（计算机应用技术专业论文）网络控制系统的时延特性与稳定性分析.pdf

摘要 摘要 随着控制系统应用领域的日益扩大，网络控制系统的研究越来越受到人们的广泛关 注。网络控制系统的特点是参考输入、对象输出和控制输入等信息在控制系统各部件间 ( 传感器、控制器和执行器等) 通过网络进行交换，使不同地点的用户实现资源共享和 协同操作。然而，由于网络中的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而 网络的承载能力和通信带宽有限，这必然容易造成信息的碰撞、重传等现象的发生，使 得信息在传输过程中不可避免地存在时延，时延不仅降低系统的性能，而且是造成系统 不稳定的重要因素。本硕士论文针对网络控制系统的时延特性及稳定性进行分析和研 究，主要内容如下： 概述了网络控制系统的研究背景、存在的基本问题、研究现状；针对网络控制系统 中的时延问题，分析了时延产生的原因，总结了以往在时延问题研究上所取得的成果及 所采用的主要方法；从稳定性的角度，讨论了时延对系统性能的影响。针对存在于实际 系统中的一类正则、无脉冲的奇异被控对象，简要分析了奇异被控对象的网络控制系统 特性，建立了一类奇异被控对象的网络控制系统数学模型，分析了该系统的稳定性，给 出系统稳定的条件及最大数据包丢失率，并通过例子说明分析方法和成果的有效性和可 行性。 对基于m a t l a b 的实时仿真工具t r u e t i m e 进行了简要介绍，通过该仿真工具箱，针 对被控对象为倒立摆、传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、采用p d 控制器的 输出反馈控制系统进行了仿真分析，建立了仿真模型，并针对不同参数对系统稳定性造 成的影响进行了对比。通过系统输出和控制输入的仿真曲线，阐明了稳定性与网络诱导 时延、数据包丢失率、通讯网络、数据传输速率、采样周期、网络负载扰动等因素的关 系。 关键词：网络控制系统；稳定性分析；时延特性；奇异被控对象；系统仿真 大连交通人学。i ：学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ew i d ea p p l i c a t i o no fc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c ho fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) h a sb e e na t t r a c t e dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co fn c si st h a tt h e r e f e r e n c ei n p u t ，p l a n to u t p u ta n dc o n t r o li n p u ti n f o r m a t i o ni ne v e r yp l a n t ( s e n s o r ，c o n t r o l l e r a n da c t u a t o r ) e x c h a n g ei n f o r m a t i o nt h r o u g hn e t w o r k , w h i c hm a k e sa l lu s e r si nd i f f e r e n t p l a c e ss h a r et h er e s o u r c ea n dc o - o p e r a t i o n h o w e v e r ，w h e nt h ed i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s i m p l e m e n to v e rt h ec o n t r o ln e t w o r k i ti sc e r t a i n l yt om a k et h ei n f o r m a t i o nc o l l i d ea n d r e t r a n s m i tb e c a u s eo ft h el i m i t e db a n d w i d t ha n dw e i g h tc a p a b i l i t y s ot h e r em u s tb et i m e d e l a y sd u r i n gi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nw h i c hn o to n l yr e d u c es y s t e mp e r f o r m a n c eb u ta l s oi s t h em a i nf a c t o rc a u s i n gs y s t e mi n s t a b i l i t y t h es t a b i l i t ya n dc h a r a c t e r so fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sw i t ht i