（模式识别与智能系统专业论文）网络控制系统与时延补偿策略的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 基于网络的控镑系统( n e 雠料薮也a s e dc o n 抒o ls y s t e m ，n c s ) 又称瞬络控制 系统( n e 两o r 沁dc o n 船o ls y s t 锄 ，它是在现实韵分布式控截鬻求帮两络运僚技 术发展的推动下产生的一种新型的控制系统体系。是指传感器、控制器、执行器 等通过实时网络构成闭环的反馈控制系统。 两络控铡系统综合了计算规潮终，计算规邋镄和窘动控稍等多方面技术，其 有很多优点，近年来得到了广泛的研究。n c s 将通信网络引入到闭环控制繇统 中，带浓了时延等絮列新问题。本文主要围绕阏终性能的研究、网络引起时延 静亭 髅、溺络控镧系统滟仿真帮实毅，逶 亍了戳下凡方面的磷究工俸： 1 、在介绍网络控制系统的产生背景、概念的基础上，着重介绍了网络控制系统 存谯的几个主要问题及其近年来的研究进展。概括介绍了本文的主要研究工 作。 2 、研究了网络控制系统中，不同的驱动方式对网络控制系统的性能产生的影响。 在网络时延分析的罄础上，对攀件驱动和时间驱动这两类瞬络控制系统的性 藐送行了理论霸傍 囊分莠亍。 3 、提出了一种基于神经元控制器的时延补偿策略。利用神经元良好的学习能力 来克服网络控制系统中不确定时延的影响，并对循环服务网络和随机争罔嘲 络分赠送学了镑粪实验磷变，结条表舞该策漆髓保 歪露络羟潮系统熬良好夔 能。 4 、在仿真研究的基础上，利用现脊的校园网络作为实验平台进行了实验研究， 实黢结莱送一步谖鞠了基于襻经元控翻款羽终控裁薅延毒 戆策貉戆考效瞧。 关键词：网络控制系统，网络时延，驱动方式，神经元控制，时延补偿，实 验平台 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n e 腑o r k e dc o n 订0 1s y s t 锄( n c s ) ，i en e 腑o r k b a s e dc o n 仃0 1s y s t e m ，i sa c o n 仃o ls y s t e ma r c h i t e c t i i r ei w h i c ha l lc o n n d ls y s t e mc o m p o n c n t sa r ec 0 1 l n e c t e d t o g e t h e rt ob u i l df e e d b a c kc o n t r 0 1l o o p sb yar e a l t i m en e t w o r k n c sw h i c hj n t c g r a t e sc o m p u t e r ，n e t w o r k ，c o m m l l n i c a t i o n 彻da u t o m a t i c c o n 仃0 1 ，p r o v i d e ss e v e m la d v a n t a g e ，h a sb e c 釉em o r ea n dm o r ec o m m o nu s e d b u t l l n c c f t a i nd e l a y sa r ei n s e r t e di m on c s1 0 0 pb yt h es h a r c dn e 佃。出n g ，b r o u g h ti n m a n yp r o b l e m sa st i m ed e l a yp r o b l e m t h em e s i sd o e ss o m er e s e a r c hw o r k si nt h e r e s e a r c ho ns y s t e mp c r f b 衄a n c e ，n e 柳o r kj n d u c c dd e l a yc o m p e n s a t i o ns t r a t e g y ， s i m u l a t i o na n de x 口翻m e n to f n c s t h em a i l lr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，n c s sb a c k g r o l 】1 1 d ，c o n c e p t ，b a s i cp r o b l e m sa r ei n 廿o d u c e da n das u e y o f n c sr e s e a r c hw o r ki sg i v e nt h c np r o p o s e st h em a i l lw o r kt h et l i e s i sd o n e s e c o n d ，c o i n p a r e s t l l ep e r f b m a n c eo fn c si nt 1 1 e 佃o “v e nm e a n s ： t i m e 一曲v e i la n de v e n t _ 捌v e n a n a l y s i st h