（电力系统及其自动化专业论文）基于新型smith预估器的网络控制系统研究.pdf

第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 于模型不准确所造成的估计误差避免了对网络延迟进行辨识时，所需耗费 大量节点存贮资源的浪费同时，还避免了由于网络延迟造成的空采样或多 采样带来的补偿误差； ( 5 ) 基于智能节点，既可以在控制器和被控对象端实施，也可以单独在 被控对象端实施改变了传统s m i t h 预估器通常只在控制器端实施的单一 选择方案，为新型s m i t h 预估器的工程实施提供了灵活的选择； ( 6 ) 仿真研究表明：新型s m i t h 预估补偿控制方案，在网络延迟是随 机、时变和不确定，大于数个乃至数十个采样周期，同时网络存在一定量的 数据包丢失，预估模型与被控对象真实模型及参数存在较大误差或不匹配 时，系统具有较强的鲁棒性，良好的动态性和抗干扰能力因而，补偿控制 方案是有效的 关键词：有线( 无线) 网络控制系统；多回路网络控制系统；异构网络控 制系统；混杂网络控制系统；s m i t h 预估器；网络延迟；数据包丢失；稳定 性 西南交通大学博士研究生学位论文第1 fi 页 a b s t r a c t i nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) ，u n d e t e r m i n e dn e t w o r kd e l a y sa l w a y s e x i s ti nt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns e n s o ra n dc o n t r o l l e r , c o n t r o l l e ra n d a c t u a t o r t h ed e l a y so ns i z ea n dp r o p e r t yc o n n e c tw i t hn e t w o r ks y s t e r ns t r u c t u r e ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dn e t w o r kl o a d ，a n dt h e ni tt e n dt ob er a n d o m ，t i m e v a r y i n ga n du n c e r t a i n t h ed e l a yc a nc a u s es i g n i f i c a n td e t e r i o r a t i o no fs y s t e m p e r f o r m a n c e e v e nm a k et h es y s t e mu n s t a b l e t h e r e f o r e ，i ti se s p e c i a li m p o r t a n t t oa n a l y z ea n dr e s e a r c hn e t w o r kd e l a y s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st w on o v e lm e t h o d so fp r e d i c t i o nc o m p e n s a t i o n b a s e do nc l a s s i c a ls m i t hp r e d i c t o rp r i n c i p l e f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o d sa r e e x t e n d e dt h r o u g ht os o m er e s e a r c hf i e l d s ，w h i c hi n c l u d ew i r e d ( w i r e l e s s ) n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，w i r e d ( w i r e l e s s ) m u l t i l o o p n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，w i r e d ( w i r e l e s s ) h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa n dh y b r i d n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s t h en e ws m i t hp r e d i c t o r sa r ea p p l i c a b l et os c o p e s t h a tn e t w o r kd e l a y sa r er a n d o m ，t i m ev a r y i n ga n du n c e r t a i n ，a n dl a r g e rt h a no n e ， e v e nt e n so fs a m p l i n gp