m e d e l a ya r ea n a l y z e d t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： t h eb a c k g r o u n d ，e x i s t i n gp r o b l e m s ，t h el a t e l yd e v e l o p m e n ta n dp r e s e n tr e s e a r c ho fn c s a r eg e n e r a l i z e d t h e nt h ee x i s t i n gr e a s o no ft i m e - d e l a y ，c h a r a c t e r i s t i c so ft i m e d e l a ya n di t s e f f e c to np e r f o r m a n c eo fs y s t e ma r ea n a l y z e d a i m e da tat y p eo fs i n g u l a rc o n t r o l l e dp l a n t w i t har e g u l a ra n di m p u l s e - f l e ec h a r a c t e r se x i s t i n gi na c t u a ls y s t e m ，t h em o d e lo fn c si s e s t a b l i s h e d ，a n dt h es t a b i l i t yo fs y s t e ma n dt h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n so fs t a b i l i t yf o rn c sa r e p r e s e n t e d an u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x a m p l es h o w st h a tt h ea n a l y s i sm e t h o di sv a l i da n dt h e r e s u l ti sf e a s i b l e t h e nt h er e a l t i m es i m u l a t o rt m e t i m eb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ki si n t r o d u c t e d s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h ee f f e c tc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so ns y s t e ms t a b i l i t ya r e p r e s e n t e da i m i n ga to u t p u tf e e d b a c kn c sw i t hp r o p o r t i o n a l - d i f f e r e n t i a lc o n t r o l l e rw h e n c o n t r o lp l a n ti si n v e r t e dp e n d u l u m ，w h i l es e n s o rn o d ei sc l o c k - d r i v e n ，a n dt h ec o n t r o l l e rn o d e a n da c t u a t o rn o d ea r ee v e n t - d r i v e n b yt h es i m u l a t i o ng r a p h so fo u t p u ta n dc o n t r o li n p u to f t h es y s t e m ，t h er e l a t i o nb e t w e e ns t a b i l i t ya n dt i m e d e l a y ，d a t ap a c k e td r o p o u tr a t e ，n e t w o r k l o a dd i s t u r b a n c e ，s a m p l i n gp e r i o d ，t r a n s m i s s i o nr a t ee t cf a c t o r si sd i s c u s s e d k e yw o r d s ： n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；t i m e - d e l a y c h a r a c t e r i s t i c s ；s i n g u l a rc o n t r o l l e dp l a n t ；s y s t e m s i m u l a t i o n u 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太连銮通太堂有关保护知识产权及保 