（系统工程专业论文）具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计.pdf

摘要 随着计算机网络技术的迅速发展及控制规模的日益扩大，通过网络传输信息 的控制系统的研究越来越为人们所重视。我们把通过实时的通讯网络构成闭环控 制的反馈控制系统称为网络控制系统。与传统的点对点控制系统相比，网络控制 系统具有布线少、低成本及诊断维护方便等特点。然而，由通信网络的引入而带 来的网络诱导时延、丢包、单包和多包传输等问题使系统的分析和设计变得复杂。 本文主要针对网络控制系统中时延和丢包两个基本问题进行了相关研究，主 要工作如下： ( 1 ) 在同时考虑网络时延和数据包丢失的基础上，研究了网络控制系统的状态 反馈控制器设计问题。将网络化控制系统建模为异步动态切换系统，构造李亚普 诺夫函数，利用线性矩阵不等式理论推导出由数据包丢失率约束的系统时滞相关 指数稳定的充分条件。 ( 2 ) 在同时考虑网络时延和数据包丢失的基础上，将数据丢包看成一种特殊的 时延，利用动态反馈控制器设计提高系统的动态性能，得到了总时延( 包括传感器 与控制器之问的时延，控制器与执行器之间的时延) 的表达式，建立了不确定网络 控制系统模型。基于l y a p u n o v 函数理论，构造了线性矩阵不等式，推导出不确定 网络控制系统稳定的充分条件。 关键词：网络控制系统时延丢包线性矩阵不等式异步动态切换系统 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r k st e c h n o l o g ya n dt h e i n c r e a s i n gd i m e n s i o no fc o n t r o lp r o b l e m ，f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m sc o n n e c t e dv i aa s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，w h i c ha r ec a l l e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 洲c s ) 。h a s o b t a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nc o n t r o lc o m m u n i t y c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l p o i n t - t o 。p o i n tc o n t r o ls y s t e m s ，t h ea d v a n t a g e so fn c sa r el e s sw i r i n g ，l o w e ri n s t a l lc o s t a sw e l la sg r e a t e r a g i l i t yi nd i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e h o w e v e r , t h ei n t r o d u c i n g c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si n t ot h ec o n t r o ll o o p sm a k e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fn c s c o m p l i c a t e d ，d u et or a n d o mn e t w o r k i n d u c e dd e l a y s ，d a t ap a c k e td r o p o u t sa sw e l la s s i n g l e p a c k e to rm u l t i p l e p a c k e tt r a n s m i s s i o n t h e k e yi s s u e so fn e t w o r k i n d u c e dd e l a y sa n dd a t ap a c k e td r o p o u t si nt h en e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m sa r es t u d i e di nt h i st h e s i s m a i na c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h ef e e d b a c kc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hb o t h t i m e d e l a y a n dd a t a p a c k e td r o p o u t n c si sm o d e l e da sa n a s y n c h r o n o u s d y n a m i c a l s w i t c h e ds y s t e