e r i o d s ，s i m u l t a n e i t yt h e r ea r ed a t ap a c k e td r o p o u t si nt h e l o o p s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o v e ls m i t hp r e d i c t o r sa r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e y r e a l i z ed o u b l es m i t hd y n a m i cp r e d i c t i o nc o m p e n s a t i o nc o n t r o l so n s t r u c t u r ef o rd e l a y so fn e t w o r ka n dc o n t r o l l e dp l a n t t h en o v e ls m i t hp r e d i c t o r s a r es i m p l eo ns t r u c t u r e ，a n dt h e ya r ee a s yf o ra c t u a l i z a t i o nb a s e do ni n t e l l i g e n t n o d e s t h e r e f o r e ，t h e yh a v ew i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t so f t h ee n g i n e e r i n g ( 2 ) t h ef o r w a r dd e l a y so fn e t w o r ka n dc o n t r o l l e dp l a n ta r er e m o v e df r o m t h ec l o s e dl o o pa n da p p e a ra sg a i nb l o c k sb e f o r et h eo u t p u t ，a n dt h et i m e v a r i a n t u n c e r t a i nd e l a yi nt h er e t u mp a t hi st o t a l l ye l i m i n a t e df r o mt h es y s t e m f u r t h e r , i t c a nc a n c e le f f e c t so fd e l a y so fn e t w o r ka n dc o n t r o l l e dp l a n tf o rs y s t e ms t a b i l i t y i nt h ec l o s e dl o o p ，a n de n h a n c ec o n t r o lp e r f o r m a n c eq u a l i t yo fe n t i r es y s t e m ( 3 ) b e c a u s et h ed e l a y so nt h er e t u mp a t hc a nt o t a l l yb ee l i m i n a t e d ，t h e r e f o r e t h et r a f f i co nt h er e t u r np a t hd o e sn o tn e e dt ob es c h e d u l e d ，a n dt h eo u t p u ts i g n a l o fs e n s o lw h e n e v e rp o s s i b l e ，c a nb et r a n s m i t t e db a c kt or e m o t ec o n t r o l l e rn o d e o nl i n e o nt h eo n eh a n d ，t h i sa l l o w su t i l i z i n gt h ec a p a c i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n c h a n n e lm o r ee f f e c t i v e l yt h a ns t a t i co rd y n a m i cs c h e d u l i n gc o u l d o nt h eo t h e r 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 h a n d ，i n c r e a s e ss y s t e mr o b u s t n e s sw h e nt h e r ea r ed a t ap a c k e td r o p o u t so nt h e r e t u r np a t ho ft h en c s ( 4 ) t h en o v e ls m i t hp r e d i c t o r sa r et h er e a l - t i m e ，o n l i n ea n dd y n a m i c p r e d i c