留、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 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：月寸剑萄 日期：7 尻穆年f 工月f 弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：鲫涉易 日期：矽d 移年l 乙月哆日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：时釜1 韵 日期：刃龉年f 2 月眵日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络控制系统的研究背景 随着控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗透，控制系统结构越来 越复杂，空间分布越来越广，对系统控制性能的要求也愈发提高。而传统的点对点直接 连接方式无法满足功能不断增长的需求，随着越来越多的网络传输方式被应用到自动化 和控制领域中，网络控制系统也随之应运而生。与传统的点对点控制系统相比，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 ) 以其卓越的资源共享、低成本的构建与升级、 方便灵活的维护与扩展、分布式控制与诊断、智能高效的控制性能等优势广泛应用于国 防建设和国民经济的各个领域，并且发挥着不可替代的重要作用。网络控制系统，即利 用专用或公用数据通信网络代替传统的点对点连接，将分布于不同地理位置的传感器、 控制器和执行机构连接起来，构成的一种全分布式实时反馈闭环控制系统。网络控制系 统打破了传统控制系统在空间物理位置上的限制，拓宽了控制活动的场所，降低了系统 的连接复杂性、降低了运行成本和维护费用，便于实现管控一体化，提高了信息集成度。 因此，针对网络控制系统的研究得到了国内外研究工作者的极大关注并且具有积极和重 要的意义。 1 2 网络控制系统的特点 网络控制系统是集通信网络和控制系统于一体的复杂的全分布式控制系统，网络给 控制系统带来若干优点的同时，也使得网络控制系统的分析与设计更加复杂和困难。 ( 1 ) 优点： 实现资源共享。网络控制系统最显著的特点体现在智能化节点通过网络连接构成 的闭环反馈控制系统，它支持总线型、星型、树型等拓扑结构。与传统控制系统相比， 可以更好的实现资源共享。 实现远程操作与控制。网络实现了节点间信息传输和功能协调，通过网络可以方 便的进行系统的配置，实现了对远程信息的操作与控制。 具有较高的诊断能力。网络的扁平化，控制层网络与管理层网络的无缝连接，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运行，并且组成网络控制系统的 智能节点都具有相对独立的功能，管理系统很容易获得系统的运行状况和设备的状态信 息，提高了系统的可靠性、安全性和诊断能力。 大连交通火学t 学硕十学位论文 低成本的构建与升级。信息资源的共享减少了网络控制系统的构建成本，相对于 点对点连线方式，大大简化了布线；同时网络控制系统开发是遵循一定标准进行的，方 便了产品的集成与升级，使得系统更具开放化。 安装与维护简单。网络控制系统是计算机技术和控制技术交叉发展的结果，通过 简单的软硬件配置，就可方便地从系统中删除或增加新的节点，使得安装与维护简单灵 活。 ( 2 ) 缺点： 网络环境下多用户共享通信线路使得流量变化不规则。 数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致网络诱导时延、时序错 乱、数据包丢失等问题。 因此，由网络控制系统的特点可知，网络作为闭环反馈控制的一部分使得网络控制 系统相对传统控制系统存在很多优点同时，也存在一些基本问题。网络的存在使传输的 信息处在动态不确定时变环境中，由智能节点、网络和被控对象组成的闭环系统是一变 时延的不确定的复杂系统，这对基于网络的控制提出了严峻的挑战。另外，对网络控制 系统的研究是一个跨越多个学科的研究领域，网络控制系统的分析与设计不仅涉猎控制 理论中离散、连续及混合等所有的分析方法和控制技术，还要考虑通信网络中的信息传 输技术。网络控制系统的性能不仅依赖于控制算法，还依赖于对网络资源的调度。网络 控制系统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，研究目标既包含设计合适的通信协议以保证通信网络的服务质量， 还要设计先进的控制器以满足系统的性能指标。因此，我们必须重新审视传统控制系统 的研究方法，充分考虑网络环境为控制系统引入的诸多不确定因素，对网络控制系统时 延特性和稳定性进行分析和研究，是进行网络控制系统分析与设计的关键。 1 3 网络控制系统的典型结构 网络控制系统是将控制系统的传感器、执行器和控制器等单元通过网络连接起来的 分布式控制系统。通过网络形成控制回路是网络控制系统最大的一个特点，其典型结构 有两种： ( 1 ) 直接结构 直接结构的网络控制系统包括一个控制器节点和一个远程的由物理系统、传感器、 执行器组成的远程节点。