一 侧岭 b k ， “ 一 )- e - 0 ( e ( h ) 一 e ( r ) ) b k ( 1 - 1 2 ) 一|冲 -一 h : (。 ) 一 b e a (a-)d sll u (t+ ) 一 。 (t - rk ) ,t 。 f k h + r k ,、 一 。 ，1，2 ， 净( 1 -1 3 ) 对 于多 包 传送且 有丢 包问 题的 n c s 系 统， z h a n g 将 它 们看 作 一 个异 步 动态 系 统来建模p 2 1 ，并研究在不同的数据丢包率下系统的 稳定性， 及系统稳定所能容 忍的最大丢包率等问题。 在n c s 系统中， 网络时延仅仅存在于传感器到控制器、 控制器到执行器的信 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 号传输过程中， 对控制器、 受控对象本身的动态性能并没有影响。 基于这个特点， me l e i 认为 n c s 的动态特性可以 用下式表示i 1 从 z ( t ) = ( a + a a ) x ( t ) + b u ( t ) ( 1 一 1 4 ; u ( t ) 二 k x ( t - r ) ( 1 - 1 5 ; 式中，a a表示系统中的线性不确定参数，了 为系统中总的网络时延。利用 l y a p u n o v 稳定性 判别准则和 r a z u m i k h i n - t y p e 原 理， 只要总时 延: 满足如下条 件， 则上述n c s 系统渐近稳定。 i 了 一 口 r二 下 仁 二 六 , 1 呼 11 , . . . . . . . 11 ， 一 一 11 -. 11 0 l l l ff ak ll + ij-ff , - ( t - l ) .d ， 一 1 .m 2 ( 1 - 2 5 ) 1 . 6 . 6控制器设计 针对一个如图1 - 5 所示的 基于网 络的l t i 系统， 文 2 3 提出了 一种控制器的设 计方法， 其主要思想在于控制器可以在开环控制和闭环控制两种方式之间进行切 换。当网络阻塞、 反馈时延过大时， 控制器切换到理想的开环控制模式下， 而当 网络畅通时又可以切换返回到闭环控制模式下。相应的控制律为: z ( t ) = ( 1 一 。 ( t ) ) ( a z ( 一 1 ) + b u ( t 一 1 ) ) + a ( t ) z ( t ) u ( t ) = k z ( t ) ( 1 - 2 6 ) 其中。 ( t ) e 0 , 1 , b t e n . a ( t ) 的 取 值由 图中k 2 的 位置 所 决 定 。 k z 接 通1 位 置时 ， 。 ( ) 取 。 此时整个系统是开环的，控制器 的输出也就是控制器对理想无扰 动 被 控 过 程g ( 习的 控 制 信 号 。 接 通 位 置 2 时 ， a ( t ) 取1 i 此 时 控 制 系统闭环，控制器的输出根据状 态观测器估计的系统状态x 来计 算。 文 2 3 证明此种控制器的设计 可以转化为设计一个渐近收敛的 图 1 - 5在开环和闭 环间切换的 n c s 控制器结构 2 3 状态观测器的问题， 仿真结果也证明了这样的控制系统是渐近稳定的。 不过此结 论仅对于受控对象为线性时不变系统的情况成立。 龙承念等将这种控制器设计思 想应用到具有数据包丢失的 n c s 系统， 取得了 较满意的 控制效果 2 7 1 1 . 6 . 7基于q o s 的自 适应网络控制器 q o s 是q u a l i t y o f s e r v i c e 的缩写， 是反映网络上的节点对于网 络性能需求的一 项综合指标。 基于q o s 的网 络控制器自 适应方法基于以下的思想: 当 通信网 络由 于拥挤或带宽限制不能够满足控制系统的通信需求时， 控制器可以根据网络实际 的 q o s 状况来自 适应地调整参数或输出 增益，以 获得最优的控制结果。 在控制器参数调整方 面， 文 2 8 提出了 离线 优化、 在 线插值的 方法。 控制 器 参数的离线优化设定的代价函数为: c 一 _1n 鑫 ir (k ， 一 y (k )i ( 1 - 2 7 ) 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 在 每 一 种 q o s 情 况 下 ， 通 过 调 整 p i 控 制 器 的 比 例 系 数凡和 积 分 系 数凡来 得 到各自 的 代价曲 面， 每一 个独立的曲 面代表在某种q o s 情况 下， 代价函 数 值c 与 控 制 器 参 数k , . k , 的 关 系 。 基于 这 个曲 面 ， 可以 很 容 易 地 使 用 各 种 优 化 方 法， 如 最 速 下 降 法 ， 来 得 到 某 种 q o s 下戈和 凡的 最 优 值 。 但 是 由 于 实 际 工 业 微 控 制 器的计算能力有限， 在线实时优化计算难以实现。 因此可以 通过离线计算出各种 q o s 情 况 下 的 最 优 凡和k t ， 并 将 结 果 以 数 据 表 的 形 式 存 储 在 控 制 器 中 。 控 制 系 统工作时， 根据实际 所监测到的 q o s 状况， 采用查表插值的方式对p i 控制器参数 进行调整。 在控制器输出增益调整方面， n a l f b . a lt n u t a i r i 等进行了 较系统的 研究12 4 1 (3 0 1 文1 2 4 1 中 提出 一种系统结 构如图1 - 6 所示， 这种方法在 p i 控制器 输出 端增加一 个自 适应增益 环节， 这个增 益环节 使用一 个模糊调节器 来对控制器的 输出 增益18 进行 调 整 ， 模 糊 调 节 器 输 出 表 示 为 : / 3 一 h r ( e ( t ) ) , e ( t) 为 模 糊 调 节 器 的 输 入 ， 是 系 统的输出误差。模糊调节器的推理规则如下: i f。i s s m a l l t h e n声 二 八; i f 。i s l a r g e t h e n刀 “ 几; 模糊调节器 r tt ?-, 八 口 e (t p s 赢刃 n 与乙i et 14 4 仁 lt - i z州 y c t - t ) 网络 图1 -