m s ，b yu s i n gl y a p u n o vf u n c t i o na n dl m it o o l b o xi nm a t l a b ， w ec a r ld e t e r m i n et h ed e l a y - d e p e n d e n te x p o n e n t i a ls t a b i l i t yo fa nn c sc o n s t r a i n e db y p a c k e td r o p o u tr a t e s s e c o n d l y , s t u d yt h es t a b i l i t yo ft h eu n c e r t a i nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hn e t w o r k i n d u c e dd e l a y sa n dd a t ap a c k e td r o p o u tb yc o n s i d e r i n gap a c k e td r o p o u ta sas p e c i a l k i n do fd e l a y ad y n a m i cf e e d b a c kc o n t r o l l e rw a si n t r o d u c e dt o s t a b i l i z et h en c sa n d i m p r o v et h e i rd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h ee x p r e s s i o no ft o t a ln e t w o r k i n d u c e dd e l a y i n c l u d i n gt h es e n s o r t o c o n t r o l l e rd e l a ya n dt h ec o n t r o l l e r - t o a c t u a t o rd e l a yi sp r e s e n t e d t h en c sm o d e le s t a b l i s h e d b yc o n s t r u c t i n gl y a p u n o vf u n c t i o n ，u s i n gl m i t e c h n i q u e t op r o v et h et h e o r e mt od e t e r m i n et h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e m 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 ( n c s ) t i m e - d e l a y d a t ap a c k e td r o p o u t l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ( l m i ) a s y n c h r o n o u sd y n a m i c a l - s w i t c h e ds y s t e m s 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另, j ) j i l 以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：善鞋日期二塑雩虹 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：趑聋迎本人签名：趁缘迎 聊签缸扭 日期丛红2 第一章绪论 第一章绪论 本章主要对网络控制系统的发展背景、研究内容及研究现状进行了简要介绍， 最后说明了本文的结构和主要内容。 1 1 计算机控制系统的发展 计算机控制系统发展至今先后主要经历了以下几个阶段：传统的集中式控制 系统、七十年代中期发展起来的集散控制系统( 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 s ) 、 八十年代未发展起来的现场总线控制系统( f c s ，f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m s ) 、以及九 十年代开始的基于以太网的控制系统。 传统的集中式控制系统的典型结构如图1 1 。这种系统一般采用一个中央控制 单元( c p u ) 完成控制计算、信息处理等所有工作，控制器和对象之间的连接采用的 是点对点的连接方式。随着现场采集的信息量的增加，集中式控制系统对中央控 制单元的硬件性能要求越来越高，软件编程也愈来愈复杂。因此，产生了集散式 控制系统( d c s ) 来代替集中式控制系统，如图1 2 所示。d c s 的核心思想是分散采 集控制、集中监视操作。在这种分层控制系统中，对各个现场设备的控制任务由 现场的控制单元完成，总体的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完 成，从而实现了控制功能和管理信息的分离。