（控制理论与控制工程专业论文）基于模型的网络控制系统的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于模型的网络控制系统的研究 摘要 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 ) 是一类通过实时通信网络将传感器、 控制器和执行器进行互联的分布式控制系统，这种控制模式具有低成本，维护简单，灵活 性高等优势，广泛应用于工业场合，无人飞行器等领域。但是，由于网络中的节点很多和 通信网络分时复用的特点，带宽有限的通信网络在传输信息时，必然出现信息的冲撞和重 传现象，使得信息在传输过程中不可避免地存在延时，导致控制系统性能的下降甚至不稳 定，给控制系统的分析和设计带来了很大的麻烦。本文主要针对带宽约束和时延问题，从 降低节点的包传输速率的角度出发，来降低带宽约束对网络控制系统的影响。主要研究内 容如下： 本文研究了基于模型的网络控制系统( m b - n c 8 ) 。为了减少网络流量，同时保证一定 的控制性能，该控制结构使用对象的一个确定的模拟模型。在模拟模型没有被控对象信息 更新的时候( 即在网络两次瞬时传输数据之间) ，这一模型被用来模拟被控对象的状态。 文中假设模拟模型参数与被控对象相近似。很多控制问题被提出，首先是线性连续和离散 系统的稳定性分析，对于不同的网络和控制方案，诸如：状态反馈，输出反馈，和网络存 在时延，得到了稳定的充分必要条件。该稳定性与必阵的特征值有关，m 阵包含了对象参 数以及对象和模拟模型参数误差的信息。 针对带宽约束问题，采用了基于误差阈值通信逻辑的传输规则，将其运用到基于模型 的网络控制系统中，设计了具有通信逻辑功能的智能传感器节点结构，从被控对象状态全 部可测量与部分状态可测量甚至是完全不可测量两种情况出发，分别建立了具有误差阈值 通信逻辑的网络控制系统模型，通过增加网络节点的计算开销来减少网络的开销，仿真表 明在保持系统稳定和良好动态性能指标的情况下，有效地减少了节点数据包的传输。 关键词：网络控制系统，带宽约束，全局指数稳定，基于误差闽值通信规则 浙江工业大学硕士学位论文 t h es t u d yo nt h em o d e l b a s e d c o n t r o ls y s t e m s a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) b e l o n g st od i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m sw h i c ht h e n s o r $ ，c o n t r o l l e r sa n da c t u a t o r sa r ec o n n e c t e db yas h a r e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k e d t h i s c l a s so f f e e d b a c kc o n t r o ls y s m m s ，w h i c hu s ead a t an e t w o r ka sm e d i u mf o rt h ef e e d b a c kp a t h ， h a v et h ea d v a n t a g e so fl o w - c o s t ，e a s ym a i n t e n a n c e ，a n df l e x i b i l i t yo v e rt h et r a d i t i o n a lc o n t r o l s y s t e m s a n di ti s 、衍l e l ya p p l i e di ni n d u s t r i a lp l a n t s ，u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e s ( u a v s ) ，e t c b e c a u s et h e r ea r em a n yn o d e si nt h en e t w o r ka n dt h em e d i u mo fc o n t r o ln e t w o r ki st i m es h a r i n g m u l t i p l e x i n g ，w h e nt r a n s m i t t i n gt h ei n f o r m a t i o ni nt h eb a n d w i d t hl i m i t e dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，i n e v i t a b l yp r e s e n t st h ei n f o r m a t i o nd a s h i n ga n dr e t r a n s m i s s i o n g i v e nt h i sp o i n t ，t h e n e t w o r k - i n d u c e dd e l a yi si n t r o d u c e di n t ot h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si n e v i t a b l y ，w h i c hw i l l r e s u l ti nt h ed e g r a d a t i o no fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，o v e nl e a d st oi n s t a b i l i t y t h i sm a k e si th a r dt o d e s i g na n da n a l y z et h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lf o c u so nb a n d w i d t h c o n s t r a i n t sa n dn e t w o r k - i n d u c e dd e l a yp r o b l e m ，b yr e d u c i n gt h en o d ep a c k a g et r a n s m i s s i o nr a t e t os o l v et h ep r o b l e mo f b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s t h ep r i m a r yc o v e r a g ei sa sf o l l o w s ： i nt h i sp a p e rac l a s so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sc a l l e dm o d e l - b a s e dn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( m b - n c s ) i si n v e s t i g a t e d t h i sc o n t r o la r c h i t e c t u r eu s e s 锄e x p l i c i tm o d e lo f t h ep l a n t i no r d e rt or e d u c et h en e t w o r kt r a f j e i ow h i l ea t t e m p t i n gt op r e v e n te x c e s s i v ep e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n t h em o d e li su s e dt os i m u l a t ep l a n tc o n d i t i o n sb e t w e e nt r a n s m i s s i o ni n s t a n t sw h e n n oi n f o r m a t i o na b o u tt h ep l a n ti sa v a i l a b l e i ti sa s s u m e dt h r o u g h o u tt h ew o r kt h a tt h ep l a n t m o d e ld y n a m i c sa 陀an o n - e x a c ta p p r o x i m a t i o no ft h er e a lp l a n td y n a m i c s s e v e r a lc o n t r o l p r o b l e m sa r ef o r m u l a t e ds t a r t i n gw i 也t h es t a b i l i t ya n a l y s i so fl i n e a rc o n t i n u o u sa n dd i s c r e t e s y s t e m s n e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rs t a b i l i t ya r ed e r i v e df o rd i f f e r e n tn e t w o r ka n d c o n t r o ls c e n a r i o ss u c ha ss t a t ef e e d b a c k ，o u t p u tf e e d b a c k ，a n dp r e s e n c eo fn e t w o r k e d - i n d u c e d d e l a y s 1 1 地r e s u l t so b t a i n e dr e l a t et h es t a b i l i t y o fe a c ho ft h em b - n c sc o n s i d e r e dt ot h e e i g e