t o r s a n dt h e yd on o ti n c l u d em o d e l so fa 1 1n e t w o r kd e l a y so na c t u a l i z a t i o n b e c a u s ei n f o r m a t i o nf l o wg o e st h r o u g ht r u en e t w o r kd e l a y so fc o n t r o lp r o c e s s ， t h e r e f o r en e t w o r kd e l a y sd on o tn e e dt ob em e a s u r e d ，i d e n t i f i e do re s t i m a t e do n l i n e a sac o n s e q u e n c e i tr e d u c e sr e q u i r e m e n to fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n f u r t h e r m o r e i ta v o i d se s t i m a t ee r r o r sw h i c ha r eb r o u g h td u et oi n a c c u r a t em o d e l ， a n da v o i d sn o d em e m o r yr e s o u r c e st ob ew a s t e dw h e nn e t w o r kd e l a y sa r e i d e n t i f i e d s i m u l t a n e i t y , i ta v o i d sc o m p e n s a t i o ne r r o r s ，w h i c ha r eb r o u g h tb y n e t w o r kd e l a y so w i n gt ov a c a n c y s a m p l i n ga n dm u l t i s a m p l i n g ( 5 ) t h en o v e ls m i t hp r e d i c t o r sc a nb ei m p l e m e n t e db o t hc o n t r o l l e ra n d c o n t r o l l e dp l a n ts i d e so ft h en e t w o r k ，o rs o l e l yc a na l s ob ei n s t a l l e da tt h e c o n t r o l l e dp l a n ts i d eo ft h en e t w o r k t h et r a d i t i o ns c h e m e ，w h i c hi so n l y i m p l e m e n t e di nc o n t r o l l e rs i d eo ft h en e t w o r k ，i sc h a n g e d t h u s ，i to f f e r s a f l e x i b l ec h o i c ef o ri m p l e m e n t i n gn o v e ls m i t hp r e d i c t o r si ne n g i n e e r i n g ( 6 ) t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a ts y s t e r n s ，b a s e do nn o v e ls m i t h p r e d i c t o r s ，h a v es t r o n g e rr o b u s t n e s s ，d e s i r a b l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d a n t i - ja m m i n ga b i l i t y , w h e nn e t w o r kd e l a y s a r er a n d o m ，t i m e - v a r i a n ta n d u n c e r t a i n ，a n dp o s s i b l yl a r g ec o m p a r e dt oo n e ，e v e nt e n ss a m p l i n gp e r i o d s ，a n d m o d e l so fp r e d i c t o ra n dt r u ec o n t r o l l e d p l a n t a r eu n m a t c h e d ，o rm o d e l p a r a m e t e r sh a v eb i g g e re r r o r s ，a tt h es a m et i m et h e r ea r ed a t ap a c k e td r o p o u t si n t h e1 0 0 p s t h e r e f o r e t h en e wc o n t r 0 1s c h e