控制器节点和远程节点的物理位置分布不同，依靠数据网络连 接，构成一个远程闭环控制。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。直接结构的控制器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 2 第一章绪论 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 接结构的网络控制系统理论研究主要涉及系统的时延问题。 ( 2 ) 递阶结构 在递阶结构的网络控制系统中，它用网络连接起很多分散的子系统，每个子系统自 身都是一个完整的包含控制器、传感器和执行器的本地闭环控制系统，通过通信网络与 中央控制器相连。各个子系统的控制器可通过网络从中央控制器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主控制器，由此形成网络化的闭环 控制。递阶结构的网络控制系统是一种模块化的网络控制系统，各个模块之问相对独立， 中央控制器不直接接收传感器输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【lj 。 目前，网络控制系统理论和方法的研究主要针对第一种结构，因为直接结构的控制 和分析方法也能够用来解决递阶结构，可以把递阶结构中的远程闭环系统看成一个远程 节点。 一 1 4 网络控制系统存在的基本问题 从网络控制系统结构中我们看到，将网络引入控制系统使系统的分析变得很复杂， 控制系统的各节点( 传感器、控制器、执行器等) 之间的数据不再是传统的点对点式的， 而是通过网络来传输的，是一种分布式控制系统。 因此，网络环境下多用户共享通信 线路且流量变化不规则，导致网络诱导时延传输数据流经众多计算机和通讯设备且路径 不唯一等网络自身特点，使得网络控制系统研究中涉及一些基本问题，主要包括：通信 媒体类型及通信协议、网络诱导时延、数据包丢失、数据包乱序、单包传输或多包传输、 网络调度以及网络节点的工作模式等，影响到控制系统的建模、分析和设计。 1 4 1 通信媒体类型及通信协议 网络技术的应用带来了通信协议的研究问题，i s o o s i 参考模型、t c p i p 协议、以 太网、令牌环网、无线通信协议等技术在计算机网络领域已逐渐成熟并被广泛应用。但 是，采用不同通信协议的通信网络有着不同的通信特征，从而使网络控制系统具有不同 的特性，如时延特性、节点驱动方式等。这些特性都将直接影响整个系统的分析和设计， 进而影响整个系统的控制性能1 2 。 人连交通人学t 学硕十学位论文 1 4 2 节点的驱动方式 在n c s 中，节点的驱动方式是指传感器节点、控制器节点和执行器节点的启动方 式。目前的控制网络节点驱动方式有两种，分别为时钟驱动( t i m e d r i v e n ) 和事件驱动 ( e v e n t d r i v e n ) 3 , 4 j 。时钟驱动即节点定期对数据进行采样，时序图如图1 1 所示。事件驱 动即网络节点在特定的事件发生时启动工作，时序图如图1 2 所示。传感器一般为时钟 驱动，即按系统时钟以一定周期采样被控对象的数据；控制器和执行器节点既可以采用 时钟驱动，也可以采用事件驱动。 传感器节点 控制器节点 执行器节点 传感器节点 控制器节点 执行器节点 蕊 、“i j _ 心 k 一3k - 2k 一1kl c + 1 k + 2 l 【+ 3 图1 1 时钟驱动方式下的信号时序 f i 9 1 1t i m e - d r i v e ns i g n a ls e q u e n c e 籼- j | 、 r j k - 3k 2k 1k1 计lk 十2l 【+ 3 图1 2 事件驱动方式下的信号时序 f i 9 1 2e v e n t - d r i v e ns i g n a ls e q u e n c e 控制器或执行器事件驱动的优点：节点接收到数据信息或控制信息立即启动工作， 一方面减少了等待采样时刻的等待时间，在一定程度上减少了网络时延；另一方面也避 免了时钟驱动时节点间时钟同步难、空采样和数据丢失等问题，提高了反馈数据的利用 率。 控制器或执行器事件驱动的缺点：事件驱动不易实现，因而实际应用的支持事件驱 动的控制网络较少。 4 第一章绪论 1 4 3 网络诱导时延 在网络环境下，多用户共享通讯线路且流量变化不规则，所以，当n c s 的传感器、 控制器和作动器通过网络交换数据时必然会导致网络诱导时延，如在调度网络中，当节 点在等待令牌或时间槽时就会产生网络诱导时延，降低系统的性能甚至引起系统不稳 定。网络诱导时延的存在使得系统的分析变得非常复杂，对闭环系统的性能和稳定性均 有影响。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 中可能存在多种不 同性质的时延【3 4 1 ( 常数、有界、随机时变等) 使得现有的方法一般不能直接应用。关于网 络诱导时延的详细分析见第二章网络控制系统时延特性分析。 1 4 4n c s 数据包传输问题 ( 1 ) 单包和多包传输问题 单包传输是指网络控制系统中的传感器( 或控制器) 的待发送数据被封装于一个数 据包中同时传送；多包传输是指传感器( 或控制器) 的数据通过不同的数据分组传送， 因而无法同时到达控制器( 或执行器) 。