但集散式控制系统和集中式控制系 统都有一些共同的缺点，那就是随着现场设备的增加，系统布线十分复杂，成本 大大提高，以及系统的抗干扰性差、灵活性不够、扩展不方便等。为了从根本上 解决这些问题，新型的分御式控制系统现场总线控制系统应运而生，如图1 3 所示。 图1 - 1 集中式控制系统示意图 2 具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 图1 2 集散式控制系统示意图 图1 3 现场总线控制系统 从整体上看，计算机控制系统已呈现出向网络化、集成化、节点智能化、分 布化的发展趋势。例如d c s ，尽管它丌放性欠佳，控制功能也相对集中，但适应 了现场控制的需要，表现出网络化的结构特性，而现场总线控制系统从一丌始便 顺应了这一趋势，是完全网络化、分布化的控制系统。 1 2 网络控制系统的概述 1 2 1 网络控制系统的描述 计算机网络是计算机技术与通信技术发展的结晶，计算机经历了单机远程访 问系统网络的发展过程。目前，计算机网络技术发展非常迅速，在工业、农业、 交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等各行业得到了越来 越广泛的应用。随着自动控制，微电子技术的发展，大智能控制芯片和智能传感 器的不断出现，网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 已成为许多控制领 第一章绪论 域研究的热点。网络控制系统即网络化的控制系统，它体现了控制系统向网络化、 集成化、分布化、节点智能化发展的趋势。 进入2 1 世纪，自动化与工业控制技术需要更深层次的渗透通信与网络技术。 一方面，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，其间 的通信需要数据通讯网络来实现，这是网络环境下典型的控制系统( 如图1 4 ) 。另 一方面，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。 其程 图i 4 典型网络控制系统设置与信息流向 从网络结构上来说，n c s 和f c s 并没有区别，都是总线网络，多个节点共享 信道，用来传输实时或非实时数据；但从定义上看，f c s 侧重的是节点之间实时 或非实时数据的传输和共享，而n c s 则强调在通信网络上建立闭环控制回路，从 这一点上看，n c s 中的网络是一个广义的范畴，包括了f c s ，但不局限于f c s ， 还可以包括以太网、无线通信网络、以及i n t e r n e t ，这也是与网络技术的发展相适 应的。 “n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”最早于1 9 9 8 年出现在马罩兰大学w a l s h 的论著中 【2 训，但未给出明确的定义，只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在该系 统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而清华大学的顾洪军给出了明确的 定义【5 ) o 定义1 2 1 网络控制系统，又称为网络化的控制系统，即在网络环境下实现的 控制系统。网络环境是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线 路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实 现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统包括狭义的在内，而且还包括通过 企业信息网络以及i n t e r n e t 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制等。 网络控制系统的研究融合了控制理论和网络技术，为一交叉学科研究，其研 究的理论成果和应用技术对发展新的控制领域和交叉学科的建设都有重要的理论 和应用价值。 4 具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 1 2 2 网络控制系统的特点 网络控制系统是计算机技术、通信技术与控制技术发展和融合的产物，具有 如下特点： ( 1 ) 结构网络化：网络控制系统最显著的特点体现在网络化体系结构上，它支 持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与分层控制系统的递阶结构相比，具有更 好的平稳性。 ( 2 ) 节点智能化：带有c p u 的智能化节点之问通过网络实现信息传输和功能 协调，网络控制系统的每个节点可认为是一个单元，且具有各自相对独立的功能。 ( 3 ) 控制现场化和功能分散化：网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下 放到智能化现场设备上执行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠性 和安全性。 ( 4 ) 系统丌放化和产品集成化：网络控制系统是一个开放性的系统，可根据某 些标准进行开发。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。 