m e so fc o m p e n s a t i o na r ee f f e c t i v e k e yw o r d s ：w i r e d ( w i r e l e s s ) n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ；m u l t i l o o p n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ；h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ；h y b r i d n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ；s m i t hp r e d i c t o r ；n e t w o r kd e l a y ；d a t ap a c k e td r o p o u t ； s t a b i l i t y 西南交通大学 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西南交通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 、不保密囹，适用本授权书 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 杠辞 i 指导教师签名： 体咖苇 i 日期：p9 年6 月2 弓日日期：矿夕年占月，3e l 西南交通大学囱陶父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人 和集体，均已在文中作了明确的说明本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担 本学位论文的主要创新点如下： 1 、新型s m i t h 预估器从结构上实现了对网络时延和被控对象纯滞后的双 重s m i t h 动态预估补偿控制，其控制结构极为简单由于网络控制系 统的节点几乎都是智能节点，预估器是极易实现的，因而具有广泛的 工程应用前景详细内容参见第3 章，第5 章和第7 章； 2 、新型s m i t h 预估器的实现模型中不再包含所有网络时延的预估模型 无需对网络时延进行测量、估计或辨识，解决了目前国内外学者对 s m i t h 预估器中网络时延“测不准”的难题降低了对节点时钟信号 同步的要求；避免了对时延估计时产生的误差；避免了时延辨识耗费 的节点资源的浪费；同时还避免了网络时延造成的“空采样 或“多 采样”带来的补偿误差详细内容参见第3 章，第5 章和第7 章； 3 、新型s m i t h 预估器，既可在控制器和被控对象端实施，也可以单独在 被控对象端实施，并能推广到有线( 无线) 多回路复杂网络控制系 统的研究与应用中改变了传统s r f f l t h 预估器通常只在控制器端实施 的单一选择方案，为各种先进控制策略在远程复杂网络环境中的应用 提供了一定的理论研究基础，并为工程实施提供了灵活的选择，具有 重要的理论研究与工程实际应用价值详细内容参见第3 章至第8 章 学位论文作者签名：枷肆 日期： o 争年6 月2 弓日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 随着控制、网络及通信技术的发展与相互渗透，控制系统的结构越来越 复杂，空间分布越来越广泛，对系统控制性能的要求越来越严格【l 】【2 】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 ) ，又称为综合通讯与控制系 统( 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 ，i c c s ) ，最早于19 9 8 年出 现在马里兰大学w a l s h 【j j 的论著中，当时只用图示方法说明了n c s 结构 于之训等使用了“网络控制系统”这一术语【4 】，顾洪军给出了明确的 定义【5 j ，戴冠中等提出“网络化系统”的概念【6 1 ，h a l e v i 和r a y 提出了 n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 【r ，j ，说明它是借助实时通信网络构成闭环的反 馈控制系统m u r r y 和a s t r o m 等【8 j 根据控制在通讯网络领域所发挥的 作用与特点，将网络控制大致分为基于网络的控制与对网络的控制，有很多 文献将其称为网络控制系统p q 如今，网络环境下的新型控制系统得到 迅速发展，越来越多地应用于复杂工业控制领域，如d c 控制系统、兵器系 统、机器人遥操作、现场总线和工业e t h e m e t 远程控制、远程医疗、远程 教学和试验、建筑自动化、家庭自动化、智能汽车系统、航空及航天、移动 传感器网络等【l 卜1 6 j 同传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具有可实现复杂大系统 和远程控制，可实现资源共享，较高的诊断能力，交互性好，同时增加了系 统柔性和可靠性，安装维护方便等诸多的优点此外，通过采用无线传感器 