（控制理论与控制工程专业论文）基于变结构理论的网络控制系统设计及应用研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着控制系统规模的日益扩大，网络成为控制系统的主要特 征，网络控制系统是当今控制界一个热点研究课题。网络在给控制系统带 来了安装简单、维护方便、资源共享等优点的同时，也给控制系统带来了 新的问题：信息的传输延迟，通常是随机的，而且常常是大于一个采样周 期的；由于网络传输的不可靠性，网络控制系统还有丢失信息包的现象发 生。可以看出网络的引入使得网络控制系统的分析与设计变的复杂起来， 所以基于理想假设的经典控制理论在应用于网络控制系统之前需要研究由 于网络的引入而产生的新的课题。 当前滑模控制、模糊原理、模糊滑模融合理论系统和线性矩阵不等式 等的迅猛发展，给各种系统的研究提供了有力的工具，本课题主要研究利 用这些现代数学工具来处理网络控制系统中的时延问题，具体工作如下： 首先，论文研究了滑模控制在网络控制系统中的应用方法。并针对一 类线性被控对象，将滑模预估变结构控制器的设计方法引入到它的设计中， 设计出的控制器可以用来处理长时滞，克服满足匹配条件的扰动和一定的 数据包丢失。 其次，论文研究了模糊滑模控制在网络控制系统中的应用方法。并针 对一类非线性被控对象，将模糊滑模预估变结构控制器的设计方法引入到 它的设计中，很好地克服了滑模控制在滑模面上的“抖动”。 再次，论文研究了网络控制系统的稳定性问题。利用线性矩阵不等式 推导出网络控制系统的稳定条件和最大允许通讯延时。 最后，论文基于v i s u a lc + + 开发工具对m o t o m a nu p 6 机器人系统 进行了二次开发，并在局域网内实现了机器人系统的网络远程控制，为课 题组的研究提供了一个很好的工作平台。 关键词网络控制系统；滑模控制：模糊控制；时延；m o t o m a n 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es i z eo fc o n t r o ls y s t e m , t h en e t w o r kw i l lp l a y m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ec o n t r o ls y s t e m s 。t h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m ( n c s ) i san e w r e s e a r c hd o m a i ni nt h ea u t o m a t i o n 。t h en e t w o r k b r i n g s t oc o n t r o l s y s t e m s t h e o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s o fi n s t a l l a t i o n s i m p l e ， m a i n t e n a n c ec o n v i n c ea n dr e s o u r c es h a r i n g b u ta l s os o m en e wp r o b l e m s a p p e a r ：t h ed e l a yo ft r a n s f e r r i n gi n f o r m a t i o ni so f t e nr a n d o m , a n di ti so f t e n g e a t e rt h a nas a m p l i n gp e r i o d ；b e c a u s eo ft h eu n d e p e n d a b i l i t yo fn e t w o r k t r a n s f e r , t h e r ei s ad r o p o u ti nn c s t h ei n s e r t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki nt h ef e e d b a c kc o n t r o ll o o pm a k e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f a nn c s e o m p 酶x ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h en e wr e s e a r c hb e f o r et h ec o n v e n t i o n a l c o n t r o lt h e o r i e sw i t hm a n yi d e a la s s u m p t i o n sa p p l i e dt on c s t h ea d v a n c e si ns l i d i n gm o d ec o n t r o l ，f u z z ys y s t e m sa n dl i n e a rm a t r i x i n e q u a l i t i e sp r o v i d et h er e s e a r c h e r sw i t hp o w e r f u lt o o l sf o rm a n ys y s t e m s 。节畦s t h e s i sa i m st oa c h i e v et h et i m ed c l a yp r o b l e mw i t ht h e s et o o l s w ed ot h e f o l l o w i n gw o r k ： f i r s to fa l l ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h eu s i n go fs l i d i n gm o d ec o n t r o li n n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 。t 量l e s l i d i n gp r e d i c t i v ec o n t r o l l e rw i t hg o o d p e r f o r m a n c ei sd e s i g n e df o rar a p i d c h a n g e dl i n e a rp l a n tu n d e rd e l a y ，n e t w o r k i n d u c e dn o i s ea n dd a t ad r o p o u tc i r c u m s t a n c e s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e st h ef u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o li nn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s n 1 。f u z z ys l i d i n gp r e d i c t i v ec o n t r o l l e rw i t hg o o d p e r f o r m a n c e i sd e s i g n e df o rar a p i d c h a n g e dn o n l i n e a rp l a n tu n d e rd e l a y ，n e t w o r ki n d u c e d n o i s ea n dd a t ad r o p o u tc i r c u m s t a n c e 。t h ec o n t r o l l e ri sa b l et om a n a g et h e c h a t t e ri nt h es l i d i n gm o d es u r f a c e 。 t h i r d l y ，t h ep a p e rs t u d i e st h es t a b i l i z a t i o nc o n d i t i o no fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s b yl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t yt h ec o n d i t i o ni sa c h i e v e da n dt h e i i a b s t r a c t m a x i m u ma l l o w a b l ed e l a yb o u n d f i n a l l y ，t h ep a p e rd