网络控制系统的特点决定了其相对于传统的控制系统有不少优势【6 】：网络系统 总体价格降低、安装维护简单、系统可靠性高、网络管理灵活、便于进行故障诊 断、远程操作与控制、资源共享等。正因为如此，近些年来以现场总线为代表的 网络控制系统得到了前所未有的快速发展和广泛应用。 1 3 网络控制系统的基本问题 网络控制系统的基本结构如图1 5 所示。在网络控制系统中，网络是控制系统 的各种信息( 例如传感器的测量数据、控制量以及控制系统的状态信息) 进行传输和 交换的唯一通道。网络数据传输中存在的一些基本问题，包括：网络节点的工作 模式、网络诱导时延、数据包丢失、单包传输或者多包传输以及网络调度等，会 影响到控制系统的建模、分析与设计。 图1 5 网络控制系统的基本结构图 第一章绪论 下面分别对这些网络控制系统中的基本问题进行介绍【7 s 】。 1 3 1 网络节点的工作模式 在网络控制系统中，各节点的工作方式可分为时间驱动( t d ，t i m e d r i v e n ) 和事 件驱动( e d ，e v e n t d r i v e n ) 两种。所谓时间驱动的工作方式，是指节点在采样时钟 的作用下定时从等待队列中取得采样信号，然后发送；而事件驱动是指信号到达 节点，节点立即被激活，对数据进行处理和发送，即“信号到达”这个事件“驱动” 节点执行相应的动作，因此叫事件驱动工作方式。网络控制系统中的传感器一般 采用时间驱动的工作方式，传感器的时钟即为系统的采样时钟，而控制器和执行 器可以是事件驱动，也可以是时间驱动。 图1 6 解释了节点采用不同工作模式对信号时序的影响，图中u 山表示根据传 感器信息坼一。计算出的控制量。 传感器节 控制器节 执行器节 ! 八了 i 八：i 谶八l：- ： “3缸2如lk七+ 1七十2 a ) 控制器和执行器采用时间驱动 传感器节点 控制器节点 执行器节点 ： 材夺3 ： ：- ： r i 肛3“2“1k七+ lk + 2 b ) 控制器和执行器采用事件驱动 图1 6 传感器为时间驱动，控制器利执行器采川不同l ：作模式时的信号时序图 从图1 6 中可以看出当控制器或执行器为事件驱动时，避免了控制器或者执行 器为时间驱动时的数据等待被采样的时i b j ，客观上减少了网络时延；避免了与传 感器时钟同步的困难；提高了反馈数据的利用率，同时降低了对网络通信带宽的 要求。但是事件驱动带来了随机采样和随机时延，且较时间驱动更难实现。 1 3 2 网络诱导时延 由于网络的介入而使得控制系统的信息在传输时产生的时延，称之为网络诱 导时延( n e t w o r k i n d u c e dd e l a y ) 。时延问题是网络控制系统研究中所需要面对的主 要问题之一，网络时延对n c s 的稳定性和动态性能具有重要的影响。若在设计控 制系统时不考虑这种时延的存在，将会降低控制系统的性能，甚至还会引起系统 的不稳定【9 1 。一般可认为，当时延远小于采样周期时，时延的影响可以忽略不计： 6 具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 但当时延相对于采样周期而言不能忽略时，设计闭环网络控制系统的控制器就必 须考虑信息的传输时延。网络时延的存在也使得系统的分析和设计变得非常复杂， 虽然时滞系统的分析和建模近些年来取得了很大的进展1 1 0 】，但由于网络控制系统 中的时延存在多种不同特性( 固定、有界、随机) ，大多数现有的理论及方法都必须 经过重新评估后才能应用。 网络控制系统中的网络时延包括：1 ) 传感器和控制器之间的时延t i ”t ；2 ) 控制 器和执行器之间的时延z k 。；3 ) 控制器的执行h d l s jf ；。一般来说，可以将控制器的 执行时间归入控制器和执行器之间的通信时延，从而将上述三种时延简化为只有 f ：。和r ，。 h a l e v i 1 1 1 给出了将分布式网络时延r f 和r ；。汇总为单一时延的命题，a p 0 = f + “c a 。在大多数情况下，网络诱导时延是时变不确定的，它可能大于一个 采样周期，也可能小于一个采样周期。根据乙的上界与采样周期h 的关系，引入 下列定义【1 2 1 ： 定义1 3 1 若网络诱导时延“在区间 0 9 订】内分布， 诱导时延为短时延。 定义1 3 2 若网络诱导时延。在区i 日j 0 9 a 】内分布， 诱导时延为长时延。 且a h ，则称这样的网络 且a h ，则称这样的网络 由于网络诱导时延是时变的，时延的长短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。 1 3 3 数据包丢失 网络的阻塞和连接中断是导致数据包丢失( 简称丢包) 的一个因素。其次由于节 点竞争数据发送权需要花费时间，当节点在规定的时间内仍然未能成功发送数据， 则该数据将被丢弃。另外数据在网络传输过程中可能会发生错误而被要求重发， 如果该节点的数据在规定的重发时间内仍然没有成功发送数据，则该数据包被丢 弃。这些事件的发生都可被视为数据包丢失。 从系统信息的传输来看，丢包的发生相当于信息传输通道暂时被断丌，使得 系统的结构和参数发生较大的变化。闭环控制系统虽然对系统中结构和参数的变 化具有一定的鲁棒性，但不可避免的造成性能的下降，严重的将导致系统失稳， 需要寻找行之有效的解决方法。 