n v a l u e so fam a t r i xm t h em a t r i xm c o n t a h l si n f o r m a t i o na b o u tt h ep l a n td y n a m i c sa n dt h e e r r o rb e t w e e nt h ep l a n ta n dm o d e ld y n a m i c s i 浙江工业大学硕士学位论文 a sf o rt h en e t w o r kw i t hb a n d w i d t hc o n s t r a i n t s ，an e wt r a n s m i s s i o nr u l ew h i c hi sc a l l e d b a s e do ne r r o rt h r e s h o l dc o m m u n i c a t i o nl o g i c ，i si n t r o d u c e da n da p p l i e dt ot h em b - n c s an e w t y p eo fs m a r ts e n s o rd e t e r m i n i n gw h e nt h ed a t as h o u l db et r a n s m i t t e di sd e s i g n e d v i t v r h e na l lt h e p l a n ts t a t e so ft h en c s a r ca v a i l a b l ed i r e c t l y ，t h es t a t ef e e d b a c ki sa d a p t e d ；w h e nt h es t a t ei sn o t d i r e c t l ym e a s u r a b l e ，o u t p u tf e e d b a c kc o n t r o li sa d a p t e d a l s ot h em o d e lw i t ht r a n s m i s s i o nr u l ei s c o n s t r u c t e d 。t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h en o wr u l ec a nr e d u c et h eu s a g eo fn e t w o r k b a n d w i d t h ，m e a n w h i l ea s s u r et h es t a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c ef o r t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s k e yw 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 ，b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s ，g l o b a le x p o n e n t i a l s t a b i l i t y ，0 1 0 1 t h r e s h o l dc o m m u n i c a t i o nr u l e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：易毒缈日期：川年5 月码日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：岛名渺日期：川年5 月玛e t 导师签名乏少了厶 日期：砷年莎月玛日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 i 1 1网络控制系统的基本概念 进入2 1 世纪以来，控制系统的规模日益扩大，复杂程度不断提高，系统的物理设备 和功能也在不断扩充，传统的点对点直接连接方式已经达到了自身的应用极限，无法满足 系统功能不断增长的需求。随着电子技术和计算机技术的不断进步和发展，系统设备成本 逐年下降，网络通信能力飞速提高，网络共享资源不断丰富，越来越多的网络传输方式被 应用到自动化和控制领域中，网络控制系统应运而生。 n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，最早出现于1 9 9 8 年马里兰大学w a l s he ta 1 的著作 中，但当时并没有给出“网络控制 明确的概念定义，只是用图示说明了网络控制系统的结 构，指出n c s 中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。目前，“网络控制”的含义有两种 解释：种是对网络的控制( c o n t r o lo fn e t w o r k ) ；另一种是通过网络实施的控制( c o n t r o l t h r o u g hn e t w o r k ) 【。