e v e l o p st h em o t o m a nu p 6s o f t w a r es y s t e mb a s e d o nt h ev i s u a lc + + a n dr e a l i z e st h er e m o t ec o n t r o lo f t h em o t o m a ni nl a n t h es y s t e mi su s e da sap l a t f o r mf o ro u rf u t u r er e s e a r c h k e y w o r d sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ；s l i d i n gm o d ec o n t r o l ；f u z z ym o d e c o n t r o l ；t i m ed e l a y ；m o t o m a n i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于变结构理论的网络 控制系统设计及应用研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签字 多_ 1 蕴请 日期：2 。年争月，6 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于变结构理论的网络控制系统设计及应用研究系本人在燕山大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关 人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：? 6 0 i 年年月，o 日 日期：跏4 f 年午月2 阼j 泻 建毛 炙争 ， _ 名 名 登 堑 者 师 作 导 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及慧义 近冬来，随着按囊l 系统规模瓣目益扩大，网络成为控制系统懿主瑟特 征。农鑫动纯与工池控翎孛需甏更深层次遗渗透通信与黼络技本。随缀控 制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称n c s ) 是当今控制界一个热点研究 课题，对该课题展开研究具有重霾的学术价假和应用前景。 诗篓筑燕隶l 系统戆发震，惫嚣经历了d d c 整裁、中小銎i 诗算税共翔 作用的分层控制、集散控制d c s ，以及二十t 婕纪8 0 年代涑期发展起来的 现场总线控制。从熬体上看，计算机控制系统已经呈现出网络化、集成化、 节点餐艇化、分毒化、瘸平伲静发展趋势。铡鳃d c s ，尽黪它还不其餐开 放性，控镧功能也糨对集中，毽适应了现弱羧制的需要，寝现出网络他的 结构特性，而现场总线控制系统f c s 和工业以太网，从一开始便顺应了这 一趋势，是完全网络化、分布化螅控制系统。一般将通过网络形成闭环躲 反馈援镧系统穆为阏络控鞠系绞僻c s ) ，甏冀强籍中掰嵌入鹣阚络系统结 构的不同可以将其大致分为广义网络控制系统和狭义网络控制系统。一般 认为通过f c s 和工业以太网等组成的网络控制系统是狭义的网络控制系 统，纛囊运用诗算梭惩终诸熟广域诗算掇隧、i n t e m e t 等弱终上缝残獒羧嘉 系统剃被视为广义的网络控制系统。n c s 典溅的系统结构如图1 1 所永。 随着控制系统规模的日益扩大，进入2 1 世纪的控制系统将以网络为主 要特鬣“一方面是蒎囊动化与王娩控制中需要更深层次遗渗透逶信与网络 技术。c a n 局域控铡礴、各静魏场总线纷纷避入制造韭和化工厂等工渡控 制中，遮种控制网络属于一种完众的分布式控制结构，具有简单、快撬、 可靠性离、信息资源能够共享、逶线减少、安装和维护的费用减少、故障 诊瑟方便、易手系统麓扩震等挽患。翱热瑟一代飞雩亍嚣，蠢予诗算穰、智 能终端、传感器和执行器散落在不同空间，它们之间的信息处理需要邋过 数据通讯网络来实现，这是网络环境下典型的控制系统。另一方面是在网 络系绫审也要求更多蟪采用控铡骥论与策略，复杂瓣终系统包括诗算掇瓣 燕山大学工学硕士学位论文 鹜1 - ln c s 系统缝秘黧 f i g 1 - 1s y s t e ma r c h i t e c t u r eo f n c s 络、交通网络、电力网络等，往往需要用控制理论、系统理论、数学等多 种学科的交叉与综合，诗冀枫鄹终系统对于控镥i 理论来说憝一个有挑战後 麓研究领域。 