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。 。 采用单包传输还是多包传输方式应根据被控对象和网络的实际情况决定，一般来 说，e t h e m e t 的数据包所能容纳的数据量比较大，可以采用单包传输方式；当一个系统 部件待发送的数据量超过了数据包容量限制时，则必须采用多包传输。另外，当系统具 有多个传感器和( 或) 执行器，且它们分布在一个很大的物理空间，很难将所有传感器的 数据用单个数据包进行传输时，也须采用多包传输。由于网络的分时复用，网络控制系 统的多个数据包不可能同时发送，也不可能同时到达目标节点。这种不同于传统控制系 统的信息传输特性，使得网络控制系统的模型发生了变化，给系统分析与设计带来新的 问题【5 1 。 ( 2 ) 数据包的时序错乱 数据包乱序一般发生在具有路由、网关等中继环节的长时延网络控制系统中。由于 路由器会根据网络的实际情况选择合适的网络途径传输数据，因而相同节点发送的数据 包可能会经过不同的网络路径到达目标节点，另外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。数据包的乱序又可分为两种不同的情况t 在单包传输的网络控制系统中，由于数据包中的数据是完整的，乱序使得后发 的数据先到； 在多包传输的网络控制系统中，不仅不同时刻的数据包时序会发生错乱，而且 同时刻数据的不同数据包的到达时间也会参差不齐。 火连交通人学1 ：学硕十学位论文 这两种情况对于系统稳定性和性能的影响也不相同，在网络控制系统的设计和分析 中必须分别对待。 ( 3 ) 数据包丢失问题 网络的阻塞和连接中断是导致数据包丢失的一个因素。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。 一般说来，反馈闭环系统可以容忍一定比例的数据丢失，但当数据丢失率达到某一 定值时，系统将变得不稳。从系统信息的传输来看，数据包丢失的发生相当于信息传输 通道暂时被断开，使得系统的结构和参数发生较大的变化，因此需要寻找行之有效的解 决方法。 1 4 5 网络调度问题 所谓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。这里所说的网 络调度发生在网络用户层，或者网络传输层的上层，其目的是尽量避免网络冲突和阻塞 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。在n c s 中， 控制环的性能不仅依赖于控制算法，而且也依赖于对共享的网络资源的调度。在一定程 度上，网络调度策略的优劣会对闭环控制系统的性能产生影响。 目前，网络控制系统的调度方法主要包括基于优先级的调度方法，基于节点发送时 间间隔的调度方法以及基于死区的调度方法等。基于优先级的调度方法主要有静态调度 和动态调度【6 】。在静态调度中，各节点任务的发送是预先确定的，如时限、计算时间、 优先权关系和任务的释放时间等。静态调度法是缺省的调度算法，在任务执行之自i f 就已 经确定了各任务的优先级，不会随时间变化。利用静态调度算法可以设置某些节点在其 它节点之前多次访问网络。动态调度法是在n c s 运行中，决策网络资源的分配，根据 任务的某些特性随时间的变化，动态地调整任务之间数据的发送顺序。 1 4 6 控制与调度的协同问题 n c s 是由网络和控制组成的控制系统，其闭环性能不仅依赖于控制算法的设计，还 依赖于对网络资源的调度。大多数研究集中于两个方面【7 j ：通信协议和控制器的设计。 合适的传输协议可以保证网络的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，而先进控制器设计 是为了保证控制的品质( q o p ，q u a l i t yo f p e r f o r m a n c e ) 。由于网络和控制的内在联系，在 n c s 中，有必要同时考虑网络和控制的参数，以保证网络的q o s 和控制的q o p 。同时 6 第一章绪论 也应该看到，即使能达到网络的q o s ，也不一定能保证控制的q o p 。综合这两个方面， 设计智能型的可同时优化网络调度和控制器参数的算法，目前还不多见。 1 4 7n c s 仿真平台 网络的性能测量以及评估是n c s 能够应用到实际环境中不可缺少的一环。网络不 像现场总线或局域网那样系统应用范围比较小，它的各个系统节点，如控制器、传感器、 执行器和被控对象分布在不同的地方，为利用实际实验来验证网络控制系统的性能带来 了很大的困难。因此，仿真研究是网络化控制系统理论研究的一个重要内容。网络仿真 是利用相关的软件技术，构造网络拓扑、实现网络协议、测评网络性能的网络虚拟技术， 它包括网络拓扑仿真、协议仿真和通信流量仿真【7 j 。 ( 1 ) t r u e t i m e t r u e t i m e 软件包是由瑞典l u n d 工学院研制出的，它为n c s 理论的仿真研究提供 了简易可行、功能齐全的手段。它能和m a t l a b 软件包中的其他控制模块相结合，简便 而又快速地搭建实时控制系统，具有较好的执行性。