两种含义中都离不开“控制”和“网络，只是两者所侧重的对象不同。 前者是针对网络路由、网络流量等的调度与控制，是对网络自身的控制，可以利用运筹学、 组合数学、图论和控制理论的方法来研究和实现【2 ，3 】；后者是指控制系统的各个节点( 传感 器、执行器和控制器) 之间的数据传输不是传统的点对点方式，而是通过网络来传输的， 是一种分布式的控制系统。网络控制系统以资源共享、系统构建经济、易扩展、维护方便、 灵活性强等优点f 4 j ，迅速、广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域。 1 1 2 网络控制系统的基本结构 一般来说，n c s 主要存在三种结构：径直结构( d i r e c ts t r u c t u r e ) 、层次结构( h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r e ) s l 以及混合结构( c o m b i n e ds t r u c t u r e ) ，其结构图分别见图1 1 一图1 3 。 径直结构中的n c s 由一个控制器和一个远程系统组成。远程系统主要包括被控对象、 传感器和执行器。控制器和被控对象分布在不同的地理位置，并通过网络连接起来以实现 闭环控制。在这种结构下，控制信号封装成帧或数据包，通过网络发送到被控对象；同样 被控对象的传感器数据以帧或数据包的形式通过网络传送至控制器。在实际的应用中，多 l 浙江工业大学硕士学位论文 个控制器可以封装在一个主控制单元来管理多个n c s 控制回路。径直结构的典型应用包括 远程学习实验室 6 3 、基于c a n 总线的麦田自动除草机川等。 r n 兰笠r n 里仁9 皿皿口，唑 - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o - - - o - _ v ， 雹一执行器 竺靠式二芝艇 。_ 。 _ _ _ 。_ _ _ i _ _ 。、e ! 一- - i 一二= y 一 传感器信号人 皿，叮：报文 控制信号 一功伍皿皿 主控制器l 口 叮 口 p 。_ - _ _ _ _ _ - _ - _ 传感器信号 图1 - 1 径直结构的n c s 坦一二皿芒 曼竖直昭 = 一一一一一z “ 皿，叮：报文 被控对象 传感器 蕊行器陋捌 远程系统 圈l - 2 层次结构的n c s 信息系统网络 图l - 3 混合结构的n c s 在层次结构中，n c s 是由一个主控制器和一个远程闭环系统组成。远程闭环系统是由 远程控制器、被控对象、传感器和执行器组成的一个闭环控制系统。主控制器以帧或数据 包的形式周期性地将计算好的参考信号通过网络发送至远程闭环系统，远程闭环系统根据 参考信号来执行本地的闭环控制，并将传感器测量数据通过网络返回给主控制器。一般而 言，网络控制回路比本地控制回路的采样周期长。与径直结构类似，在层次结构中多个控 2 浙江工业大学硕士学位论文 制器可能封装在一个控制单元中来管理多个n c s 控制回路。这种结构的典型应用包括航天 器 8 , 9 1 、移动机器人【1 0 ，1 、远程诊疗系鲥1 2 1 、遥控操作系统【1 3 , 1 4 等。 混合结构可能同时含有以上的两种结构，并且是由不同通信协议的网络所组成。它一 般应用于企业工业网络中，最上层的系统网络主要是企业网络与外界信息网络实现互连， 可以提供监控。它可以不定时地收集整个企业的生产信息以及下达生产任务等，这种信息 具有大容量、低频率、非实时的特点。中间层是子系统或单元网络，它主要传输控制命令 或各个子系统的任务更新指令以及子系统之间的协调问题。信息传输可能是周期性的，也 可能是偶发的或实时的。最底层网络是设备层，它对被控对象的连续变化的信号进行采样 并通过控制算法对其进行有效的控制。该层的信息传输具有周期性、实时性、数据包容量 小且传送频繁等特点。如文献【1 5 】中列举的一个应用实例就采用了这种混合结构，它是由 美国e a t o n 公司开发的一个“组件装配系统 ，其中有三种网络：f i r e w i r e ，d e v i c e n e t 和 e t h e m e t 。在这个系统中，如果所需控制的信号来自于摄像机( 视频信号) ，就需要通过高 带宽的网络来连接( 如f i r e w i r e ) ；如果所需控制的信号是一些短小、周期性的开关信号， 只需要通过低带宽的网络连接( 如d e v i c e n e t ) 。而位于高层的监控信息对实时性要求较低， 可采用高速大流量的e t h e r n e t 来实现。另外，罗克韦尔自动化( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 公 司推出的开放网络三层体系结构，其设备层、控制层和信息层分别采用d e v i c e n e t 、 c o n t r o l n e t 和e t h e m e t 。它的一个实际应用是一汽大众a u d i b o v g o l f 的总装生产 纠1 6 1 。 实际上，采用何种结构往往取决于具体的应用要求和设计者的选择。