网络技术首先悬猩计算机与邋信领域发展起来的，人们对于网络技术 中的某敷问题，如流惫控制、通储流调度、路内等，是从计冀机与通信科 学懿建泼爨发来寻求勰决办法懿，跫经取褥并将继续取褥缀多藏采。夔麓 网络技术及其应用的飞速发展，对网络的性能勰出了更高要求，如宽带i p 网、q o s ( f l 艮务质量) 保证等，新的宽带网技术也在研发中。襁这些研究中， 垮系统理论，控制骥论移控铡技零废瘸子网络技寒麴璎究蠢广溺翡翦曩。 其中之一就是溺络环糖下的控翩方法与算法黉簧创新。 网络控制系统是计算机控制系统的更高发展，它具有如下特点： ( 1 ) 绻梅网络化网络控制系统最显著的特点体现在腿络化体系结构 土，它雯潦魏慧线蘩、星垄、菇羹等凝矜结擒，与分垂控簇系统静递酚臻 构相比，恩得更加扁平与稳定。 ( 2 ) 节点智能化带有c p u 的镭能化节点之间通过网络实现信息传输 窝功g 秘调，每令繁蕊懿是缝残穗终控裁系绕靛一个鳃慈，艇兵毫各叁糕 2 第1 章绪论 对独立的功能。 ( 3 ) 控翻瑗场诧秘功爱分数佬瓣终凭绥：| 鸯使缛纛寒国中央羟鞠撩实 现的任务下放到智能化现场设备上执行，这使危险因素得以分散，从而提 高了系统的可靠性和安全性。 ( 4 ) 系统开放诧秘产晶集成亿网络控制系绞斡开发跫遵矮一定标准 进行的，是一个歼发性的系统。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相互操作和集成。 但在网络控制豢统中出于网络的介入，不可避免地带柬以下问题： ( 1 ) 信惠静传输涎滞遥零楚麓辊觞，i 嚣曼鬻常是夫于一个采释周期豹。 网络控制系统中的时滞包括：等待网络空闲的时间，传输时滞，控制器节 点的计算延迟，以及为了确认的需要而附加信息等。 ( 2 ) 囊予隧终馋埝浆不可靠魏，瓣络控割系统还经霉赛瑷丢失数疆德患 包的现象。 ( 3 ) 并不是所有的传感器执行器都能同时使用网络，这也决定了除了控 制算法外，还需要一个调度算法袋决定在一个时刻哪个传感器燃行器可敬 逶遵潮终送出接受数据。这样，撩翻闻题就和调度闯题邋行了藕合。 1 2 网络控制系统概述 l 。2 。l网终控制系统的建模及时滞 研究网络控制祭统，首先需露对它进行建模。网络环境下控制系统的 模型脊3 种类型：离散数学模型、连续数学模型和混杂数学模型。根据传 感器节点、控制器节点积执行嚣繁点工作方式的不霹f 聪阙驱动或事傍驱 动) ，可以采用不丽的数学模型。 文献 1 】给出了控制器为时间驱动，而执行器为事件驱动的网络控制系 统离散时阅模型。假定被控对象的连续时间模型为 童= a x + b u ( 1 * 1 ) 相对于采样时间触，被控对象的离散时间模型为 x ( k + 1 ) = a 。苫( 蠢) + ：彰h ( 1 * 2 ) 3 燕山人学工学硕士学位论文 其中，囊= 8 “，君? = cp 。( “) b df ，f = h ，譬。0 ，z 巍时闻 鼢( 卑+ 1 ) 矗】内到达执行器的控制信号个数，h 为采样周期。 文献 2 】考虑了连续模型和邂续控制器，蛤出了最大允许传送间隔 ( m a x i m u ma l l o w a b l et r a n s f e ri n t e r v a l ，v l t i ) r 黪概念。 文献【3 】提出了传感器采霜时间驱动工作方式，而控制器和执行器采掰 事件驱动工作方式。基于这种工作模式，给出了离散数学模型 鼍+ = 尊+ ，o ( r k ) u k + ，l ( 致) 唯一l ( i - 3 ) 其中，痧= e 4 ，f 0 ( r k ) = j e - r , e a s b d s ，正( ) = h _ e 。b d s ，考虑的情况怒 时滞小于一个采样周期。 文漱闷对长露游睡终控稍系统，绘遗了溅杂控裁系统麓壤型，莠给爨 了系统稳定的充分黎件，混杂控制系统模型为 嚣写篡_ o t ：氅：誉二0 d , 1 ：x 1 m 4 ， l 量$ + ) = x 9 一f ) ， 矗舞十f ，七=， 、7 并c ? 翟d e 蛾- a * e 国( r ) b k m s ， 2 口“7 = ” 文献 5 】考虑执行器直接连在控制器上，模型为 对象 控制器 j 量一) = a p x p ( t ) 十露一群窭) i ( f ) = c ，( f ) f 量。( f ) = a 。x 。0 ) 一峨多，( f ) l 挝( ) 一c 。x 。