e 廿l e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s u l t so f 廿l e p e r f b n n a n c eo f n c s t h i r d ，an e u r o nc o n n 0 1 l e rb a s e ds 订a t e g yi sp r c s e n t e dt 0c 伽叩e n s a t et h e 1 1 1 1 c e n a i nn e 押o r k i n d u c e dd e l a y si 1 1n e 铆o r k e dc o n 诂0 1s y s t e m d u et o 讹e x c e l l e m a b i l 时o fs e l f _ l e 珊i n g ，t h en e u m nc o n 仃0 1 l e rc a nc o m p e n s a t et l l ep e r f o n n a n c e d e 铲a d a t i o nc a u s e db yt h eu n c e r t a i nd e l a y s s i r n u l a t i o nr e s u l t si nb o t hc ”l i cs e r v i c e n e t w o r ka n dm n d o ma c c e s sn e 觚o r ks h o wt b a tm ep 加p o s e d s n a t e g yc a no b t a t n s a t i s f a c t o r yn c sp e r f o m a i l c e a tl a s t ，ae x p 嘶m e n tb a s e do nc a r 如i p u sn e t w o r ki s d e s i g n e dt ov e r i 母t h e m 出o d t h er e s u l t ss h o wt h ev a l i d i 哆o fn e t w o r ki n d u c e dd e l a yc o m p e n s a t i o n s 订a t e 2 m k e y w o r d s ：n e 押o r k e dc o d 打0 1s y s t e m s ，n e t w o r k i 1 1 d u c e dd e l a y ，d r i v e nm e a n s ， n e u r o nc o n 廿o l ，d e l a yc o 珀p c n s a t i o n ，e x p e m n e n tp l 甜确m 新泼大学硕士学位论宠 致谢 在此论文即将完成之际，谨向我的导师张建明副研究员表示最诚挚的敬意和 衷心浆感谢。在嚣年瓣攀习彝科礤生潺中，一壹缮戮导师豹亲切关垮窝悉心攒导。 张老师勤奋敬业、态发严谨、知识渊博、为人正赢而又热情，在学习和工彳管上都 是我不断学习的榜样和动力! 张老师在工作上的指导让我不断前进，在生活上的 关怀让我蛰感温暖，绘了我人生鼹粒捃弓l 。 衷心感谢王树脊教授、王宁教授、金晓明割教授在学习和生活上给予我的指 导与帮助。王树青老师豁达乐观，令人如沐春风。王宁老师对待科研工作熬不 苟，同鲑重是我们的德蠢老繇，绘予我们最大的帮助和指弓l 。缳们蛇为人处事秘醛 科学的严谨态度使我爱益匪浅。 在我的学习过程中，师兄杨顶方、芦帅、黄海，同学陈良、张奕给了我很大 的帮助，在此表示诚挚敕感谢。恩时感谢苏成幂i 、李奇安、黄巍、陶吉剥、张曩 东、潜彩霞、智力、章土鹃、吴献东、董胜剩、营建武、徐韭建、谢懿、冯建牮、 张柯以及3 1 3 、3 1 7 、3 0 7 房间的每一位同学，难忘和你们度过的日子，这段肠子 将成为我最珍贵的回忆。 戆谢我的母校游淡大学，求是瀚筱风将令我一生受益无夯。 我的父亲和母亲始终给我最坚定的支持，无论我遇到什么网难，仿佛都能感 受到你们默默注视的眼光，给我继续奁斗的动力。还有我的好朋友们，无论糨隔 多远，永远缒支持我、鼓荔i 我。裘心静感 鸯 献给称们。 最厢，谨将此文献给所有关心、支持我的老师，朋友和亲人们! i i i 二零零六年五月于求魁园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：本章介绍了网络控制系统的产生发展、概念、优点，以及典型的控 制网络，同时分析了网络控制系统研究中有待解决的若干问题。并就网络控制研 究中的控制算法设计、稳定性分析、采样时间调度方法等方面进行了综述和回顾， 最后给出了本文的主要工作。 关键词：网络控制系统；计算机控制系统；现场总线 1 1 课题的提出 本文的研究是围绕国家自然基金项目“基于多智能体的网络化过程控制理论 及应用研究”( 编号：6 0 1 7 4 0 3 5 ) 而展开的。 1 2 引言 随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，控制系统的结构正在发 生变化。计算机从它诞生那天起，便开始应用于工业控制领域，它使模拟量逐渐 向数字量控制转移，大大提高了控制系统可靠性和精确性。 