例如在直流电机 的控制中，由于设计者要求网络控制系统具有快速的反应能力，这种情况就偏向于采用径 直结构。而在机器人应用中，机械手往往要求多个电机能够在其关节处同时平滑地旋转， 在这种情况下采用机器人现有的控制器和层次结构将更为方便，同时系统的鲁棒性也更 强。另外，如果将远程闭环系统建模成类似于纯被控对象的状态空间模型或者传递函数， 则层次结构实际上可以转换成径直结构【1 4 j 。 在某些应用场合，网络只存在于控制器节点至执行器节点或者传感器节点至控制器节 点之间，将控制器i 执行器之间的网络连接又称前向通道网络连接，而传感器j 空制 器之间的网络连接称为反馈通道网络连接。如文 1 7 1 9 讨论的系统中网络只存在于前向通 道，而文f 2 0 】讨论的网络只存在于反馈通道。由于控制系统中控制器和执行器之间的界限 往往不明显，特别是由嵌入式微处理器构成的控制器通常与执行器集成在一起，并且对于 安全性要求较高的系统，控制信号的传递一般不允许经过可靠性相对较低的网络，以避免 3 浙江工业大学硕士学位论文 给系统带来危险，所以这种结构的网络控制系统在应用中具有很大的使用价值，本文研究 的是网络只存在于反馈通道的系统。 1 1 3 网络控制系统的关键问题概述 由于受到网络协议、带宽、承载能力和服务能力等多方面因素的影响，网络的存在给 控制系统带来了诸如延时、丢包、带宽约束、多包传输等许多问题，导致系统性能的下降 甚至危及系统的稳定性。因此，网络控制系统中分析的对象不再是孤立的控制过程，传统 的控制系统分析与设计方法不再完全适用于网络控制系统。如何分析网络给控制系统带来 的网络延时、带宽约束和丢包等问题，并在此基础上进行系统的状态估计、稳定性分析、 控制器设计、系统分析与综合等，是当前网络控制系统研究的热点和难点。 ( 1 ) 网络诱导时延 由于网络的介入而使得控制系统的信息传输产生的时延，称之为网络诱导时延。根据 不同的网络协议，网络诱导时延可以建模为常数时延、随机时延和时变时延。网络诱导时 延存在于控制系统的信息反馈通道中，对闭环系统的性能和稳定性均有影响。 ( 2 ) 数据包丢失 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。 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。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。 ( 3 ) 带宽约束 所谓带宽约束，是指因为网络中的信息源一般比较多，信息的传送要分时占用网络通 信线路，而网络在一定的时间内只能传送有限量的数据信息，即网络的通信速率是有界的， 这是由网络的通信协议、带宽以及系统节点数目等因素决定的。在众多的实际应用中，如 无人驾驶飞行器、无线传感网络、水下机动车、大规模传感器一执行器阵列等，带宽约 束往往是影响网络控制系统运行的一个非常重要的条件，也是网络控制系统中研究的热点 之一。带宽约束问题，一般分为位传输( b i t - r a t e ) 和包传输( p a c k e t - r a t e ) 两个研究方向， 4 浙江工业大学硕士学位论文 前者针对以位为单位传输的网络，如声纳、r s 2 3 2 等，后者针对以包为单位进行数据传输 的网络，如e t 蛐、a t m 等，研究的主要问题包括：如何在保证系统稳定的条件下减少 网络带宽的使用和不必要的通信开销，如何通过有效的方法如网络信息调度提高控制系统 性能，如何利用离散甚至是不完全的数据信息进行有效的状态估计、设计高性能的控制器 等。 ( 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。所谓单包传输是 指网络控制系统中的传感器等系统部件的待发送数据被封装于一个数据包中发送。而多包 传输是指传感器等系统部件的待发数据被分成多个数据包，分时发送。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。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 蹦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 【m o 的。 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；而i ) e v i c 宅n e t ( 如 c a n ) 中单个数据包所能容纳的数据量较少( 最多8 个字节) ，因此很可能需要采用多包 传输方式。 常规的m i m o 控制系统的信息传输也是多通道的，通常假设多个传感器的数据同时到 达控制器。而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 ) 数据包乱序 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( 或和带有路由功能的中继设备) 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： 1 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； 5 浙江工业大学硕士学位论文 2 在多包传输的网络控制系统中，不仅不同时刻的数据包的时序会发生错乱，而且同 时刻数据的不同数据包的到达时间也会参差不齐。 