一馥多，( 螃 ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) 文献【6 】考虑了数据包丢失酌情况下，网络控制系统的建模，如图1 - 2 所示。 同时，文献【6 】述考虑了多包传输时的n c s 的建模，一个多包传输肄尊 赘n c s 胃戮终尧个a d s ( a s y n c h r o n o u sd 3 m a m i c a ts y s t e m ) 来建模。在多 包传输模式下，对象的状态和输出被分成独立的数据包。如图1 - 3 所示。 在进行建模时，网络控制系统中的时滞般认为和网络负载、网络和 萤轰上熬镳度策略、麓终兹障等鸯荧，热蚕1 - 4 瓤示。甄终擦铡系统中熬 4 第1 章绪论 图1 - 2 数据包遗失情况下，n c s 建模 f i g 1 - 2m o d e lo f n c sw i t hd a t ad r o p o u t 图1 - 3 多包传输时n c s 建模 f i g 1 - 3m o d e lo f n c sw i t hm u l t i d a t a 图1 - 4 网络控制系统的时滞 f i g 1 - 4t i m ed e l a yo f n c s 5 燕山大学工学硕士学位论文 时滞一般分为三种模型【3 】：定常时滞、独立时滞和随机时滞。 1 。2 。2 阏络控翱系统的稳定性 对一个控制系统来说，首要饭务就是要确保这个系统的稳定性，网络 控制系统也不例外。但在网络控制系统中，由予网络的引入，会出现网络 延迟、曩谴淹题弱多遥遂传输浆瑷象，在这垫孛鸯况下，分瓣和确保网络控 制系统的稳定性是缀困难的，文献【6 对网络控制系统的稳寇性作了较详细 的研究。在文献【2 】中，引入了最大允许传递间隔( m a t i ) f 的概念，给出了 骥保n c s 绝对稳定辩f 痤满足静袈传。在文献【7 】中，弓l 入了m a d b 懿凝 念，如果某一个采样周期超过了给定的m a d b ，网络控制系统的稳定性将 不能得到保证，得到的m a d b 是熬于线性矩阵不等式的方法，因此具有照 小的保守性和实用性。 1 2 3 网络控制系统中的扰溯 在文献 8 中，假定网络控制系统在没有扰动的情况下怒指数稳定的， 考虑瞬络控制系统中的鼹类扰动；( 1 ) 有雾扰动( b o u n d e dp e r t u r b a t i o n ) ，郄 抗动静灏数有界，i l w ( t ) j | 0 ，使得对所荫的t ，有1 1 w ( r ) 刮l x ( f ) l 成立。可以证明如果瑶满足一 定豹祭伟，显霹终逮嶷跫够浃熬条释下，莸紊戆阙络控翻系绫楚灏遥稳定。 1 2 4 网络控制系统的预测器 为了改善网络控制系统的性能，文献【5 】考虑通过增加预测器来估计在 簧输嚣雪瓣之滔懿对象静赣窭，覆不是筵荸懿经瘸零除傈簿嚣。网络预溺嚣 分为两种，开环结构的预测器和闭环结构的预测器。 开环结构的预测器如图1 5 所示( 考虑控制器直接连在执行器上，不是 逶过网终连接戆) ，预测器懿表达式翔式f l 。8 ) 所示 j 矗( ) 2a p a ( t ) + 芬 ，1 女、 ) = c p d ( f ) 叫 闭环结构的预测器如图1 5 所承，预测器敬表达式如式( 1 ，9 ) 所示 6 第1 章绪论 西( ，t ) 、= a 。p a ( t ) + b p u p ) + 上( 多po ) 一w ( f ) ) ( 1 - 9 ) 蜓 ) = c 。貉( f ) 趣僭秘缮 图1 - 5 开环结构的预测器 f i g 1 - 5p r e d i n i v eo f o p e nl o o p l 。2 。5 霸络控制系统孛的遴信量 对网络控制系统来说，性能不仅是采样时间的函数，也是在网络负溅 的函数。文献【9 】对逡续控制、数字控制和网络控制的性能做了一个比较， 魏瑟1 - 6 茨示。获强孛霹鞋善密，连续控裁戆系统经戆最好，数字控羧懿 系统性能次之，网络控制的系统性能最差。饭之所以选择网络控制，追求 的不魁性能，而是使系统具有一定的性能情况下，还具有诸如减少了安装 和维护瓣费用等劂绦控制系统孵优点。对采用鼹终控制戆系统，开始豹时 候减少采样周期，可戳使系统的系统变好，遮藏出现图上漪b 点，瑟避入 能接受的性能指标的范围之内，假随着采样周期的进一步减小，网络介质 上传输的负载过重，随之而来的蹙网络控制中信患的碰撞几率加大，延迟 热大黪，使得整令塞绫静注藐葳褥下簿，予怒密褒了c 纛。 