网络等无线网络技术，可实现广泛分布的传感器与远距离的控制器和执行 器构成一些具有特殊用途的无线网络控制系统( w i r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，w n c s ) ，这是传统控制系统所不能实现的然而，网络给控制系 统带来各种优点的同时，也使系统的分析和设计变得异常复杂在网络控制 系统中，传感器以异步的方式将信息传输到网络上，控制器接受并对数据进 行处理，然后将其通过网络发送到执行器数据包的传输可能经历时变延迟， 甚至数据丢失通讯链接也可能被切断或被阻塞，并且其通讯能力及资源也 十分有限网络时延的存在严重影响系统的稳定性，甚至造成系统不稳定， 同时恶化系统的性能质量( q o p ) 和网络服务质量( q o s ) 所有这些因素 都迫切需要发展与网络控制系统相适应的分析方法和设计理论，在当前网 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 络控制系统的应用先于理论形成的情况下，对网络控制系统理论的研究是 刻不容缓的 当前，网络控制系统己成为国际控制领域的一个研究热点控制领域最 权威的i e e e 控制系统分会( c o n t r o ls y s t e m ss o c i e t y , c s s ) 所属的自动控 制杂志( i e e et r a n s a c t i o n so na u t o m a t i cc o n t r 0 1 ) ，在2 0 0 4 年9 月第一次出 版了网络控制系统专辑国际自动控制联合会的世界大会( i f a cw o r l d c o n g r e s s ) 和自动控制杂志( a u t o m a t i c a ) 、美国控制会议( a m e r i c a n c o n t r o lc o n f e r e n c e ，a c c ) ，i e e e 的控制与决策会议( c o n f e ：r e n c eo n c o n t r o la n dd e c i s i o n ，c d c ) 等各种国际控制领域中重要的学术期刊和会议 上。都有有关网络控制系统的专题及各种研讨会国内的自动化学报等 期刊和重要的学术会议，也有大量网络控制方面的研究报告 6 - 1 0 1 7 19 1 ， 国 内关于网络控制系统方面的专著也很多 2 0 2 4 】，这也从另一个侧面说明了 该领域的研究具有积极和重要的意义 网络控制系统的发展顺应了计算机、网络和控制技术融合的潮流，代表 了下一阶段信息革命的发展方向它的出现将大力促进控制理论与技术的 发展，在实践上将能解决复杂大系统控制和远程实时控制中遇到的技术难 题：在理论上可以促进控制、计算机、微电子和通讯技术等多门学科的交叉 渗透，使控制理论和技术进入一个崭新的阶段随着对网络控制系统研究的 不断深入，必将对我国能源、交通、环境保护、航空航天事业、工业自动化 及军事现代化和信息化的建设与发展产生积极的推动作用和深远的影响 1 2 网络控制系统的基本问题 虽然对网络控制系统的研究已经取得了一些成果，但到目前为止，还没 有形成一套成熟与完整的理论与方法体系由于网络控制系统本身所具有 的网络时延、数据包的时序错乱以及数据包丢失等特点，使得传统的控制理 论在网络控制系统中无法使用要研究网络控制系统就必须发展与网络控 制系统相适应的控制理论与方法，而要发展与网络控制系统相适应的控制 理论与方法就必须研究网络控制系统中的一些基本问题 1 ) 通信协议 在网络控制系统中，通信网络主要是控制网络与i n t e m e t 的集成控 制网络主要由工业以太网、现场总线或两者结合组成按网络类型和媒体访 问控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 方式划分，控制网络主要有随机访 问( r a n d o ma c c e s s ) 和轮询服务( p o l l i n gs e r v i c e ) 两大类在随机访问 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 网络中，节点间的通信采用载波监听多路访问c s m a ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s ) 协议例如，以太网( e t h e r n e t ) 采用符合i e e e8 0 2 3 标 准的带有冲突检测的载波监听多路访问协议c s m a c d ( c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) ，无线以太网( e t h e r n e t ) 采用符合i e e e8 0 2 1 lb g ( w l a n ) 标准的带有冲突检测的载波监听多路访问协议c s m a c d ( c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) ，无线传感器采用符合i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 标准的网络 c a nb u s ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 