本课题在第四章对该工具箱进行了 详细介绍，并利用其提供的核心模块和网络模块，建立网络控制系统仿真模型，进行系 统性能分析。 ( 2 ) n s 2 n s 2 是由美国加州大学的l n b l 网络研究组于1 9 8 9 年开发的一个专业的网络仿真 软件。利用它可以构造各种网络拓扑结构、实现网络协议、测试网络性能，并且针对不 同的网络环境，根据其协议的可扩展和定制特性，建立不同的实验环境。同时，根据节 点和协议的属性，可以定制物理系统的接口，构建网络控制系统的仿真模型，进行系统 性能分析。 ( 3 ) n c s s l m u 英国s u s s e x 大学开发了网络控制仿真软件包n c s s i m u 。网络控制仿真软件包 n c s s i m u 主要适于在网络统计特征已知的情况下对网络控制性能进行分析仿真研究。 除了以上仿真软件还包括s i m u l i n k 、s t r e s s 、d r t s s 、j i t t e r b u g 等仿真工具。 1 5 网络控制系统的研究现状 针对网络控制系统的理论领域的研究工作，国内外起步均较晚，开始于上个世纪九 十年代。r a ya 等人研究的集成通信控制系统中提出了网络控制系统的初步概念，在此 后的十几年中，网络控制系统受到越来越多的学者关注，并成为学术界的一个研究热点。 n c s 的研究涉及控制和通信网络两个方面，对同一个n c s 问题，既可以从控制的角度 来研究，也可以从信息调度的角度来研究，或者将两个方面综合起来进行研究。网络通 7 火连交通人学t 学硕十学位论文 信角度是通过改善网络性能，减少网络诱导时延和数据包丢失的可能性，提高网络控制 系统的性能；控制角度是把网络与通信协议作为己知条件，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) 描述的合理数学模型，在此基础上对n c s 进行稳定性分析，研究网络控制系统的控制器的设计。 下面分别从控制理论角度出发和从通信技术角度出发，对这两方面的研究状况作简 要介绍。 1 5 1 从控制理论角度出发 ( 1 ) 网络控制系统的稳定性分析 n c s 的建模、分析与控制器设计是既具复杂性又富含挑战性的研究课题。在系统建 模方法上，文献 8 】考虑了传感器和执行器为时钟驱动，控制器为事件驱动，网络诱导时 延的上界大于一个采样周期n c s 的建模问题。作者将n c s 视为混杂系统，利用混杂系 统理论来研究，是一种新的尝试。但是文献 8 中给出的系统混杂稳定的充分条件具有较 强的保守性。文献 9 】针对一类具有随机时延的n c s ，利用分割的思想处理随机的网络 时延，采用离线控制器设计与在线切换规律设计相结合的方法，给出了系统基于控制器 切换技术的稳定的梯度算法。文献 8 ，9 的优点是可以在随机时延的概率分布律未知的 条件下处理随机时延，得到系统稳定的结果。文献【1 0 】针对存在时变时延的变采样周期 n c s ，提出一种新的基于变采样周期的动态调度策略的建模与控制方法。通过实时调整 系统的采样周期，以合理地分配网络资源，提高网络的允许性能，通过数学变换将采样 周期和时延的不确定性转化为系统参数的不确定性，将n c s 建模为一类具有参数不确 定性的离散时间系统。在此基础上，给出了闭环变采样周期n c s 的d 稳定的结论。文 献【11 】针对时延大于一个采样周期的时变时延n c s ，建立网络状态预测单元，将系统建 模为基于随机时延的是否大于采样周期的概率切换系统，给出基于参考模型的预测控制 系统模型，其中控制器采用事件驱动。文献 1 2 1 设网络只存在于执行器和控制器之间， 传感器为时间驱动。利用异步动态系统理论建立了传输大于一个采样周期，同时具有数 据包丢失的n c s 模型，给出了基于矩阵不等式的n c s 指数稳定的充分条件，并求出了 系统的状态反馈控制器。文献【1 3 】不仅针对n c s 中普遍存在的网络诱导时延和数据包丢 失问题，而且还考虑模型中存在噪声和数据包时序错乱的情况，利用异步动态系统理论， 系统被建模为由结构事件率约束的异步动态切换系统。文献 1 1 1 3 在考虑随机传输延迟 的同时还考虑数据丢包的问题。 文献【1 4 】提出了具有随机延迟同步n c s 建模的通用模型。在模型的推导过程中，引 入了数据包的有效到达时刻和等效到达时刻的概念。在此基础上利用状态预测和动态规 8 第一章绪论 划设计出了长延迟网络控制系统的最优控制器。该模型建立的缺点，是在假设时钟同步 的条件下取得的，忽略了系统各部件时钟的时间差。文献 1 5 贝j j 针对一类执行器和传感 器节点之间的时钟不同步的时延n c s 进行了研究，设网络只存在于控制器和执行器节 点之间，利用接收缓存技术将时变时延转化为固定时延，将被控对象建模为具有时变控 制时延的线性离散系统，给出了与时滞相关的闭环系统渐近稳定的充分条件和保证闭环 系统渐近稳定的时延上界的求取方法。同样其研究成果也具有一定的局限性，虽然考虑 了时钟不同步问题，但只是对网络半回路控制系统的研究，理论成果还需要一定的改进。 ( 2 ) 时延补偿 文献 1 6 在状态预估的基础之上将滑模变构控制和预估控制的方法引入控制器的设 计中，得出的控制器可用于时间延迟大于一个采样周期的情况，使闭环系统具有良好的 性能。