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。 1 1 4 带宽约束问题研究现状 带宽约束是影响网络控制系统的一个重要关键因素，节点过多、数据传输过于频繁或 者传输的数据量过大都会有可能增大网络上冲突的概率，使得网络通信延时变大，引起数 据丢失，严重时会造成网络拥塞，从而导致网络控制系统性能下降，甚至不稳定【z 。针对 位传输网络控制系统带宽约束问题的研究自二十世纪九十年代后期就已开始，至今已经积 累了相当多的研究成果。例如h e s p a n h a 给出了保持线性时不变过程稳定的最小位速率的 计算方法，并提出了相应的系统状态编码解码器的设计方法保证系统的渐近稳定网。 l i b e r z o n 探讨了测量值和开环系统转移矩阵范数之间的关系，提出了相应的编码方案和保 持系统稳定的充分不必要条件，并进一步讨论了非线性对象时的系统稳定性问题1 2 3 矧。 m i t e r 等对网络所传输信息的量化方案进行详细的分析，证明能够保持单输入线性时不变对 象稳定的最小密度无记忆量化方法满足对数规则【2 卯。b a i l l i e u l 等针对有限数字通信带宽控 制问题( d i g i t a lf i n i t ec o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t h - d f c bc o n t r 0 1 ) 进行研究，给出了量化控制 设计的规律性条件，证明只有b i n a r y 控制可以在最低的数据通信率条件下保证系统稳定， 最后提出了一种b i n a r y 量化反馈控制设计方法随2 刀。s a v k i n 等提出一种保证多输入廖；输 出离散时间线性系统渐近稳定的确定性多速率状态空间方法，并完成了非线性动态反馈控 制器的设计嗍，进一步研究了在位传输网络带宽约束条件下的系统l q g 控制，给出了分 离原理适用的估计与编码方案 2 9 1 ，分析了线性不确定系统的鲁棒稳定性问题，设计了鲁棒 稳定控制器【3 0 】。n a i r 和e v a n s 首先应用渐近量化理论( a s y m p t o t i cq u a n t i z a t i o nt h e o r y ) 提出 了系统的编码和控制方案并研究了无限维时变离散对象系统的渐近镇定性 3 1 】，证明了有限 维线性系统的指数可镇定性【3 2 l ，进一步证明了完全可观跳跃m a r k o v 线性系统的渐近稳定 性问题f 3 3 1 ，然后针对有限维离散随机线性对象分析了保持系统均方稳定的通信速率条件 跚。l ix i a 等使用1 b i t 编码估计序列得到了迭代形式的系统状态估计器，分析了收敛性， 并通过仿真进一步分析了数据通信速率与渐近平均估计偏差之间的关系瞵1 。 随着网络技术的不断发展和完善，位传输网络的应用已逐渐减少，大部分的工业网络、 通信网络都是以包为单位进行数据传输，因此，研究包传输网络更具有实际的意义。对于 6 浙江工业大学硕士学位论文 包传输网络控制系统而言，解决带宽约束问题最直接的方法就是通过合理减少节点传输数 据次数来降低带宽的使用，这是因为包传输网络所采取的协议往往都具有固定的必要负载 开销，例如e t h e m e t 帧格式规定每一帧数据需要1 4 个字节或2 2 个字节的类型字段和至少 4 6 个字节的数据端，a t m 的一个单元数据则需要5 个字节的包头和4 8 个字节的数据域。 对于这样的网络，通过采用优化的编解码方案压缩传输信息的方法减少传输的数据量，分 析保持系统稳定的最小位传输速率，这样做对于系统和网络的影响非常小，不具有实际意 义。而从数据传输的速率出发，研究如何降低网络中节点的数据传输量或传输速率。减少 网络带宽的使用更符合实际情况。 目前从降低网络中节点的包传输速率角度出发降低带宽约束对n c s 的影响的相关方 面研究比较少。a n t s a l d i s 等提出利用对对象特性的了解建立估计模型来减少网络中的数据 传输量，并分析了在周期型传输方式下的系统稳定性条件 3 6 1 。r e h b l n d e r 针对带宽约束问 题提出了一种离线的最优调度方法，实现网络资源的最优分配，通过对控制信号的调度实 现最优控制【3 刀。t i l b u r y 等针对多输入多输出的网络控制系统，在每一个控制器端增加了 一个被控对象的状态估计模型，引入确定通信逻辑( d e t e r m i n i s t i cc o m m u n i c a t i o nl o g i c ) 控 制网络节点发送数据，并通过实验证明该方法有效的降低了数据传输的次数【3 射。x u 等人 针对并行式网络控制系统提出了具有通信逻辑的节点结构，并用公式表达出系统性能和网 络开销之间的关系【3 9 】。