协议，采用带有信息优先级仲裁的载波 监听多路访问协议c s m a a m p ( 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 ) 在轮询 服务网络中，网络节点间的通信通常采用令牌传递t p ( t o k e np a s s i n g ) 方 式，如令牌总线( i e e e8 0 2 4 ) 标准和令牌环网( i e e e8 0 2 5 标准) 采用 令牌方式的主要是c o n t r o l n e t ，用于过程控制的现场总线p r o f i b u s 、用于工 厂设备连接的现场总线f i p 和p n e t 等 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、节点传输信号的优先级等这些特性都 将直接影响整个系统的分析与设计，进而影响整个系统的控制性能 21 驱动方式 传感器、控制器与执行器的工作方式可以分为时间驱动和事件驱动时 间驱动是指网络节点定时对数据进行采样，而事件驱动是指网络节点在一 个特定的事件发生时立即开始工作在网络控制系统中，传感器一般采用时 间驱动，控制器和执行器则采用事件驱动 当控制器或执行器采用事件驱动时，具有以下优点： ( 1 ) 避免了采用时间驱动时的数据等待被采样时间，减少了网络时延； ( 2 ) 避免了采用时间驱动时与传感器时钟同步的困难； ( 3 ) 避免了采用时间驱动时容易出现的无效采样或丢包，提高了反馈数 据的利用率，降低了对网络通讯带宽的要求 但是，事件驱动相比于时间驱动也有缺点： ( 1 ) 事件驱动带来了随机采样和随机时延； ( 2 ) 事件驱动比时间驱动更难实现，通常需要网络通讯协议的支持 3 ) 时钟同步 当传感器为时间驱动，控制器或执行器也采用时间驱动时，则时间驱动 的节点间应保证时钟信号的同步时钟同步可分为硬件和软件同步两种方 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 式硬件同步一般是通过实际介质( 如传输导线) 传递同步时钟信号对 于分布在不同地理位置的各网络节点，硬件同步难于实现且造价高软件同 步一般是通过网络广播具有高优先级的同步时钟信号，软件同步是常用的 同步方式 4 ) 多率采样 多率采样是指控制系统中，两个或两个以上的采样器以不同的采样周期 进行采样由于网络控制系统具有节点分散化，控制回路复杂化和功能多样 化等特点多个传感器采用相同的采样周期进行采样，已不能满足系统功能 的需求，也不符合实际系统情况此外，采样器和保持器的采样周期越小， 系统得到的性能也越好，但a d 和d a 转换速度越快，其成本要求就越 高对于具有不同频率信号的系统，为了获得较好的性能，同时又节约硬件 成本，自然的解决方案是系统采用多采样率，即各子系统根据其功能需求采 用不同的采样率 5 ) 网络时延 在网络控制系统中，由于通信网络的存在，信息的传输要分时占用网络 通信线路，网络的承载能力和通信带宽有限，必然会造成信息的冲撞、重传 等现象的发生同时还由于采样、量化、编码与解码、等待传递的时间使得 控制系统的信息在网络传输时产生时延，这个时延称之为网络诱导时延时 延的存在将降低系统的控制性能，甚至引起系统不稳定，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，但在网络控 制系统中，可能存在多种不同性质的时延( 常数、有界、随机和时变等) ， 使得现有的方法一般不能直接应用【2 5 | 从控制的角度看，时延将使系统相位滞后，大大降低控制系统的性能质 量例如，使系统的上升时间增大、超调量增大、稳定时间变长等，甚至导 致系统不稳定即使系统仍然保持稳定，稳定区域也会显著减小从调度的 角度看，时延将使信息不能准时到达，丢失截止期，甚至产生多米诺效应 网络时延的存在还衍生两个基本问题： ( 1 ) 样本拒绝( 或多采样) ：当两个或多个传感器样本数据在同一采样 间隔内到达控制器时，那么至少要丢弃掉一个样本； ( 2 ) 空采样：在一个采样周期内，没有数据到达控制器或执行器，那么 控制器或执行器将继续采用旧的采样数据 因此，如果在系统设计时不考虑这些因素，就达不到期望的控制要求 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 6 ) 单包与多包传输 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分组同 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分组传 送采用多包传输是由于数据分组大小的限制，报文分组交换网络在一个数 据中只能携带有限的数据，这就使得数据不得不分成多个包进行传输另外， 在网络控制系统中，传感器。