文献【1 7 】研究了一类特殊的n c s 时延补偿问题，针对短时延和长时延两种情况分 别进行了观测器设计。在短时延情况下，用常规的一步预测算法实现时延的补偿；对于 长时延，提出了一种基于p 步预测算法的观测器设计方法，满足分离原理。仿真实验证 明了所提方法的正确性和有效性。文献【1 8 】研究研究了传感器、执行器为时钟驱动，控 制器为事件驱动网络控制系统的随机控制问题，使用动态规划方法在6 算子域内，分别 设计了网络控制系统的状态反馈和输出反馈控制律。设计的l q g 优化控制器可以用作 长时延网络控制系统的一种时延补偿器，给出了一个带随机传输时延的网络控制系统的 有最小性能标准的优化控制律。 文献1 9 】采用预测控制的框架，重点研究了前向通道网络时延的补偿方法。通过在 执行器端加入接收缓冲区，将前向通道的传输时延变为固定时延，并将此固定时延加入 预测模型以补偿模型失配。然后结合对反馈通道的补偿方法，即通过对测量值附加时间 标志，选择最新的测量值进行反馈修正，形成了较为完整的网络时延补偿方法。所提出 的策略可有效地补偿网络传输时滞，有效克服反馈通道的随机时延、数据丢失和时序颠 倒，降低了人为增大时滞的现象。 1 5 2 从通讯技术角度出发 通讯技术角度的研究，包括讨论和分析目前实际应用中的n c s 体系构架，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进行分析。网络控制系统的体系结构 包括现场总线、工业以太网、无线通信网络、基于t c p i p 的嵌入式系统、现场总线与 以太网和i n t e m e t 的集成等。文献【2 0 提出了基于持续竞争的载波监听多路访问冲突检 测实时介质访问控制方法，通过持续竞争机制保证了在信道存在竞争冲突时，高优先级 实时数据的传输有确定的时延上界。该方法保证了信道的可靠性，提高了信道的效率。 9 大连交通人学i ：学硕十学位论文 文献【2 l 】基于i e e e8 0 2 1 1 无线网标准，针对无线网络控制系统提出了一种新的具有优 先级的载波侦听多路存取冲突避免协议，在充分利用网络资源和保证系统性能的条件 下，实现多种类型数据的调度。在当前多种控制网络并存的状况下，如何选择和利用控 制网络，建立性能更优、成本更低的控制系统，满足各行业不同的控制需求，是目前的 研究热点。除此之外，还有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，也是目前讨论和 研究的热点。 从研究现状我们可以看出，网络控制系统凭借其优势不断发展，并在许多领域得到 广泛应用，然而在许多领域的控制系统的被控对象不能抽象成正常系统模型，而是呈现 奇异系统模型。奇异系统是描述与刻画实际系统的有力工具，因此，研究被控对象为奇 异系统的网络控制系统具有更深的理论意义。奇异网络控制系统即当被控对象为奇异系 统时的闭环网络反馈控制系统，奇异网络控制系统不仅受网络所带来的各种不确定因素 的影响，而且还具有被控对象为奇异系统时所呈现的复杂动态特性。在对奇异网络控制 系统进行分析和设计时需要综合考虑奇异系统和网络控制系统的双重特性。虽然奇异线 性系统在解的存在性、脉冲能控性和脉冲能观测性、稳定性、正常观测器设计、闭环系 统综合、二次最优控制、极大值原理以及状态估计问题等许多方面已有了大量的研究结 果。但是，关于奇异非线性系统的研究还相对较少，对奇异网络控制系统还有待进一步 深入研究。针对奇异被控对象的网络控制系统的分析、设计更具有挑战性和研究性。本 文在第三章也将针对被控对象为奇异系统等相关问题做进一步探索和研究。 1 6 本文的主要内容 本文总结概述了网络控制系统时延特性、时延网络控制系统的研究方法，研究了时 延对系统性能的影响；并且基于奇异系统的被控对象，研究了网络控制系统的建模、分 析和稳定性问题，并针对影响网络控制系统不同的因素作为仿真参数进行了系统仿真。 全文的内容安排如下： 第一章为绪论部分。介绍了本文的研究目的和意义；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。 第二章主要针对网络控制系统中的时延问题，分析了时延产生的原因、时延问题对 于研究网络控制系统的关键意义，总结了以往在时延问题研究上所取得的成果及所采用 的主要方法；并从稳定性的角度出发，讨论了时延对系统性能的影响。 第三章针对存在于实际系统中的一类j 下则、无脉冲的奇异被控对象，简要分析了奇 异被控对象的网络控制系统特性，建立了一类奇异被控对象的n c s 数学模型，分析了 1 0 第一章绪论 该系统的稳定性，给出系统稳定的条件及最大数据包丢失率，并通过例子说明分析方法 和成果的有效性和可行性。 第四章对m a t l a b s i m u l i n k 的实时仿真工具t r u e t i m e 进行了简要介绍，并通过该仿 真工具箱研究了被控对象为倒立摆、传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、采用 p d 控制器的输出反馈控制系统的仿真问题。建立了仿真模型，并针对不同参数对系统 稳定性造成的影响进行了对比。