第一章绪论 1 3 4 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有别于传统控制系统的特点。单包传 输是指传感器( 或控制器) 的周期性数据作为一个数据包同时发送；多包传输是指传 感器( 或控制器) 的数据通过不同的数据包发送，因而无法同时到达控制器( 或执行 器1 。 之所以采用多包传输是由于包的尺寸限制，单个数据包只能承载有限信息， 因此大量的数据必须分为多个包来传输。另一方面，当系统具有多个传感器和( 或) 执行器，且它们在网络控制系统中分散且相隔很远时，很难将所有传感器的数据 用单个数据包进行传输，此时也须采用多包传输。因此，可以看到采用多包传输 的网络控制系统的被控对象本身不一定是多输入多输出( m i m o ) 系统，而采用单包 传输的网络控制系统的被控对象也可能是m i m o 的。 1 3 5 网络调度 在网络控制系统中，系统性能的体现不仅依赖于控制算法，还依赖于对共享 的网络资源的调度。所谓网络调度是指确定网络节点发送数据的次序和发送时刻、 时间间隔，其目的是尽量避免网络中的冲突和阻塞现象的发生，从而减小网络数 据诱导时延，减少数据包丢失等事件的发生。 当多个控制回路连接到同一个控制网络时，网络带宽的优化调度问题就变得 格外重要。利用有限的网络资源，实时传输较为重要的数据包；在保证网络控制 系统控制性能的基础上，尽可能的充分利用网络带宽资源都属于网络调度要解决 的问题。 在网络控制系统的研究中，网络调度所关心的主要是网络控制系统中节点传 输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权，而不是数据包如何更有效地从源 端到达目的端以及路由拥塞时应采取何种措施，这些问题将由路由算法和拥塞控 制算法来解决i7 。 1 3 6 通讯约束 在n c s d p ，由于网络带宽以及系统节点数目的限制，通讯速率是有界的通讯 约束问题可以分为位速率约束和信息率约束。位速率约束问题存在于捌有有限字 长、受噪声干扰的网络中。信息速率约束问题是从信息传送的级别来考虑通讯约 束问题的。 具有时延利数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 1 3 7 空采样 通过网络传送一个连续时间信号，首先需要对信号进行采样，控制信号在网 络中传输时发生丢失或冲突而产生瞬态误差，瞬态误差有可能持续几个周期，系 统不能立即恢复j 下常，时序样本不能准时到达，这样便产生了空采样的问题。 1 3 8 抖动 抖动是“在任何特定的时间问隔内，与时间相关的、突然的、乱真的变化”，是 实时系统中普遍存在的现象。抖动依赖于时钟的精确性、调度算法和计算机硬件 结构。抖动分：控制周期的抖动、延时抖动、采样抖动。 1 3 9 时序错乱 系统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，数据包在中 继环节的队列中等待的时间往往也不相同，因而造成数据包的时序错乱。数据包 的错序又可分为两种情况：单包传输情况下，后发的数据先到：多包传输情况下，同 时刻数据的不同数据包的到达时间也会错乱。 1 4 网络控制系统的研究现状 针对网络控制系统的研究，丌始于上个世纪九十年代。自r a y 】等人研究的集 成通信控制系统( i c c s ，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 ) q b 提出了网 络控制系统的初步概念后，网络控制系统受到越来越多的学者的关注，并逐渐成 为学术界的热点之一。 将网络引入到控制系统不可避免带来了网络传输的不确定性和不可靠性，从而 使网络控制系统的设计更加复杂化，网络控制系统的研究也主要针对这个问题展 开，其主要目标是在网络的环境下保证控制系统具有良好的性能和稳定性。 目前主要有两类设计网络控制系统的方法：第一类将网络与通信协议认为是已 知条件，考虑网络诱导时延、数据包丢失等因素，研究基于时延微分方程( 差分方 程) 描述的系统的控制策略设计。目的是在已有的网络条件下，设计相应的控制器 以保证系统的控制性能和稳定性。第二类设计方法的重点是网络拓扑和协议的改 进，网络调度算法的优化，网络设备的改进等，从而提高网络的传输确定性和可 靠性，保证信号传输的实时性，使控制系统能够达到所要求的稳定性和性能要求。 另外，现在也出现了两条基本研究途径互相交叉，调度与控制协同设计的趋势。 第一章绪论 9 自从“n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”被提出，并被作为一个系统研究以来已经取得 了一系列的研究成果。网络控制系统作为控制和网络的交叉学科涉及的内容相当 广泛，其研究的领域同时包含了连续域和离散域：网络控制系统的对象包含了线 性定常、线性时变和非线性的对象；系统的分析和设计方法有基于确定性控制的 方法，基于随机控制理论的方法，基于鲁棒控制的方法以及基于离散事件系统、 混合系统的方法等：所研究的问题包括网络诱导时延，数据包丢失，多包传输以 及网络调度方法等问题。 下面就对网络控制系统的研究问题分别予以介绍。 1 4 1 时延网络控制系统 目前对网络时延的研究，主要分为三类：固定时延，随机时延和不确定时延。 