控制器和执行器分布在较大的物理区域，不可 能将数据放入一个包中多个数据包传输时，由于节点冲突、网络拥塞、连 接中断和多路径传输机制等原因，多个数据包不可能同时到达这将增加接 收端数据处理时间，从而间接增加网络诱导时延不同的网络适合于不同类 型的传输方式，如e t h e r n e t 采用单包传输，而d e v i c e n e t 则采用多包传输 由于数据包传输方式的不同，系统分析与设计的方法将有所不同 2 6 2 7 1 7 ) 时序错乱 在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备，且路径非唯 一，这必然会导致数据包的时序错乱问题在网络控制系统中，单包传输时， 数据包时序错乱是指各个数据包到达接收端的顺序与发送时的顺序不同 多包传输时，数据包时序错乱是指一个完整的数据被封装成多个数据包传 输，多个数据包到达接收端的顺序与发送时的顺序不同节点冲突、网络拥 塞、连接中断和多路径传输机制等因素，是造成数据包时序错乱的主要原因 时序错乱的结果将导致数据传输率降低，间接增加网络诱导时延 8 ) 数据丢包 在网络控制系统中，数据包的丢失可划分为两类：主动丢包和被动丢包 主动丢包是指在一些网络的拥塞控制算法里，有时采用有目的丢掉一部分 数据包来防止网络阻塞，这些数据包往往是一些非实时数据所谓被动丢包 是指当数据包超过了允许重发的时限而发生的丢包丢包对系统的性能是 一柄双刃剑：一方面，对于主动丢包而言，丢掉过时的信息，始终发送最新 的数据，不进行信息的重发，有利于最新信息的利用，保证信息的实时性 另一方面，被动丢包使数据和通讯的时延加剧一般而言，反馈控制的被控 对象只能容受一定比例的丢包，对于本来没有丢包的系统当丢包率达到一 定值时，系统将变得不稳定 2 8 - 3 1 j 9 ) 网络拥塞 当网络中存在过多的数据包时，超负荷工作的网络性能就会急剧下降， 这种现象称为网络拥塞( c o n g e s t i o n ) 拥塞导致的直接后果是数据包丢失 率增加，端到端的数据传输时延增大，严重时导致整个系统瘫痪拥塞的根 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 本原因是节点提供给通信网络的负载超过网络资源的容量和处理能力 在网络控制系统中，采用t o d ( t r y - o n c e d i s c a r d e d ) 数据传输技术， 可保证设备接收到数据是最新数据，待传输的数据在传输过程中只发送一次， 传输未成功便被丢弃，从而大大降低网络拥塞发生的概率 1 0 ) 网络调度 在网络控制系统中，调度是指系统节点在共享网络中发送数据出现碰 撞时，规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔网络调度的目的是 尽量避免冲突和拥塞现象的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失率 例如，当多个传感器通过共享网络传输数据发生冲突时，网络调度规定各个 传感器访问网络的优先次序、发送时刻和发送时间间隔，使整个系统达到预 期的性能指标 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( s t a t i cs c h e d u l i n g ) 和动态调度( d y n a m i c s c h e d u l i n g ) 在静态调度( 又称离线调度) 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如r m ( r a t e m o n o t o n i c ) 及其衍生算法属于静态调度法静态调度法是缺省的调度算法， 在任务执行之前就已经确定了各个任务的优先级，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 ( 又称在线调度) 是在网络控制系统运行中，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如 e d f ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 是最优的动态调度算法t o d 技术与优先 级控制技术相结合，可以实现动态的调度策略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【j 2 j 1 3网络控制系统的研究现状 近年来随着现场总线控制技术、工业以太网技术的成熟应用和性能价格 比的不断提高，网络控制系统以其资源共享、系统分布控制、硬件连线较少、 造价低、维护方便等优势，迅速应用于电力、交通、机器人、航空航天等各 种系统和远程控制领域由于反馈控制回路中通信网络的存在，使得传统的 控制理论必须重新评估后才能应用到网络控制系统中传统控制理论的理 想假设条件，如同步控制、信号传输无时延等，已不再适用于网络控制系统 在网络控制系统中，控制器和远地控制对象的传感器和执行器等设备间通 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 过网络进行信息交换时，由于源自多个设备的信息流量变化不规则，信息多 包传输、多路径传输、数据包碰撞、网络拥塞、数据包时序错乱、丢失、重 传、网络连接中断等原因，导致信息传输延迟是不可避免的这种由网络引 起的时延根据控制网络的不同，可能是恒定、时变、甚至是随机不确定的时 延会降低系统的性能，使系统的稳定范围变窄，甚至使系统不稳定时延对 控制系统的性能有重大影响，在网络控制系统的分析与设计中是不可忽略 的重要因素 网络控制系统的研究既可从网络通信的角度出发，又可从控制的角度 出发，同时还可从网络通信与控制相结合的角度进行综合的研究下面就网 