通过系统输出和控制输入的仿真曲线，阐明了稳定性与 网络诱导时延、数据包丢失率、通讯网络、数据传输速率、网络负载扰动等因素的关系。 最后对本文所作的工作做一个总结，并且展望了网络控制系统理论的发展前景以及 今后的研究方向。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第二章网络控制系统时延分析 2 1 时延特性分析 由于网络的介入而使得控制系统信息传输产生的时延，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 ) 。在网络环境下，多用户共享通讯线路且流量变化不规则， 所以，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诱导时 延。在影响n c s 性能的所有因素中，最主要的因素之一是网络诱导时延，因为它直接 影响到系统的稳定性和控制性能。因此，充分考虑网络引入所带来诸多不确定因素，对 网络控制系统时延特性分析和研究，是进行网络控制系统分析与设计的关键。 2 1 1 决定网络诱导时延的因素 网络时延的产生受诸多因素的影响，其中包括网络拓扑结构、网络所采用的通信协 议、网络当时的负载状况、网络的传输速率和信息包的大小等因素。一般来说，当网络 中不含网关、路由等中继设备时，通道时延可以认为是固定的，其大小与网络的速度、 数据包的大小有关。而当网络中含有中继设备( 例如网关、路由器、网桥等) 时，中继设 备中的队列机制会增大通道时延，这将使得通道时延具有时变特性。 根据网络协议模型中数据链路层的介质访问控带l j ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 不 同，网络诱导时延可以是常值、有界变量甚至是随机的。m a c 协议通常可以分为两类： 随机存取( r a n d o ma c c e s s ) 和调度( s c h e d u l i n g ) 。载波侦听多路复用( c a r t i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ，c s m a ) 通常用于随机存取网络中。而令牌传递( t o k e np a s s i n g ) 和时分多路复用技 术( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 常用于调度网络中。产生时延类型与控制网络 访问方式关系【2 2 2 3 】如下表所示： 表2 1 控制网络访问方式及有关参数 t a b l e 2 1t h ea c c e s sm o d ea n dc o n c e m e dp a r a m e t e r so fc o n t r o ln e t w o r k s 网络类型以太网( e t h e m e t ) 设备网( c a nb u s ) 控制网( t p b u s ) 访问方式随机访问随机访问 令牌传递( t p ) 网络协议 c s 魄c dc s m a a m pl e e e 8 0 2 4 数据包大小最大1 5 0 0 最小6 4最人8最人5 0 4 时延类型随机、无界常值确定、有界、周期 触发方式事件触发事件触发时间触发 1 2 第二章网络控制系统时延特性分析 使用c s m a 协议的控制网主要有e t h e l n e t 和d e v i c e n e t 。以太网采用的是c s m a c d 的介质存取控制( m a c ) 机制，网络的实时状况决定节点是否能够立即发送数据。在网络 低负荷时，网络时延很小，可以忽略不计。但随着网络负荷的增大，如果节点需要发送 数据时，网络中无其它节点正在传输数据且无其余节点参与竞争，则该节点的数据将立 即被发送；若网络中有节点正在传输数据，则必须等待该数据传输完毕，再发送；如果 同时有多个节点竞争网络使用权，则其中优先级最高的节点才能获得网络使用权。由于 c s m a c d 机制本身的不确定性及其不支持优先策略的特点使网络时延呈现出随机、无 界的特征。d e v i c e n e t 网采用的是具有优先级仲裁的存取控制机制，对于高优先级数据 具有有界的网络时延，而对于低优先级的数据可能会造成无界的时延。图2 1 展示了随 机访问网络上任意两个相邻节点的介质访问时序图1 2 4 。 馈况1 z 无冲突绽耋 囤 冈 i 。一 情况2 ：冲突庄设备嘲绽生 时兵育坟高优先敬的节厚 情况3 = 刍冲突庄以土喇上绽 生时一十节厚停止重新 j 。hi 弋 r i、 - r h fh 蛐( “1 ) h( k + 2 ) h 图2 1 随机访问网络上两个节点的时间序列 f i 9 2 1s e q u e n c eb e t w e e nt w on o d e so ft h er a n d o ma c c e s sn e t w o r k t p 协议出现在令牌总线( i e e e 8 0 2 4 ) 、令牌：坏n ( i e e e 8 0 2 6 ) 以及光纤分布式数据接 口的m a c 架构中。这类t p 协议和t d m a 协议允许网络中的每个节点以预先定义好的 调度方式发送数据。因此，调度网络传输具有恒定、有界的时延，网络中的介质访问时 序图如图2 2 示。