可以通过在网络控制系统的控制器和执行器节点的接收端设置一定深度的先进先 出( f i f o f i r s ti nf i r s to u t ) 缓存1 1 3 1 4 】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的分析与设计；如果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；当网络诱导时延是时变、不确定的，可采用鲁棒控制、自适应控制、智能 控制等方法对其进行研究。 由于在某些网络中网络诱导时延可以认为是固定不变的( 例如文献【1 5 】通过多 次实验发现交换以太网的时延较小而且变化甚微，可以将此时延看作是固定不变 的) ，所以可直接利用确定性系统的方法研究网络控制系统。文献【1 6 】研究了传感 器控制器时延和控制器执行器时延固定且小于一个采样周期的m i m o 网络控制 系统，建立了网络控制系统的离散模型，并讨论了其最优控制器的设计。对于网 络中存在的时变时延，需要利用一些辅助手段将时变时延转化为固定时延，在此 基础上才能应用确定性系统的方法研究系统。文献 1 3 ，1 4 】利用接收缓存将时变时延 转化为固定时延，提出了利用控制器节点接收队列中的数据估计被控对象的状态， 并利用预测的方法补偿网络诱导时延，以改善系统的性能。文献【1 7 】在考虑网络控 制系统存在噪声干扰的情况下，设计了多步时延补偿器。文献d 8 针对网络只存在 于控制器和传感器之间的网络控制系统，设控制器与传感器均为时间驱动，且利 用缓存将网络诱导时延转化为固定时延，设计了具有时延补偿功能的状态观测器， 并证明了状态观测器的极点可以任意配置。 对于随机时延，人们较早采用的方法是利用随机控制的理论和方法进行网络 控制系统分析和设计，且取得了一系列的成果。文献【1 9 】建立了传感器节点为时间 驱动、控制器与执行器为事件驱动的短时延网络控制系统的模型，设计了l q g ( l i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ) 随机最优控制器和状态观测器，并证明了系统设计的分 l o 具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 离原理依然成立。文献 2 0 ，2 1 建立了短时延且其概率分布可以由一m a r k o v 链决定 的网络控制系统的离散时间模型，分析了闭环系统的稳定性。文献 2 2 在【2 l 】的基 础上，设计了网络控制系统的l q g 随机最优控制器和状态估计器。 对于时变不确定时延网络控制系统，首先在稳定性分析方面取得了一定的成 果。文献【2 3 】研究了传感器为时问驱动，控制器和执行器为事件驱动的网络控制系 统，分别给出了短时延和长时延闭环系统的离散时间模型，并研究了保证系统稳 定的控制器参数与网络诱导时延、采样周期的定量关系。文献 2 4 1 针对具有不确定 时延的网络控制系统，设网络介入前闭环系统渐近稳定，利用l y a p u n o v 函数和线 性矩阵不等式( l m i ，l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ) 方法，给出了保证系统稳定的最大允许 时延的求解方法。文献 2 5 矛1 j 用l y a p u n o v 函数方法和矩阵范数理论，分析了具有 不确定性的连续线性对象的网络控制系统在时变不确定时延影响下的闭环系统稳 定性，并给出了保持系统稳定的网络诱导时延上界的计算方法。文献 2 6 1 对具有输 出延迟的网络控制系统的稳定性进行了分析。文献【2 7 】提出了网络化切换系统的概 念，利用具有时延的输出信号设计了一种新的观测器和控制器，得到含有时延的 闭环网络化切换系统，给出了使得该闭环系统稳定的充分条件。 文献【5 7 针对一类短时延网络控制系统和一个二次型性能指标，研究了系统存 在控制增益扰动时的状态反馈非脆弱保性能控制问题。分别给出了具有加性或乘 性控制增益扰动的非脆弱保性能控制器存在的充分条件和控制器的设计方法。在 满足性能指标条件的基础上，将次优保性能控制器的设计问题转化为一组线性矩 阵不等式约束下的凸优化问题 另外，由1 3 2 节的分析可知，按时延上界与采样周期的关系可将时变时延分 为短时延和长时延。在网络控制系统时延问题的大量研究成果中，短时延问题1 2 8 3 5 】 的研究占主导地位，长时延网络控制系统【3 6 枷j 的研究相对较少。 1 4 2 数据包丢失的网络控制系统 由于网络传输中，数据包丢失的发生呈现出明显的时变和不确定特性，难以 准确描述其特性，但切换系统和混合系统的出现给数据包丢失的网络控制系统研 究提供了一些方法。 文献f 7 】针对传感器为时间驱动，控制器为事件驱动的网络控制系统，假设网 络只存在于控制器与传感器节点之间，网络诱导时延可忽略不计，文中将数据包 传输的成功与否等效为开关的闭合和断开，建立了网络控制系统的模型。在此基 础上假设数据包丢失率一定，利用具有事件率约束的异步动念系统( a d s ， a s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e m s ) 的稳定性结论，分析了闭环系统的指数稳定性， 并对保证闭坏系统稳定的数据包丢失率的范围进行了研究。文献 4 1 】利用具有事件 第一章绪论 率约束的异步动态系统，研究了网络同时存在于控制器与传感器、执行器之间的 网络控制系统的指数稳定性。