计算机控制系统出现于二十世纪五、六十年代。当时的计算机体积大、能耗 多、可靠性低，因此早期计算机在控制系统中的主要作用是监视。随着直接数字 控制系统( d i r e c td i g i t a ls y s t e m 或d d c ) 的发展而改变。在d d c 系统里，过 程控制中的模拟控制仪表被一台计算机代替。 计算机控制系统在经历了d d c 控制、中小型计算机共同作用的分层控制后， h o n e y w e l l 公司在1 9 7 5 年推出了型号为t d c 2 0 0 0 的集散控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e ，d c s ) ”1 。它的基本结构如图卜l 所示。在d c s 中，许多计算 机连接在共享网络上互相合作来完成任务，主要由用于过程控制的工作站、用于 监视的操作站和其它一些用来数据记录、过程优化的辅助计算机构成。 浙江大学硕士学位论文 工程f r | j 站 垦 操作站 凰 操作站 凰 图卜1 一般d c s 系统框架 二十世纪八十年代末，现场总线控制开始发展。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。由于现场总线技术简化的协议栈和可靠的设 计，现在己发展成为基于网络的控制系统的主要实现方式。 从整体来看，计算机控制系统的发展呈现出网络化、集成化、节点智能化、 分布化、扁平化的发展趋势，逐渐形成了自动化领域的开放系统互连通讯网络， 这就是全分布式网络集成化控制系统。对于d c s ，尽管一开始它还不具备开放性， 控制功能也相对集中，但适应现场控制的需要，己经表现出网络化的结构特征； 而现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 或f c s ) 和工业以太网，则从 一开始便顺应了这一趋势，是完全网络化、分布化的控制系统。 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。 1 3 基于网络的控制系统 传统意义上研究的控制系统是点对点连接的控制系统，如图卜2 ，也就是说 控制器和被控对象之间采用专线连接。 图卜2 点对点控制系统框图 浙江大学硕士学位论文 瞬络化控常i 系绒( n e t w 。r k e dc o n t r o ls y s t e m 或n c s ) ，麓称网络控制系统 “，戆指传感器( s e n s o r ) ，控潮嚣( e o n t r o l l e r ) ，执行器( a c t u a t o r ) 等通过 实时网络构成闭环的反馈控制系统。网络控制系统的典型结构如图卜3 所示。 在网络控制系统中，传感器、控制器、执行器等都通过共用的通讯介质如愍线 相连，备部分之间掰戳实现点辩煮的对等透讯。 图卜3 网络控制系统的典型结构匿 耧獒继静毒卡算裁羧割系统( 鲡轰疆数字控制豁e ，爨教控懿系统掰s ) 不燕， 网络控制系统中所有的实时测量传感信号和控制数据都是通过网络传输的，柱节 点通过网络协调工作乘完成控制任务。d d c 中各节点通过中央控制计算机完成数 据滚夔协镶耪魏行羧攀l 任务。b 蕊申许多实薅控豢任务麴簧感、诗葵、技l 爹等， 是在各个独立的模块中完成的，佼有监控信号、警报信号等是通过网络来传输的。 和现场总线控制系统f c s 相比，网络控制系统的网络概念更j “泛，不仅仅局限于 现场慧线，还包括工蝮敷太网，无线网络等形式，甚至包据i n t 8 r n e t ，荠夔麓 网络投术的发展而覆藏更多的网络种类“，。 相比较于这些先前的各种计算机控制系统，网络控制系统商许多的优点。包 括： 减少了系统连线。网络控制系统在控制层引入通信网络，每个节点可以通过 共享网络来传输数据，相对于点对点连线方式，大大简化了布线，节省了布线成 本，掇囊了可靠性，势降低了维护姣本。 设备即插即用。只需要通过简肇的软硬徉配溉，就可以穰方便地从系统中删 除或者增加新的节点，具有非常大的灵活性。 设餐可互换性。凌予网络控制系统的开放性，器个节点只要符合标准的网终 协议和功能要求藏可馘互相调换，丽不是按照个踟厂家或者公司来设计，不需要 浙江大学硕士学位论文 通过转换设备来使得设备之间能够互相通信。 抗干扰性能好。全部采用双向的数字信号传输，比传统的4 2 0 m a 信号传输 的抗干扰性能更好。 系统信息集成和设备诊断方便。网络的扁平化，控制层网络与管理层网络的 无缝连接，使得管理系统很容易获得控制系统的运行状况和设备的状态信息，以 及其它各种信息，可以方便地在线故障检测与诊断。 但是网络的引入也给控制系统带来了负面影响，其中最主要的是节点的数据 通过网络进行传输时，必然会引入时间延迟( t i 日ed e l a y s ，简称“时延”) ，引 起时延的因素主要有以下两点： l 、数据本身在网络中传输需要的时间，这部分时延是与网络事先设定的数 据传输率成反比的。 2 、与来自其他节点数据共同竞争网络资源而引起的时延，这部分时延与网 络的负载相关。 网络时延及其带来的一系列问题的理论和实际应用研究都有重要的意义， 是当前的研究热点。 1 。