因此，在网络不是很快，而网络上节点的数目又比较多时，研究怎样 减少网络上传输的储息量，通过调整一个系统的网络配置，使通信介质可 以被燹蠢效的利震，跨涝被减小，获嚣使系绫瓣洼戆提嚣，藏显缛+ 分毖 要。减少网络上传输的信息量滔前主要有两种方法： ( 1 ) 文献 1 0 采用死区来减少网络控制系统的通信量，农一个节点上定 义一个死区，如果节点上的信号在死区范围内，节点不广援新信息。一个 7 燕山大学工学硕士学位论文 节点上缀新的值x 同以前它己经向网络上发送的值x 。作比较，如果误藏 豹莛数在死区范蘩肉，不惫网络主发送薮兹信惑，臻窭可敬逶过蘩卖我澍 最优的瓤区。 ( 2 ) 编码的方法，网络上流动的信息，可以用类似数据愿缩的办法使需 要传送麴数据量减少。 增大州卜一 采样周期减小 国1 - 6 网络控襄l 系统戆蛙辘与采梯瘸襄弱关系 f i g 1 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r f o r m a n c ea n ds a m p l ep e r i o do f n c s 1 2 6 网络控制系统的控制算法 臻蠢戆大多数麓络控轰l 霎法，帮骰了一个大兹提，帮在设计茬懿器辩 不考虑网络的存在。在此前提下设计控制器时，考虑时滞存在的情况比较 多，而针对网络控制系统中可能会出现的扰动，数据包丢失，多同道传输 等情况考建的魄较少。对网终控制系统中戆隧戮露洚，霆墓蓼囊要毒下嚣足 静控制嚣豹设诗方法： ( 1 ) 确定性方法就是将不确定的延迟确定化，一般通过引入信息接收 缓冲区来实现，但这种方法人为的姆时延扩大了，一般来说，时延越大， 8 变坏llli蛙髓，lli变好 第1 章绪论 控制系统性能就越差。 ( 2 1 随机控制的方法利用随机控制理论，使设计出的控制器能够保证 系统统计意义上的稳定性和性能指标，前提是知道时延的概率特性，但做 到这一点比较困难，由于涉及到大量均值，方差等运算，因此运算量较大。 如果得到的时间延迟的统计特性只是近似的，则据此所设计的控制器也难 以保证在任何情况下系统均能保持稳定，文献 3 】主要是采用这种设计方 法，但得出的只是在延迟小于一个采样周期下的结果。 ( 3 ) 鲁棒控制的方法文献【1 1 中将鲁棒控制中的风和卢综合的方法 引入到控制器的设计中，将时间延迟环节转化为系统的个不确定块，然 后对转化后的系统设计鲁棒控制器。 1 2 7 网络控制系统的性能评估 判断一个网络控制系统的性能的好坏，主要可以从以下几个方面考虑： f 1 ) 稳定性首先系统必须要稳定； ( 2 ) 总的和平均的时滞时滞会使系统的性能下降，时滞越小越好； ( 3 ) n 络的利用效率 网络利用率越高，网络的功能充分得到发挥，但 有时利用率高了，随之而来的是网络负荷的增大和信息之间相互碰撞的增 加及延迟的扩大，使得系统性能反而下降，如以太网。对网络控制系统性 能的评估还包括未传送的信息数等方面。 1 2 8 网络控制系统的调度 在n c s 中，控制回路的性能不仅仅依赖于控制算法的设计，也依赖其 共享网络资源的调度。限制n c s 性能的一个很重要的因素就是实时性问 题，即在共享的通讯网络中传感器、控制器及执行器之间的通信时间或通 信的及时性。需要注意的是调度算法在网络控制的闭环系统中起着重要作 用，即使系统在没有网络时渐近稳定，并且网络任意快，但如果选择了一 个很差的调度算法，可能导致最终闭环的网络控制系统不稳定( 例如，在极 端的情况下，每次都采样同一传感器节点，对别的传感器节点始终不做采 样) 。在研究网络的调度协议用来优化系统的行为时，b r o c k e t t 1 2 】引入了通 信序列的概念“编码器一估计器序列”和“有限循环的编码器一估计器序 9 燕山大学工学硕士学位论文 列”。程文献 1 3 1 中，h r i s t u 进一步发展了上面的概念，把寻找最佳的通傣 摩翻终必一个霞毯溺瑟来受理。森文献【l 铟串，r e h b i n d e _ 雾ls a n f r i d s o n 褒 更高的滕次上研究了擞似的问题，考虑的情况怒几个具有l q 控制器的对 象共享一条总线。 趱醛迭说，n c s 申戆网终调度阕题藏是基予一个援度冀法瓣网络中熬 每个传送实体，配置一个传送调度方案，调度算法就是在经何时间确定发 送信息的顺序的一组规则。在这擞，传送实体可以是对象的一个传感器域 者一组传感器。n c s 中的网络调壤就是要确定港发生信息传送碰撞时，谁 发送、侍么薅谈发送、菝手 么撬兔级发送。 n c s 中的网络调庶类似于复杂实时运算系统的c p u 调度，实时调魔 算法分为两大类：静态调度算法和动态调度算法。