作为一种网络调度的方法，通信逻辑可以同时考虑网络和控制性能 两方面因素，是解决包传输网络带宽约束问题的一种有效方法，但是有关通信，逻辑的研 究并不完善，例如通信逻辑适用的系统结构少，假设条件多，理论分析复杂等，国内尚没 有相关的研究。 1 2 课题的研究意义 随着计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展，人们对于基于网络的各类物理系 统的交互和实时控制需求越来越迫切，网络控制己经成为控制领域的一个重要分支。未来 的几十年中，网络化控制必将深刻地影响和推动控制理论及其应用的发展。 n c s 研究的核心问题是如何有效处理由网络带来的时延，而时延产生的根本原因在于 网络带宽限制等诸多因素的影响。本文主要针对时延问题和网络带宽限制问题，在保证系 统稳定的前提下，尽可能的少用网络来传输数据，找出最大通讯间隔以降低网络带宽对控 制系统的影响，进而减小时延和网络带宽给控制系统带来的影响。 浙江工业大学硕士学位论文 综上所述，基于网络的控制系统是当今自动控制界一个新兴的热点研究课题，对该课 题开展研究具有重要的学术价值和应用前景。 1 3 课题的研究内容 本文以线性连续对象为被控对象，针对时延问题和网络带宽约束问题，在保证系统稳 定的前提下，尽可能少用网络来传输数据，从而降低网络带宽约束对控制系统的影响。全 文的内容安排如下： 第一章为全文的绪论部分。首先介绍了课题的背景：包括了网络控制系统的概念、基 本结构、关键问题以及着重总结了带宽约束问题的研究现状：然后介绍了课题的研究意义； 最后介绍了本文的主要工作与内容结构。 第二章针对线性连续被控对象，研究了基于模型的网络控制系统的建模、稳定性问题。 首先介绍了基于模型的网络控制系统的研究背景，然后阐述了问题的基本原理，其次在连 续时域中建立了系统的模型，给出了系统稳定的充要条件，并通过仿真验证定理的正确性 和有效性。接着讨论了系统稳定判据中膨阵特征值与更新时间和模型参数误差的关系，给 出了一维被控对象的数例。最后把结果扩展到离散域中。 第三章考虑时延问题，研究了基于模型的网络控制系统的稳定性条件，在控制器端增 加一个预报单元，利用预报单元计算被控对象的状态从而对网络时延进行补偿。给出了时 延条件下，系统稳定的充分必要条件，并通过仿真验证了定理的正确性。 第四章针对带宽约束问题，采用了基于误差阈值通信逻辑的传输规则，并将其运用到 基于模型的网络控制系统中，设计了具有通信逻辑功能的智能传感器节点结构，从被控对 象状态全部可测量与部分状态可测量甚至是完全不可测量两种情况出发，分别建立了具有 误差阈值通信逻辑的网络控制系统模型，并通过仿真表明在保证系统稳定和良好动态性能 指标的情况下，有效的减少了节点数据包的传输。 第五章对全文进行了总结和展望，给出了本文的主要研究成果以及有待进一步研究的 问题。 8 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章基于模型的网络控制系统的周期通信 本章以线性连续对象为研究对象，考虑传感器通过网络和线性控制器执行器互联。 主要任务是利用对象的动态信息来减少网络的使用。具体来说，控制器端使用一个确定的 模拟模型来近似对象的动态特性并且使被控对象甚至在低速网络环境下可以稳定。系统稳 定的充要条件约束于更新时间厅和对象和模拟模型参数。当更新时间h 或模型参数误差增 加时，系统将变得不稳定。 2 1引言 每一个子系统需要很大的带宽是研究网络控制系统所要考虑的一个主要问题。在传统 的控制中，反馈通道能够保证传感器信息连续地到达控制器。工业控制器通常在传感器和 控制器之间用导线相连。带宽的大小和对象的动态响应有紧密的联系。系统的动态响应越 快，所需要的带宽就越大。这将导致控制信号的高频传输和信号在对象和控制器间连续的 交换。 本章考虑传感器通过网络和控制器相连，即反馈通道是经由网络的。但是，数据网络 都普遍存在带宽约束问题，数据传输在离散的时刻进行，这就给我们设计控制系统带来了 更大的挑战。 为了克服带宽约束，许多方法被提出。b r o c k e t t 引入了最小关注控制的概念，减小时 间和状态反馈对控制率的依赖嗍。这可以看作是一种开环与闭环控制的折中。虽然网络存 在于反馈通道，而开环控制不占用网络带宽，但是在减少稳态误差，抗噪声、干扰和减少 系统对参数变化的灵敏性方面逊色一些。开环控制的缺点在存在不确定的环境下是显而易 见的。闭环控制在稳定性方面虽有很好的表现，但是需要占用大的带宽。 n a i r e t a l 研究了无限维随时间变化的离散的、初始条件未知的系统问题【4 。控制器通 过网络来控制被控对象。传感器到控制执行器之间发送信息需要用一组特定的有限维符 号。传感器提供一个编码器，在每个采样周期内传递信息给控制器执行器。传递过程忽略 信息到达目标的时间，并且假设数据不丢失，使得满足初始条件的概率密度函数中，在第 m 个输出时刻，当且仅当编码器和控制器满足某些初始条件和一些动态系统常数时，被控 9 浙江工业大学硕士学位论文 对象是渐近稳定的。 e l i ae t 以【4 2 】为一个l t i 离散系统设计了一个离散控制器和数据评估方案，得出运行在 离散周期和状态离散值中的一个最优化的控制器和状态评估。