4 典型的控制网络 网络控制系统将网络作为载体，对于控制网来说必须能够满足：一组数据必 须在规定的时间内被成功地传输。现在已经被应用的控制网有许多种”1 。例如： e t h e r n e t ，t o k e n p a s s i n gb u s ( 如c o n t r o ln e t ) ，c a nb u s ( 立口d e v jc en e t ) ， b a cn e t ，f i e l d b u s 等。控制网络的不同性能不单单影响网络，更重要的是对控 制系统性能造成影响，【鲴而根据它们的性能分别把它们应用在不同的控制系统中 是很有必要的。 e t h e r n 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。m a c 层协议定义的冲突处理 机制决定了当e t h e r n e t 中碰撞发生后，数据包的等待时延是随机的，使用 4 浙江大学硕士学位论文 e t h e r n e t 通信的n c s 中的网络时延是随机的。它的缺点是：l 、不支持数据的优 先级：2 、在高网络负荷的情况下，将会发生较多的数据冲突；3 、由于规定了最 小的数据包大小( 7 2 b y t e s ) ，所以经常会发生用一个比较大的数据包来传送一个 比较小的数据的情况。 c o n t r o ln e t 使用的令牌总线协议是一个确定性的协议。它的优点是在高网 络负荷的情况下具有极好的通过率和效率，在网络运行过程中能够动态地决定网 络节点的个数。但是在比较低的信道通道中，它的性能不如其他协议。当在一个 逻辑环中有过多的节点时，大部分的网络时间都会被用来在节点之间传递令牌。 d e v i c en e t 是标准c a n 网络的一个变种，它使用c s m a a 归。1 ( c a r r i e rs e n s o r m u l t i p l ea c c e s s a r b i t r a t i o no nm e s s a g ep r i o r i t y ) 介质访问方式。它是为 短消息优化的一种确定性网络，在竞争中总是高优先级的信息赢得网络占用权。 缺点是：l 、数据率比较低( 最大5 0 0 k b s ) ；2 、c a n 协议的比特同步性要求限制 了d e v i c en e t 网络的最大长度。 1 5n c s 中有待解决的问题 在控制系统中引入通信网络，一方面给网络控制系统带来了众多的优势，另 一方面也使网络控制系统出现了一些需要解决的问题。总的来说，存在以下的一 些问题。 1 5 1 时延问题 在网络环境下，网络流量变化不规则。具有随机性和突发性。当n c s 的传感 器、控制器和执行器通过网络交换数据时必然会导致网络时延。网络时延包括传 感器到控制器的时延7 一控制器到执行器的时延气，如图卜4 所示。网络时延 会降低控制系统的性能，增加超调量，延长过程时间，减少稳定裕度，甚至会导 致系统不稳定e ”“1 。网络时延的存在使得系统的分析变得非常复杂，虽然时延系 统的分析和建模近年来取得很大进展，但n c s 存在的时延除了确定时延，更多的 是随机时变时延，现有的方法一般不能直接应用。 浙江大学硕士学位论文 1 5 2 稳定性问题 一，1 网络 4 图1 4 网络控制系统的时延 网络控制系统的稳定性不能简单等同于网络的稳定性或者不含网络的控制 系统稳定性，它包括网络和控制系统两个方面，当网络不稳定，数据在缓冲区中 形成队列，网络导致的时延会使系统不稳定。 对于一个控制系统，其最基本要求就是系统稳定，然后才是满足一定的性能 指标。网络控制系统的稳定性和网络的时延，采样周期，数据包丢失特性等众多 方面都有密切关系，是控制问题方面的研究重点和热点。 1 5 3 数据包丢失问题 网络控制系统中的数据包通过网络传输，网络中由于不可避免的存在网络阻 塞和连接中断，因此可能会导致数据包丢失。虽然大多数网络都具有重新传输的 机制，但它们也只能在一个有限的时间内传输，当超出这个时间后，数据也会丢 失。传统的点对点结构的控制系统基本上都是同步和定时的系统，这样的系统具 有较强的鲁棒性，但是网络控制系统是分布式的计算机控制网络，具有参数时变 性等问题，网络控制系统能够承受一定量的数据包丢失，但是必须确定一个可以 接受的丢失量来确保稳定性。因此，在n c s 的设计中，对数据包的丢失问题必须 寻找相应的方法。 1 5 4 数据的多包传输问题 每个网络数据包( 帧) 所能携带的最大数据量大小都有限制的，如c a n 网络 的这一限制为8 字节，以太网的这一限制为1 5 0 0 字节。由于这一限制，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。或者由于控制节点在空间上 分散，也会要求j 司一时刻的采样数据通过多个包传送。由于网络时延，控制器可 浙江大学硕士学证论文 能在控制爨计算时并没有收到全部的数据包而导致错误，引起网络控制系统的多 截传输闷题“。 1 5 5 调度闺题 在瓣终控裁系统中，投毒l 环的往戆不仅依赖子羟割算法，两且瞧依赖于辩共 事的网络资源的调度。