在静态调度中，调度算法 对任务袋彝它熬绞索绩塞竞全了鬃，镄魏最终麓羧、诗雾瓣阕、捷先权约 束和未来的释放时间。节点的优先权和它们传输的顺序事先融经定义好了。 它的一个缺点是，对那些到顺序传输的节点而它们的数据没有变化或变化 很小的愤况，浪费了数据变化较大熬节点的传梭桃会。比攀繁调调度算法 ( r a t i om o n o t o n o u ss c h e d u l i n g ，r m s ) 是一种典黧的静态调度箨法，该冀滚 其实是种简单的规则，它根据备个任务不同的周期来分配优先权。特别 地，周期越短的任务拥有越高的优先权。r m s 算法是一种固定优先权分配 懿霎法，任务在撬行之蓠藏分配好传赣甓先毅，并在整个逡疆簿藉当中不 再改变。此外，r m s 算法是可被中断的，当前执行的任务会被新到的更缀 周期的任务中断。在文献【6 中，总结比较了网络调度与c p u 调度间的类 同之处，磐成功豹使爝r m s 对图1 7 掰示的一缀n c s 实瑗了调度。 在麓态调度算法中，调度算法对任务集和锻的约束信息不完全了解， 在系统邋行的时候决定网络的分配。实现动态调度的困难在于决定哪个节 点可以获得网络的信患不是所有的节点都能同时获得。最早娥后期限优先 ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ，e d f ) 算法憝一令龚壅懿渤态谲度算法，都些在蘧期 结束之前可以完成的任务将具有较高的优先权被执行。另外，m e f t o d ( m a x i m u m - e r r o r - f i r s tw i t ht r y o n c e d i s c a r d ) 也魁一种动态调魔算法，具肖 最大误簸瓣节焘将获褥网络戆使嗣投寒发送一次穆惠。霉激淫过谟差缓璐 1 0 第1 章绪论 图l - 7 一组网络控制系统 f i g i - 7ag r o u po f n c s s 来实现动态调度，一个节点是否可以获得网络取决于它的误差范数的大小。 基于节省带宽的考虑，在对这些误差的范数进行编码时，不可能用很多位 数来十分精确地表示这些误差，一般用有限的位数来表示这些误差的范数， 它表示了节点的优先权。 在n c s 中的调度算法和c p u 的调度有类似之处，但又不完全相同。 直接将c p u 的调度算法应用到n c s 的调度中可能有一些缺点，因为如果 传输队列中旧的周期数据在等候，让新的周期数据进入队列，且排在旧的 周期数据之后等候就显得没有意义。在很多时候，由于实时调度已经比较 成熟，网络控制系统的调度可以从其中借鉴很多东西，在文献【1 5 】中，考 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 虑了一种反馈调度器，如能推广到网络控制的调度中来，系统的性能可能 比较好。 在文献 7 中，考虑在给定的带宽或采样周期范围内，针对三种类型的 数据( 周期数据、突发数据、消息) 是否都能传输完，提出了一种针对现场 总线的网络控制系统调度算法，该方法在使用m a d b 的基础上，来设置数 据的传输顺序，通过对数据传输顺序的设置，同常规的方法比起来，可以 得到较小的采样周期。 在文献 1 6 】中，h r i s t u 考虑与图1 7 类似的情况，通过引入网络分配序 列的概念实现了对它的调度。在文献【1 7 】中，h r i s t u 对如图1 7 类似的情况 实现了动态调度。 同网络控制系统的其他研究问题比较起来，网络控制系统的调度是一 个相对空白的领域，仍有大量工作要做，其调度算法的实现最终需要对数 据链路层的协议作一些调整。 1 3 论文主要工作及结构安排 网络控制系统是自动化领域一个新兴的研究方向，其理论还很不完善， 应用上也还不是很多。值得研究的方向很多，本文主要研究了网络控制系 统基于时延的建模、补偿、稳定性等问题。 全文共分为五章，第1 章是本文的引言和概述，简单介绍网络控制系 统的研究现状。第2 章主要论述了网络控制系统的滑模变结构控制。第3 章主要论述了网络控制系统的模糊滑模控制。第4 章主要基于l m i 讨论了 网络控制系统的稳定性问题。第5 章主要对m o t o m a nu p 6 机器人系统 进行了二次开发及网络远程控制。最后对本文的工作做了一个简短的总结 并且指出该领域需要改进的问题。 