系统在网络中运行需要更简 单的离散化和更小的带宽，使用文献【4 1 】的方法，通过解决一个特殊的l q r 问题，使被控 对象二次稳定。它的原理是使用固定采样周期，连续作用到l t i 被控对象，则最佳的采样 周期是不稳定系统特征值和的函数。f r a n c i se ta 1 进一步研究这种方法，在综合采样周期和 编码器的最优化方面取得了一些成就【4 3 】。而r e h b i n d e re ta 1 证明了最快启动的系统需要更 多的网络带宽资源，基于相同的思想，l i nx i a oe t 以f 4 5 】研究字长、输出比率、控制器增 益的最优化，a s m a t v e e ve t 以1 提出多种通过网络的传递方案，分析转换时间和状态估 计的最优化设计。设计的一个被白噪声干扰而变得混乱的离散时间检测系统，检测结果通 过不规则传输时间的通信电路传输给控制器，不同的检测信号产生独立延迟或者不按目标 到达评估器，评估器可以自动控制连接到传感器，然后得出最小方差状态估计和最佳传感 器数据交换方案。基本上状态评估器可以连接到一个被控对象输出的限制队列中，并且处 理最佳估计被控对象状态的不确定的延迟。 b a u e re t 以【4 7 】在网络上用随机延迟分析问题。其中提出在离散结构中用s m i t h 预测器 来消除网络引起的延迟。预测器是放在控制器之前，用来从传感器传递延迟信息并且使它 可以到达控制器。文中采用直观的思想，即利用被控对象动态系统的有关知识，解决在没 有损害网络控制系统性能的前提下网络所必须达到的服务质量问题。 w a l s h l 4 8 】提出了用于动态规划和一个零状态保持控制器的输入的协议，给出最大允许 的从传感器到控制器传输信息的传输时间间隔的概念，即m a t i ，为此时间间隔的上界。 控制器的设计没有考虑适合网络的特点，如果m a t i 太大并且网络太慢的话可导致系统的 稳定性降低。同时也提出了一个动态规划：尝试一次限制( t o d ) 协议。在t o d 协议中， 每一个传感器有一个传输优先权，它是均衡最后数据发送和实际测量值之间误差的。有最 大误差的传感器将被给予传输最大优先权。另外，如果一个传感器被争夺而拒绝访问网络， 那么它将在尝试在下一次传输之前舍弃这个数据包，并且用新的数据建立一个新的数据 包。结果是扩大了非线性被控对象。 文献 5 0 】扩大了【4 8 】中得出的结果，包括一个状态预测，l t i 系统，和在更新中的状态 估计。定义了两种状态预测类型：一种是称为开环预测的，它是主要的被控对象模型，这 个模型被一个可以逆向传输的，在被控对象输出中得到的状态向量进行更新。换句话说， 在模型动态系统中不存在不确定性，并且它们极其满足被控对象动态系统，当模型的状态 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 被更新，它可以提供带有被控对象状态向量评估的控制器。第二个预测叫做闭环预测，它 和l u n e n b u r g 检测结构相同。它接收到被控对象的输出信息并且试图在传输中恢复对被控 对象的输出，这个输出被反馈给控制器。为了集中检测，闭环检测需要网络速度非常快， 由网络控制系统设计的稳定性给出充分条件，它用被控对象的近似模型的思想。文 4 5 1 中 的结果和这里提出的想法的主要不同是不能假设有完整的被控对象的信息，因此，被控对 象中允许有一些不确定性。这个网络控制系统的特别的结构叙述了充要条件，这个条件与 【5 0 中的相比变得更为灵活和便于检查。 i s h i i 和f r a n c i s 5 1 】为带有输出反馈的系统扩大了它们的d w e l l 时间控制器【4 3 】。在d w e l l 时间控制器设计中，被控对象的输出被反馈给一个状态检测【5 2 1 。状态估计是离散的，用一 个对数划分的状态空间。离散值通过网络被发送给控制器执行器。在解码信息后，控制器 将申请一个常数输入给符合离散状态标准值的被控对象。对数划分是粗略的，因为对于原 点来说状态距离更大并且状态越接近原点越好。这看起来是合理的，因为当状态接近原点 的时候状态的良好的控制状态更加有作用。对数划分导致了重叠，因此系统可以通过传感 器允许一些噪音的产生。 2 2 问题的提出和基本原理 众所周知，在网络控制系统中的通讯网络中减少带宽是必要的，也成为一个主要关注 的问题。可以通过两种方法解决：第一种，通过在传感器和控制器执行器之间尽可能少 地传输信息；第二种，通过压缩和减少每一次传输的数据。 事实上，在工业中应用和主流的网络，包括c a n 总线，p r o f i b u s ，f i e l d b u s f o u n d a t i o n 和e t h e r n e t 以及其他一些，每一个的协议和标准都有各自的特征，例如网络竞争解决或调 度方案，传输媒介等等。他们所共有的特征是很短的传输时间和大的网络开销( 网络控制 信息在数据包内) 。这就意味着在提高系统总体性能上通过减少数据大小来达到数据的压 缩的目的只有很小的效果。因此在减少传输数据包的数量比数据压缩更有优势。减少传输 数据包向网络发送的数量可以达到在元器