网编调度发嫩在o s i 七层网络模型的用户层，调度算法所 关心的是被控对象传输数据的侠骥芹玎被信输的数据所具有的优先权，而不关心被 发送的数螺如何更有效地从出发点到达目的地，后者的问题由链路层的媒质游闻 控制算法和网络层的堵塞控制算法来考虑”。另外，发生在用户层的调度控制还 可默调度控俸4 环的采样周期帮采样时袤4 ，以尽量避兔网络中冲突发生，从两擐大 限度地减少数据的传输时蜓。 1 5 6 时钟同步问题 由于湖络控制系统节点的分布性，也带了了各节点问时钟同步的问题。俺统 的计算机控制的理论通常假定控制系统各节点问时镑是同步的，两网终控制系统 中分散的节点和网络的引入使得时钟同步变得更加阑难。虽然能够邋过一定的同 步搂旌采达到一定范围内的时钟露步，但楚没有技术魅实现时钟的糖确同步，因 而由时钟不同步导致的采样时间抖动和非同步采样簿问题也需要在闷络控制系 绞设诗时期以考虑“。 1 5 。7 网络的安全性阀题 因为控毒4 信号，检测信号都是遥过嚼终来传输，网络控制系统糨甄临帮一般 数据网络间样的安全性问趱。来自网络用户的恶意进攻，未授权用户对设备的非 法跨阉，夕 部公司瓣信息赡窃取都对霹终控到系绞的售患安全阕题掇氆了考黢。 因为网络控制系统赢接面向生产，它的可靠性、安全性是第一位的，所以信息安 全藏题将燕一个重簧戆翔趱。 浙江大学硕士学位论文 1 6n c s 研究现状 网络控制系统是控制技术和网络通讯技术的融合，因而对它的分析设计也常 常从控制和网络两个角度进行。 从网络通讯技术角度出发，包括讨论和分析目前实际应用中的n c s 中总线协 议的时延状况，以及它们对控制系统的影响，如l i a n ”1 对c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t 等网络的时延进行分析。除此之外，为满足数据的实时性要求，还有学者通过研 究如何设计恰当的网络协议，使得通过网络协议来调度网络中被传输的数据，并 且使这些数据能够满足各自的实时性要求o ”“”“。 从控制的角度出发的分析设计，就是把现有的网络结构、协议等当作既定条 件，在此基础上分析设计控制系统的结构、控制算法等，来补偿或减少网络时延， 数据丢失等问题对n c s 的不良影响。从网络的角度分析设计网络控制系统，基本 属于网络通信领域。本文主要从控制角度来介绍网络控制系统的现有技术。 1 6 1 网络时延的分析和补偿 网络时延的存在会降低系统的性能甚至引起系统不稳定，因此在n c s 的研究 中，网络时延问题受到了广泛的关注。 l u c k 和r a y “”提出了基于确定性预报器的时延补偿方法，应用于有随机时延 特性的网络控制系统。它的主要思想是利用过去的测量信号，采用观测器重构系 统过去的状态，再利用预报器提前预报系统状态，进而根据得到的预报状态生成 控制信号，以此来补偿时延造成的影响。系统结构如图卜5 所示。 + 口) 图卜5 基于确定性预报器的时延补偿方法结构图 他们利用先进先山队列来保存历史时刻的测量值( 如图中的q 2 ) 和预测控 浙江大学硕士学位论文 制输出( 如图中的q 1 ) 。而他们采用的传感器，控制器，执行器都是时间驱动的。 这样由网络造成的随机时延就变成了定常时延。这种方法的优点是可以将带有随 机时变时延的系统转换为定常时延系统，这样就可以利用传统的各种控制定常时 延系统的方法了，系统的控制变得简单。但是由于观测器和预估器的性能依赖于 模型的准确性，因而这种方法的实施要求获得对象的精确模型。同时队列的使用 也在系统中引入了额外的时延，因而获得的控制性能是保守的。 对于具有随机时延特性的网络控制系统，c h a n “7 1 利用队列和一个概率预报器 来进行时延补偿。他所用的概率预报器实际是两个均方意义上最佳的预报器的线 性组合。线性组合的权矩阵根据已知的时延数据出现的概率计算得到。这种时延 补偿方法的结构如图卜6 所示。 图卜6 基于概率预报器的时延补偿方法结构图 和基于确定性预报器的时延补偿方法不同，c h a n 使用了一个先入先出队列 q 1 和一个移位寄存器q 2 。q l 的队列容量q 同样取决于传感器到控制器的最大时 延，而q 2 只有一个存储单元的长度，用来存储预报器接收到的测量数据。预报 器利用q 2 中的数据计算当前时刻的系统状态。这种方法提高了预报的性能，但 是队列仍然引入了额外的时延。而且这种方法只是一种时延补偿方法，因而它的 稳定性分析要结合具体的控制律来进行。此外这种方法只考虑了传感器到控制器 之间的时延，只对这部分时延有补偿效果。 b a u e r ”“等人分析了带有随机延时的网络问题，提出在离散情况下使用s m i t h 预估器来消除由于网络引起的延迟。s m i t h 预估器放在控制器的前面，并且它使 用被控对象的信息把来自传感器的延迟信息传送给控制器，使用关于被控对象知 识使在不牺牲网络控制系统性能的情况下缓解网络上的传输压力。 浙江丈学硕士学位论文 1 6 2 控刽器设计 由于网络时延的存在，常规的控制器、观测器、优化控制器等设计就不能直 接应用列网络控制系统中。因此许多研究者通避先进控制算法，如优化控卷4 嚣设 诗、鲁籀控嗣器设计、模期控铡设计等提高网络控锅系统豹镶麓。 n i l s s o n 等人”用l q g 方法来处理随机优化控制问题，但鼹它假设前詹时延 完全独立。