络控制系统的分析与研究方法作简要的综述 1 ) 队列分析法 队列方法最早是由l u c k 和r a y 在文献 3 6 中提出，该方法基于确定 性状态估计和线性状态反馈，可看作是基于确定性预报器的时延补偿方法 其实现是在传感器和控制器发送端分别设置队列型缓冲区，保证传感器信 息和控制器信息能按照产生时间的先后顺序依次到达接收端利用队列型 缓冲区的“先入先出的特点，将随机时变时延转换为确定性时延，从而 将随机时延系统转化为确定性系统，使得系统的控制变得简单但由于观测 器和预报器的性能在很大程度上取决于模型的精确性，同时队列的使用将 所有时延转化成最大时延，人为扩大时延，因而获得的控制性能是保守的 c h a n 针对具有随机时延的网络控制系统，提出了另一种队列方法d 7 ， 用队列和一个概率预报器来进行时延补偿所用的概率预报器是两个均方 意义上的最佳预报器的线性组合，其权矩阵根据已知的时延数据出现的概 率计算得到和l u c k 和r a y 的队列法相比，c h a n 所提出的这种方法提 高了系统预报的性能，但队列仍然引入了额外的时延，并且该方法只是一种 时延补偿的方法，它的稳定性还需结合具体的控制律来分析c l 多 b ，该方法 只考虑了传感器到控制器之间的时延，并对其进行了补偿由于队列引入了 额外的不确定时延，因此队列方法不适用于采用轮流访问网络的控制系统 2 ) 建模分析法 n c s 的模型是分析和解决网络控制实际应用的前提【3 引w 反z h a n g ， w a l s h 及r a y 等人在n c s 的建模问题上做了大量的工作根据实际的需 要，通常情况下，模型中的被控对象为连续的时间模型而控制器为离散的时 间模型根据执行器工作方式的不同( 时间驱动和事件驱动) ，可得到被 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 控对象的两种离散时间模型【3 9 1 如果传感器采用时间驱动而控制器和执 行器采用事件驱动，得到被控对象的离散时间模型为【4 0 】 p ? 一r o 心盯( 1 - 1 ) 【y k = 吼 式中，巾= e x p ( a t ) ；f o = ie x p ( a s ) d s b ；f l = ie x p ( a s ) d s b 6r 二f 如果既考虑网络中信息的传输延迟，又考虑数据包丢失，这样的模型显 得更加符合实际基于这种考虑，文献 4 1 】给出下面几种模型假设n c s 中的被控对象为线性时不变系统，具有延迟的连续系统可以表示为 j 戈22 么z o ) + b u ( 、t f ) + y o ) ( 1 - 2 ) i 少( f ) = c x ( t ) + w ( t ) 式中，y ( f ) 与w ( t ) 互为不相关的零均值白噪声式( 1 一1 ) 的离散状态方程为 j x k + l ，盯一r l - l 叱( 1 - 3 ) l 儿= 魄+ 比 其中，r 。，r 。同式( 1 1 ) ， 假设延迟k 和k 可以被相加当成来处理，离散动态控制器结 构形式为 p 卸”? t ( 1 - 4 ) - a i , ii， i u t = h ) 7 k + 饥 、。 假设延迟小于一个采样周期，则n c s 模型为 ( 1 ) 单包传输时n c s 模型【l l 】 z k + l = 乙+ f e k( 1 - 5 ) = + 孑f o 肥f 丢o i l 专 ，r = ，气= 1 ： ( 2 ) 单包传输且有数据丢失时n c s 模型 4 1 1 ，j一 兢班玩 。l l i 中 缸 式 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 数据包丢失情况可用开关的闭合( 断开) 来描述 包含y 。的数据包在网上丢失，即儿= y ，此时n c s 气+ l = 气+ f e k 当开关断开时表示 的模型为 ( 1 - 6 ) 式中， 气= x 女仇y 女蚝一l 卜 ( 3 ) 多包传输时n c s 模型 4 1 1 在多包传输的网络控制系统中，假设传感器按如下的次序向网络发送数 据包：s l 一是- 墨最一5 1 一是，当开关在s ( i = l ，2 ，z ) ，表示包含以 数据包在网上传输 记y 。= iy ：y ：y ：1 1 表示传感器待发送的数据包，而 死= ly k 儿- - 2 联1 1 表示已传送到控制器的数据包，当开关打在时： - - y 。1 = y ：，霄= y ；，寅= y ：，咒= ) ，：表示包含) ，：的数据包在 儿2 ：- l ，嘶= 少；- l ，残2 ：_ l ，以2y ：衣不7 巴，音联削鳅惦7 巴仕 网匕传输 则当开关打在s 。时，可得n c s 的模型为 乙+ l = 气+ f e k( 1 - 7 ) 式中， z t = 仇 y k 一l ： = 中r o h qf 昂眉 0 【o j i t go 最只 j心 ：f = i1 0o c 1，1 o o h 心3 【- 比j 。 分块阵【p o # 只 的第一行块为分块阵 c c f 。c r 。c r l 的第一行块，其他元素全为0 ( 4 ) 多包传输有数据包丢失时n c s的模型 当开关打在邑，准备在网络中传输数据包y ：，而y ：包丢失，此时 y k = 瓦- l n c s 模型为 式中 = i o h qf o0