文献【4 2 】假设数据包丢失率为独立同分布随机量，在 数据包丢失的影响下，系统为一切换系统，其系数矩阵的切换概率与数据包丢失 同分布，在此基础上，讨论了系统随机渐近稳定的充分条件。 文献 5 7 】针对一类不确定网络控制系统，在考虑丢包的情况下，提出了一类 不确定切换系统模型。基于l y a p u n o v 函数方法，进一步研究了此类切换系统在控 制受约束时具有一定凰性能界的鲁棒输出反馈控制问题，应用风鲁棒控制理论及 线性矩阵不等式技术得到了输出反馈控制器及观测器的设计方法。 1 4 3 多包传输网络控制系统 多包传输的网络控制系统既包含了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、控制器和执行器的系统。在m 1 m o 网络控 制系统方面，文献【4 3 】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m j m o 网络控制系统，考虑传感器与控制器的时钟不同步，文中建立了网络 控制系统的时变离散时间模型。文献【1 6 针对传感器和控制器均为时间驱动，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，文中给出了网络控制系统的离散时间模型和最优控制器的设计方法。 此外，在s i s o 对象采用多包传输的网络控制系统方面，文献【7 假设系统只有 一个采用时间驱动的传感器节点，其数据采用多包传输，网络只存在于传感器与 控制器节点之间，并且网络诱导时延可忽略不计，文中建立了网络控制系统的离 散时间模型，利用切换系统的稳定性理论分析了传感器节点采用两个数据包传输 时，闭环系统的稳定性。 1 4 4 有时延和数据包丢失的网络控制系统 对于有时延的网络控制系统和有数据包丢失的网络控制系统的研究，已取得 大量显著的成果。但是对于系统中既存在网络诱导时延又有数据包丢失的研究还 不多见。 文献 4 6 】针对同时具有网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统，假设数 据包丢失率一定，网络诱导时延小于一个采样周期，将网络控制系统建模为具有 事件率约束的异步动态系统。提出了使得该系统达到指数稳定的动态输出反馈控 制器的设计方法。文献f 4 7 】在同时考虑网络诱导时延和数据包丢失的基础上，研 究了动态输出反馈网络控制系统指数稳定性和控制器设计问题。基于一定的数据 包丢失率和不大于一个采样周期的时延，将系统建模为结构事件率约束的异步动 1 2 具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 态系统。利用线性矩阵不等式方法推导出由网络接通率约束的系统指数稳定的充 要条件，给出了确保系统稳定的控制器设计方法。文献 4 8 】针对传感器为时间驱动， 控制器和执行器为时间驱动的情况，则是将网络控制系统建模为切换系统，基于 切换系统理论和分段l y a p u n o v i 函数理论，构造了线性矩阵不等式，推导出网络化 控制系统反馈控制器稳定的充要条件。文献【4 9 】则针对单数据包传输情况，将同时 存在网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统建模为具有事件约束的异步动态 系统， 依据l y a p u n o v 稳定性原理， 提出了同时存在网络诱导时延和数据包丢失 的网络控制系统指数稳定的网络诱导时延条件和数据包丢失条件。文献 5 0 】针对 具有随机网络诱导时延且数据包丢失的网络化控制系统，研究系统的状态反馈保 性能控制问题。将网络化控制系统建模为具有两种运行模式的马尔可夫跳变线性 系统。根据马尔可夫跳变线性系统理论及线性矩阵不等式( l m i ) 技术，给出了网 络化控制系统状态反馈控制器存在的充分条件和控制器的设计方法。 文献 5 8 1 8 u 用文献 5 0 1 将网络化控制系统建模为具有两种运行模式的马尔可夫 跳变线性系统，研究系统存在控制增益扰动的状态反馈非脆弱保性能控制问题。 根据马尔可夫跳变线性系统理论及线性矩阵不等式( l m i ) 技术，给出了网络化控 制系统状态反馈非脆弱控制器存在的充分条件和控制器的设计方法。 1 4 5 网络控制系统的调度 研究网络控制系统的调度的目的是改善网络的传输情况，减少冲突、阻塞等 不利因素的发生，从而减小网络诱导时延，减少数据包丢失率，对于改善网络控 制系统的性能具有重要的意义。 针对优先级设置的网络控制系统的调度方法主要有静态调度和动态调度，所 谓静念调度是指事先确定各网络节点的优先级，且在系统运行过程中不变，当发 生冲突时，各节点根据各自的优先级决定发送的先后顺序，其传输间隔是固定的。 动态调度则事先不指定各自的优先级，各节点根据实际情况动态调整优先级，因 此传输间隔是时变的。在网络资源有限的条件下，动态调度比静态调度更能有效 利用网络。 在许多实时系统中，一般采用速率单调( r m ，r a t em o n o t o n i c ) 和最早时限优先 ( e d f , e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 两种调度算法来分配c p u 的资源。然而对n c s 网络调 度这一课题来说，还是一个有待于进一步研究的领域。