他们利熙觚a r k o v 链时延模型改进了该鼹法，不过其用m a r k o v 链建立 模垄豹瓣候，对延螫褥台筠匀分毒翡特往，这点不籍合实辩事毒况。 猩优化控制器的设计上，f e n gl i1 i a n 。3 假设网络的时延煨定常的，利用二 次型优化控制算法米实现，锝到n c s l q r 。由于网络时延往往怒不断变化的，常 嚣廷骰浚茬往跟实嚣溃况不蒋合，灏既象鬻涎瓿簸铙控懿方法e 较合适。 c h o w 和t i p s u w a n 嘲提出了用增益适应的方法来补偿网络服务质量变动 和恶化造成的影响。在这种方法里，控制器根据般测到的网络服务质量( 如褥吐 量，点瓣点之闻懿袋丈跨延) ，鸯渤选耩合适嚣按麓参数，戳绦涯在缭定静潮络 服务璇凝下获得最好的控制性能。 a l m u t a i r i 等人”“针对工业现场中广泛应用的p i 控制器，提出p i 控制器自 适癍攘髑调整夔方潼寒 楼瓣终辩瑟瑟影穗。恕在p i 控涮嚣翡辏密蕊添热一夺 比例因子，并通过模糊控制器来调熬其大小。他制用最速下降法来寻找使系统性 能指橱；媛优的模糊控制器参数。仿疑结果表明，该方法较好的补偿了网络随机时 延对援零l 淫戆爨影穗，儇迂了系绞瓣稳定襄良好豹控裁毪篷。 w e i z h e n “1 用时钟同步的方法在线测量了潮络中的延迟，并根据测量到的延 迟设计了f 个l q r 最优控制器，可怒该控制器在实际配置时，会降低系统的性能。 s u k0 e # 。”设计了一季孛癍矮予网络囊：控裁系绞鲤摸凝控案器，这释方法无爨躲遴 网络时延和系统模型，可惜在设计该模糊控制器时，没有利用湖络带来的信息。 彭晨等”3 使用模糊控制器作为8 m i t h 控制的内模控制器用于控制模型精确已 稚静黪络控囊l 对象；芦薅“2 1 提出了耱基于网终占躅率懿叁逶虑横凝控制器竣诗 方法。 浙江大学硕士学位论文 1 6 3 系统分析和建模 就系统的分析和建模而言，主要有基于离散模型的方法，基于连续模型的方 法和基于混杂模型的方法。 以增广状态法为基础，h a l e v i 和r a y 。”针对具有周期性时延特性的网络提 出了增广状态确定性离散时间网络控制系统模型。该模型使用时间驱动型的传感 器和控制器，事件驱动型的执行器，并针对以状态空间模型表示的线性连续时间 控制对象。 n i l s s o n 等”1 用一个线性随机系统模型来描述带随机时延特性的网络控制系 统，并将网络控制系统中通信时延的影响转化为一个l q g 问题。这种方法使用时 间驱动的传感器，事件驱动的控制器和执行器。他假定传感器到控制器和控制器 到执行器的时延之和小于采样周期，并且把控制器的计算时延包含在控制器到执 行器的时延之中。他还假定过去时刻的时延信息己知，这一点通过他提出的在每 个发送的信息上附加时间戳的方法来实现。他针对随机不相关分布和m a r k o v 链 分布的时延模型，采用动态规划方法求解随机最优控制问题，获得了系统的最优 状态反馈控制率。n i l s s o n 在仿真比较中显示了该方法比基于确定性预报器的方 法性能好。但是这种方法要保留过去时刻的信息，因而需要大量的存储空间。另 外该方法假定通信时延之和小于一个采样周期，凶而在实用中，该方法可能需要 较大的采样周期，在要求快速响应的系统中可能不适用。 w e iz h a n g 。”等人也建立了n c s 的动力学模型，该模型是既含连续变量又台 离散变量的混合系统模型，也建立了单包传输、多包传输以及数据包丢失时的 n c s 模型。国内的朱其新。2 1 等扩展了他的工作，在考虑系统噪声、控制器动态及 输出反馈的情况下，提出了多包传输，单包传输有数据包丢失及多包传输有数据 包丢失时网络控制系统的离散随机模型的统一的建模方法。 d o n gy u e 等1 在同时考虑了时延和数据丢包问题后，对网络控制系统进行 了建模，与此同时，通过求解l m i 方程，得到了网络时延最大允许值与采样周期 之间的关系式。 浙江大学硕士学位论文 1 6 4 稳定性研究 保证系统的稳定性，是对控制系统的基本要求。一些研究者从李亚普诺夫函 数出发，已经在网络控制系统的稳定性分析方面获得了一些成果。 k i m 等人”在文献中给出了保证系统稳定的最大允许时延，并利用两种基于 李亚普诺夫函数的渐进稳定性准则来寻找系统的最大允许时延。 w e iz h a n g 。”等利用网络控制系统的增广状态模型，分析了一个积分器系统 的稳定域。他们还利用混杂系统稳定性理论分析了网络控制系统的稳定性，用速 率受限异步动态系统模型分别分析了带数据丢失和多包传送的网络控制系统的 稳定性。 w a l s h 。”等利用摄动模型和李亚普诺夫第二方法分析了单包和多包传送的网 络控制系统的稳定性，提出了网络控制系统的稳定并证明了普通的静态调度协议 和他们提出的一种新的调度协议的稳定性。 于之训等人0 6 3 通过建立随机模型，基于动态规划和最优控制理论，给出了保 证系统闭环终态均方稳定条件，并依此来设计控制器。 l e ix i e 等。”从李亚普诺夫函数出发，推导出一种新的稳定性判据，即控制 时延t 在满足什么条件时，系统仍能保持稳定。 