1 2 第2 章网络控制系统的滑模变结构控制 第2 章网络控制系统的滑模变结构控制 2 1 变结构控制概述 变结构控制【1 8 】方法的目的在于通过适当的控制作用首先使系统的状 态轨线运动到适当的时候进入切换超平面，然后沿此切换超平面渐近运动 到平衡点。系统一旦进入滑动模运动，在一定条件下就对外界干扰及参数 扰动具有不变性，系统的综合问题被分解成两个低维的子系统的综合问题， 即设计变结构控制使得系统在有限的时间内到达指定的切换超平面和选取 适当的切换函数确保系统进入滑动模运动以后具有良好的动态特性。 对于第一个低阶系统综合问题可以根据系统不确定因素及参数扰动的 变化范围直接确定出适当的变结构反馈控制规律以解决，而第二个低阶系 统综合问题可以通过常规的反馈设计方法予以解决，因此这种控制方法具 有算法简单，抗干扰性能好以及容易在线实现等优点，适用于不确定非线 性多变量控制对象。 2 1 1 切换超平面的设计 变结构控制的第一步是根据系统所希望具有的动态特性来设计系统的 切换面s = c 7 x ，并使超平面具有某种优良品质，以便系统状态在非滑动 模态区域中能够快速而稳定地到达切换超平面。对于单输入( 标量) 的情况 下，切换超平面一般可采用下面的形式 s = c 7 z = c lc ： c l x l + c 2 x 2 + + e x n( 2 - 1 ) 在切换超平面设计即确定c 7 时，一般有以下几种方法：极点配置设计 法、特征向量配置设计法、最优化设计法、系统零点设计法、给定极点区 域的极点配置方法。 燕山大学工学硕士学位论文 2 1 2 滑动模态羧制器的设计 控制器的设计，楚滑动模态控制系统设计的第二阶段，设计控帝l 器的 目的，嫩使系统状态从超平面之外向切换超平丽收敛，并保持在该平面上。 设计的目标有3 个，即滑动模态控制的三鼹素： 1 ) 掰有懿稳鞔逡程有辍薅闽恣到这溪动攘森西，郄送入( 或至l 这) 条磐。 ( 2 ) 切换面存在滑动模态区，即存在条件。 ( 3 ) 滑动模态运动渐近稳定并具有良好的动态品质，即稳定条件。 露予下列貔m 除线眭系统 f 量篇彳x + 占“ s 。c r x = o ( 2 - 2 ) 若设计滑模控镥器使其产生游模运动，剃控制输入一般可以表示为下 列强换形式 = 篓： p ， 爨髂滚诗籍霹，蠢疆下尼秘鬻翅粒方法：瓣定矮旁整裁器熬设诗、囊 有顺序控制器的设计、最终滑动横态控制器的设计、线性控制与非线性撩 制器的设计。 2 。l 3 线噬与毒 线缝控制器的设计 假设讨论的线性系统为 f 量= a x + b u s = c r x ( 2 - 4 ) 麴聚控制输入可霹为 “= 嘶+ “耐= “阳+ 甜村( 2 - 5 ) 对切换函数s 微分，并将式( 2 5 ) 代入有 s = c i c = c 7 a x + b ( u 。十村。) = c r a x + b u 。 + b u 。= s b u fq * 1 4 第2 章网络控制系统的滑模变结构控制 上式中若假定s b = i m ，则有s = 。 下面根据滑模存在的条件船 0 ，给出几种非线性控制器7 , 。，的构造： ( 1 ) 常增益切换控制律 ，= 鲥d 篙刮 ( 2 - 7 ) 易知这种控制律满足滑模存在的条件。 ( 2 ) 线性反馈切换控制律 其中，非线性控制项为 ”一= 如，妒= b ，j ，。= 信：耋： c z - s ， 式中口f 0 ，卢f 0 。 此时有下式成立 s f s f = s ；( 咖，1 x l + 妒，2 x 2 + + 。) 0 可知满足滑模存在的条件。 ( 3 ) 连续型线性反馈切换控制律 “。“= a ，s 。( a f 0 ) 此时滑模存在的条件为 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) s , s ，= a 。砰 0 ，q h 。 3 1 s 。( k ) x ，( k + d ) 0 、。 毽褥注意的是，囊予本节设计憋控制器采惩懿是澄模颓绩变结梅懿方 法，同箕绝方法院越柬，系统豹瓶干扰能力较好。 在网络控制系统中，时间延遐是不可避免的，本节控制器的设计中使 用了接收缓冲区，把时变延迟转变为固定延迟，而且这个时间延迟可以大 予一会聚横嚣赣，在魏基鑫上，霹瓣终控裁懿酒嚣系统，雩l 入了涝搂鬏镄 的控制器的设计方法，文献 2 4 】表明，这种设计方法是有效的。 2 3网络控制系统的滑模变结构控制 对予薅灌系统，瘀予滞嚣辩蘸统洼箍豹酸舔，胃浚遵遗辩滞蛰偿采改 善系统的性能，但只能部分改善，无论怎么补偿，不可能达剿像没有时滞 时系统的性能那样好。上一节中，将滑模变结构预估的方法引入到网络控 囊系统瓣控裁器设计中，瞧