z h a n g l 7 】利用r m 算法分别 对多包传输和存在丢包的n c s 进行了研究，分析了一类n c s 的调度能力。w a l s h l 3 l 提出了最大误差优先( m e f , m a x i m u me r r o rf i r s t ) 调度技术和t o d ( t r yo n c ed i s c a r d ) 第一章绪论 协议，保证误差最大的数据优先传输，并丢弃过时的数据而使用最新的数据。文 献【2 】讨论了在t o d 协议下，不同的调度策略对系统的影响。文献【4 4 】提出了对采 用令牌环协议的n c s 中各个控制环的采样周期和采样时刻的调度算法，尽量地避 免冲突现象的发生，从而最大限度地减少信息的传输时延，相应提高网络资源的 ， 利用率，文献【4 5 】在此基础上，讨论了针对网络中可能存在的三种类型的数据( 周期 性、非周期性实时数据及非实时数据) 如何有效的实现调度，在保证实时数据实时 性能的基础上，进一步提高网络的利用率。 在系统拥有众多的传感器、执行器和控制器来竞争访问网络时，调度策略极 其重要，决定了时延的特性，传输速率等。通过选用合适的调度策略可以提高系 统的性能。 1 5 本文的主要工作 网络控制系统研究涉及的内容相当广泛，本文主要对有数据包丢失和网络诱导时 延同时存在的网络化系统进行分析。在结合异步动态系统理论对网络化系统进行 合理建模的基础上，通过运用l y a p u n o v 函数理论和线性矩阵不等式，对系统的稳 定化进行了研究，提出了这类网络控制系统的稳定性条件和控制器设计方法。 全文的内容安排如下： 第一章简要介绍了计算机控制系统的发展历程和网络控制系统的基本概念； 阐述了网络控制系统的基本问题；并回顾了网络控制系统的研究现状。最后介绍 了本文的主要工作。 第二章简要介绍了线性矩阵不等式、以及后面将用到的定义和引理。 第三章在同时考虑网络时延和数据包丢失的基础上，研究了网络控制系统的 状态反馈控制器设计问题。将网络化控制系统建模为异步动态系统，构造李亚普 诺夫函数，利用线性矩阵不等式理论推导出由数据包丢失率约束的系统时滞相关 指数稳定的充分条件。 第四章在同时考虑网络时延和数据包丢失的基础上，将数据丢包看成一种特 殊的时延，用动态反馈控制器来补偿网络诱导时延和数据包丢失，建立了系统总 时延不确定的网络化控制系统，基于l y a p u n o v 函数理论，构造了线性矩阵不等式， 推导出不确定网络控制系统全局渐进稳定的充分条件。 最后在结束语部分对所做工作进行了总结，并分析了网络控制系统的发展趋 1 4 具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 势和未来的研究方向。 第二章预备知识 第二章预备知识 本章简单介绍了线性矩阵不等式以及后面将用到的引理。 2 1 线性矩阵不等式理论 本节介绍线性矩阵不等式的一些基础知识，首先给出线性矩阵不等式定义。 定义2 1 ：一个线性矩阵不等式就是具有形式： f ( x ) = f o + x i f i + x r n c 0 ( 2 - 1 ) 的一个表达式。其中x i ，是? 7 1 个实数变量，称为线性矩阵不等式( 2 1 ) 的决策变 量，x = ( ，x 。) 7 r ”是由决策变量构成的向量，称为决策向量， f = c 7 r 职”，f = 0 ，l ，m 是一组给定的实对称矩阵。( 2 1 ) 式中的不等号” ”指的 是矩阵f ( x ) 是负定的，即对所有的非零向量1 ，月”，1 ，r f ( x ) v 0 ，或者r ( x ) 的最大 特征值小于零。 如果把f ( x ) 看成是从r 到实对称矩阵集s ”= m ：m = m r r “”) 的一个映 射，则可以看出，f ( x ) 并不是一个线性函数，而只是一个仿射函数。因此，更确 切地说，不等式( 2 1 ) 应该称为一个仿射矩阵不等式。但由于历史原因，目前线性 矩阵不等式这一名称已被广泛接受和使用。 如果在( 2 1 ) 式中用”代替” 0 ，f ( x ) g ( x ) 也是线 性矩阵不等式，因为它们可以等价地写成一f ( x ) 0 ，f ( x ) 一g ( x ) 0 。 系统与控制中的许多问题初看起来不是一个线性矩阵不等式问题，或不具有 ( 2 - 1 ) 式的形式，但可以通过适当的处理将问题转化成具有( 2 1 ) 式形式的一个线性 矩阵不等式问题。例如：多个线性矩阵不等式 e ( 戈) 0 ，e ( x ) 0 称为一个线性矩阵不等式系统，引进，( 工) = a i a g f , ( x ) ，丘( x ) ) ，则 e ( x ) 0 ，e ( x ) 0 同时成立当且仅当f ( x ) 0 。因此，一个线性矩阵不等式系 统也可以用一个单一的线性矩阵不等式来表示。 1 6 具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计 2 2 常用的重要引理 在许多将一些非线性矩阵不等式转化成线性矩阵不等式的l 司题中，我们常常 用到矩阵的s c h u r 补性质。考虑一个矩阵s r “”，并将s 进行分块： s = 陵要2 ： 其中的s i 。是r xr 维的，假定s i 。是非奇异的，则是2 - s 2 瓯1 s i 2 称为s 。在s 中 的s c h u r 补。以下引理给出矩阵的