y u 和w a n g 等“4 “4 ”在时变的网络时延、连续的状态反馈增益的情况下，证明 了离散对象的网络控制系统的稳定性。z h a n g 等“”在此基础上，用l m i 方法推导 出建立在前一个时延基础上的状态反馈控制器。 索格罗等1 提出了在控制器节点采用针对时延和丢包的补偿估计器。当时延 月一个采样周期且数据包传输率已定时，将包含该补偿估计器的网络控制系统， 描述为具有两个事件的异步动态系统，并推导出保证系统稳定的时变双线性矩阵 不等式。 1 6 5 采样时间调度方法 针对使用采用调度策略访问网络( 如使用令牌传递的网络) 的网络控制系统， h 0 n g 。通过采样时间调度的方法来减少时延的影响，同时提高网络的利用率。这 种方法的思想是给共享同一网络通信介质的每个控制回路合理选择一个足够长 浙江大学硕士学位论文 的采样周期，保证网络时延不会影响控制性能，同时系统仍能保持稳定。每个控 制回路的采样周期变化的上限是仍能使系统保持稳定的最大采样周期，下限是大 于在网络传输最差的情况下的网络时延的最小采样周期。h o n g 设计了一种算法 给每个控制回路选择一个满足上下限要求的最大时延，并使网络的利用率达到最 大限度。 h o n g 的方法只适用于一维对象，k i m 等人采用同样的思想提出了适用于多 维对象的采样时间调度算法。 1 6 6n c s 中的时钟同步 在n c s 中，采用时钟同步有其必要性，主要体现在两个方面： ( 1 ) 传感器节点一般采用时间驱动，控制器和执行器可以采用时间驱动和事 件驱动两种模式。当控制器节点采用时间驱动时，便存在时钟同步的问题。 ( 2 ) 当存在多个传感器时，在多个传感器之间也存在时钟同步的问题。 c h a n 等“提出了一种n c s 的新的时钟同步算法，l j n n “”3 研究了分布式系 统中的时钟同步算法，在提出的时钟同步算法中，同步信号和传送的数据共享通 信通道且j 司包传输，并提出了三种不同的时钟启动算法。 w e i z h a n g 。”等人提出了一种不需要队列的观测器设计方法，将传感器和控制 器时钟同步，数据包带上时戳来获得传感器到控制器的时延，然后用观测器来近 似重构一个无时延系统。同样利用时钟同步，于之训等人“提出时延有界时观测 器设计策略。 1 7 本文的主要工作 围绕对网络随机时延的处理，研究者们从不同的角度和领域提出了各种预 测、补偿、分析方法。但对于不同驱动方式对系统性性能的影响方面，尚未被系 统的研究过。另一方面，一些在控制领域取得良好控制效果的控制策略，如神经 元控制技术，还未被应用在n c s 领域。针对这些情况，本文的主要内容集中在网 络性能的研究、网络引起时延的补偿、网络控制系统的仿真和实验上。 本文的研究工作和各章的安排如下： 第一章介绍了网络控制系统的产生背景、概念基本问题，并着重介绍了网 浙江大学硕士学位论文 络控铡系统近年来鹄礤究进展。 第二章研究了嘲络控制系统中，不同的驱动方式对网络控制系统魏性能产 生的影响。对事件驱动和时间驱动这两类网络控制系统的性能谶行了理论和仿真 分析，在四种典型盼睛况下，讨论了两种驱动方式蛉时序特点。 第三章提出了一种基予神经元控翻器的漪娥 楼策略。剩用神经元蘸好的 学习能力来克服网络控制系统中不确定时延的影响，并对循环服务网络和随机争 用网络遮豫类网络进行了仿真实验研究，仿真结祭表明该策略熊摆证网络控制系 统静良好性畿。 第四章在仿真研究的基础上，利用现有的校园网络作为实验平台再次谶行 实验的研究，实验结卷逑一步证明了基于神经元控制的网络控制时延补偿策略的 有效瞧。 第网章对本文的工作进行总结并对网络控制系统的工作进行展望。 参考文蘸 1 王戴金以慧，计算机控制系统，第1 版，北京，化学工业出版社，2 0 0 0 譬】j 。n i l s s o 矗，r e a l - t i 搬ec o n 拄o ls y s 耋e m sw i 也d e l a y s ，p h dd i s s 嚣t 畦i o n ，d 印乞 a u 咖撕cc o n 的l ，l u n dk s t i 批t eo f t e e h n o l o g y ，l u n d ，s w e d 黼，1 9 9 8 3 g c w a l s h ，h y e ，lb u s h n e l l ，s 切b i l 埘a n a l y s i so fn e 帆o r k e dc o n t r o l s y s t o m s ，p r o c o f a c c ，l9 9 9 ，2 8 7 6 - 2 8 8 0 + 【4 】黎蓉斌，王智，张卫东，孙犹赞，网络控制系绕的研究现拔与展望，信息控制， 2 0 0 3 ，3 2 ( 3 ) ，2 3 9 2 4 4 围l l ，f e n g ，r m ，j 黝e s ，m td a w n ，p e 蜘n n 姥e e 搬a t i o no fc o n 嚣o l n e 船o r 虹：e t h 鼹撼t ，c 锄铷l n 采黼dd e v i c e n e i e e ec 蚰拄o ls y s 埯m sm a g a z i n c ， 2 0 0 1 ，2 1 ( 1 ) ，6 6 _ 8 3 6 m s b r a n i c k y ，s m ，p h i i l i p s ，w + z h a n g ，s 住i b l 姆o f n e 船。嫩嬲c 锄拄0 ls y s 搬n s e x p l j c i ta n a 王y s i so f d 矗a y ，p c o f a e c ，2 0 0 0 ，2 3 5 2 2 3 5 7 ， 【7 】a r 姒踊s 锄u t e dd a 扭c o m m u n i c a t i o nn e 似o r k sf o rr c a l t i m op r o c e s sc o n 仃0 1 ， c h o 蜥c a le n 蜘e e 嗽gc o m m 啦i c a t i o n s ，1 9 8 8 ，6 5 ，1 3 9 - l5 4 ， 圈彭袋，墓东，丽络掩潮系统中蕉予时延辫谖的镤辍控裁器磷究，信惠与控翩， 4 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 4 ，3 3 ( 5 蔓5 8 4 5 8 9 ， 【翊a s 嚣m c f 画缸l m ，c o m p u 艳rn e 柳。舾，t h i r de d i 糕o n ，p r 妊c eh a l l ，1 9 9 6 1 0 z m g ，y _ q s 0 n j m c h c n ，y x s u n ，r e a l 撕m ec h a m c t e d 窨l i c s o f 王池e r n e ta n di t si 趱辨o v 姐l e n t s ，p r o c o f 4 斑w c i c a ，2 0 0 2 ，1 3 1 1 1 3 1 8 。 【l1 】w 西z h 舀s t a b i l i t ya m a i y s 弧o fn e 撕。攮础c o n 哟ls y s l e m s ，u s 。a ，e 8 s e w e s t e r i lr e s e eu n i v e r s i 饥2 0 0 1 【1 2 】芦帅，基于网络时延分析的控制器设计与实验研究，浙江大学硕士学位论文、 2 0 0 5 1 3 l i v a i l i ，m a k a i 8 e r ，j j i a ，s c h e d u l i n gh a r da n ds o rr e a l d i m ec o m m l 】i l i c a t i o n i n8c 锄咖1 l e r m e an e 蛳o r k ，c o n 拉o le n 百n e e “姻p r 8 c t i c e ，1 9 9 9 ，7 ，1 5 1 5 1 5 2 3 【1 4 】z 婚藏，k m 。s 融，k g ，d e s i g na 醛h 翟 懒铺穗t i o 矗。f 嚣爆c i e n tm e s s a 窘e s c h e d m i n gf o rc o 曲n d l l e ra r e an e m o r k ，m 髓t r a n s a c t i 0 1 l so ne o m p u t e r s ，2 0 0 0 ， 4 9 ( 2 ) ：1 8 2 一1 8 8 【l 霹i 数，s 拄o s 矗i 文鼍鼍醚a f c 量l o j l 曲o c 盎y a d v a n e e d 袋铋1 弱s 。k d 域 飘g u s i n g1 h ei 髓e8 0 2 5 t 0 k e nr i n 舀mp r o c e e d i n g so f r e a l 一t i m e s y s 协m s s y m p o s i u m ，1 9 8 8 ，4 2 5 2 【均r + 0 珏出ar 戳a 珏s 荆辨b 醐蠢e 淞p 张s 8 圭留缸攒s 蛐珏耙d 蚤e l a y s ， a u t 0 1 n a t i c a ，1 9 9 0 ，2 6 ，9 0 3 9 0 8 17 h c h a n ，u o z g u n e r c l o s e d - l o o pc o 咖lo fs y 咖m so v e rac o 蚴u n i c a t i o n 麓薛w o 蝮w 氇( 摹锚e s ，珏鼬l 曼t i 瓣，o 啪a 1o f e 姻蜘| ，1 9 辨，貔，4 鹑一5 l o 1 8 】p b a u e lm s c h i 蝣l l ，c b r a i l d ，k p r 咖a 衄1 e ，t 0 诅1d e l a yc o m p e n s a t i o ni n l a nc o n n d ls y s t e m s 柚d i m p l i c a t i o n sf o rs c h e d u l i n 舀p r o c e e d j n go ft h e 触撼纛e 粒c o 瘦o l ，2 l ，6 ，4 3 一4 3 0 5 。 ( 1 9 】jn 妇o n ，b b e 舢删s s o n ，b w i t t e 砌a r k ，s t o c h a s t i ca n a l y s i s 跹dc o n 廿0 lo f r e a l “i m