（控制科学与工程专业论文）磁浮列车网络化悬浮控制技术研究.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 磁浮列车悬浮系统传感器的电磁环境恶劣，很容易对模拟信号的传输产生干 扰。把网络控制系统应用到悬浮控制系统的设计中，实现控制反馈回路信号的数 字化传输，可以有效地规避电磁干扰对信号传输造成的影响。另外，悬浮模块内 部和相邻模块之间还可以通过网络共享系统的状态信息，有利于实现模块的稳定 控制，有利于设计可靠性更高的系统。考虑网络化悬浮控制系统的安全性和可靠 性会直接影响到磁浮列车的安全稳定运行，因此对其进行故障诊断和容错控制技 术的研究对于实现磁浮列车的商业化运行具有重要意义。 本文以国防科技大学研制的磁悬浮实验小车为基础，以工程应用为背景，以 网络化悬浮控制系统设计实现的探讨为目的，分析、设计和实现了基于网络的悬 浮控制系统，并研究了在网络化悬浮控制的条件下，针对系统传感器的故障诊断 以及主动容错控制设计方法，具体研究内容如下： l 、首先讨论悬浮系统的网络控制问题。把网络看做控制闭环的一部分，探讨 了网络存在下的磁悬浮系统连续模型建立问题。模型表明，该系统是一个随着网 络诱导延时大小的改变而阶次和参数不断变化的模型，现有的数学工具难以对此 类系统进行分析和设计。把网络看做被控对象的一部分，建立了网络化悬浮控制 系统的离散模型，考虑网络诱导延时是导致系统设计难度增大和性能恶化的最主 要因素，因此研究了基于模型预测校正的网络随机诱导延时补偿算法，以补偿网 络延时的影响，仿真和实验表明了该算法的有效性。 2 、针对网络化悬浮控制系统可能发生的传感器故障，在考虑网络存在不确定 性的情况下，应用滑模故障滤波器设计了考虑网络随机诱导延时的传感器故障诊 断算法，设计了基于切换的主动容错控制器，仿真结果表明了算法的有效性。 3 、设计基于d s p 和c a n 总线的网络悬浮控制板和传感器数据采集板，搭建 了网络悬浮控制系统的硬件平台，编写了悬浮控制程序，最终实现磁悬浮实验小 车的单点和模块悬浮，验证了算法的有效性。 关键字：磁浮列车网络控制滑模故障滤波器网络控制观测器主动容 错控制网络诱导延时 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 es e n s o r se l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti ns u s p e n s i o nc o n t r o lo fm a g n e t i c l e v i t a t i o n ( m a g l e v ，s h o r t l y ) t r a i ni sq u i t eb a d ， w h i c hm a yi n t e r f e r et h ea n a l o g f e e d b a c ks i g n a l st r a n s m i s s i o ns h a r p l y a p p l y i n gn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ， s h o r t l y ) t ot h es u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m w h i c hr e a l i z et h ed i g i t a lt r a n s m i s s i o no ft h e c o n t r o lf e e d b a c k l o o p st h r o u g hn e t w o r k c o u l da v o i dt h ee l e c t r o m a g n e t i c r a d i a l i z a t i o n si n t e r f e r e rt ot h et r a n s m i s s i o no fs i g n a l s i na d d i t i o n , d i f f e r e n ts u s p e n s i o n n o d ei nt h es a m en e t w o r kc o u l ds h a r et h es y s t e m ss t a t e s s oi tc o u l db ep o s s i b l et o d e s i g ns p e c i a lc o n t r o ll a w st or e a l i z eb e t t e rs t e a d yc o n t r 0 1 a l s o ，i ti sp o s s i b l et od e s i g n m o r es t r o n g e r , m o r er e l i a b l ec o n t r o ls y s t e m t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e n e t w o r k e ds u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e md i r e c t l yi n f l u e n c et h es t e a d yo p e r a t i o no ft h e m a g l e vt r a i n ，s ot h es t u d i e so nf a u l td i a g n o s i sa n df a u l tt o l e r a n tc o n t r o lb e n e f i tr e a l i z i n g t h em a g l e vt r a i n sb u s i n e s so p e r a t i o n b a s e do nt h ee x p e r i m e n tm a g l e vw a i nm o d e lw h i c hi sc o n s t r u c t e db yn u d t a i m i n ga tt h ef o r e l a n dd i s c u s s i o no nn e t w o r k e ds u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e r a n a l y s e s ，d e s i g n e da n dc a r d e do u ts u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do nn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a n di ta l s od i s c u s s e dt h em e a s u r e sa i m i n ga tt h e s e n s o r sf a u l td i a g n o s i sa n da c t i v ef a u l tt o l e r a n tc o n t r o lu n d e rt h ec o n d i t i o no f s u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do nn e t w o r k e dc o n t r 0 1 1 t l l em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h en e t w o r k e ds u s p e n s i o nc o n t r o ls y s e mi s c o n s t r u c t e df h s t a s s u m i n gt h en e t w o r ka so n ep a r to ft h ec l o s el o o pc o n t r 0 1 t h e e s t a b l i s h m e n to ft h ec o n t i n u o u sm o d e lo ft h es u s p e n s i o ns y s t e mi sd i s c u s s e dw h e n n e t w o r ke x i s t s t l l em o d e ld e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mi sam o d e lw h o s eo r d e r sa n d p a r a m e t e r sv a r yw i t ht h em a g n i t u d eo ft h en e t w o r ki n d u c e dt i m e - d c l a y a n a l y s i sa n d d e s i g no ft h i sk i n do fs y s t e mc a nh a r d l yb ec a r d e do u tb yu s i n gt h ee x i s t i n gm a t h e m a t i c t o o l s t h e nt r e a t i n gt h en e t w o r ka sap a r to ft h eo b i e c t , ad i s e r e t em o d e lo ft h e n e t w o r k e ds u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d n e t w o r ki n d u c e dt i m e i d e l a y i st h em a i nf a c t o rw h i c hm a k e st h ed e s i g no fs y s t e m c o n t r o ll o wd i f f i c u l t b a s e do n m o d e lp r e d i c t i v ee m e n d a t i o n , t h es t u d i e so fc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m sa g a i nn e t w o r k e d r a n d o mi n d u c e dt i m e d e l a yc a nc o m p e n s a t et h ei m p a c to ft h en e t w o r k e dt i m e d e l a y s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t ss u g g e s tt h a tt h ea l g o r i t h mi se f f e c t i v e 2 f a u l t sc a nh a p p e ni na n ys y s t e m sw i t hn oe x c e p t i o no ft h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m w h e nc o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i n t yi nt h en e t w o r k , a p p l y i n gt h es l i d i n gm o d e f a u l tf i l t e r , as e n s o rf a u l td i a g n o s i sa l g o r i t h mi sc o n s t r u c t e dw i t hc o n s i d e r a t i o no ft h e r a n d o mi n d u c e dt i m ed e l a yi nt h en e t w o r k a c t i v ef a u l tt o l e r a n tc o n t r o lb a s e do ns w i t c h s t r a t e g yi sd e s i g n e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e l lp r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e a l g o r i t h m 3 n e t w o r k e ds u s p e n s i o nc o n t r o lb o a r da n ds e n s o rd a t aa c q u i r eb o a r di sd e s i g n e d b a s e do nt h ed s pc h i pa n dc a nb u s t h eh a r d w a r ep l a n to fn e t w o r k e ds u s p e n s i o n c o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，a n dt h e nt h es o f t w a r ei s c o m p i l e d b a s e do nt h e p l a n t f o r i n ，t h ea l g o r i t h mp u tf o r w a r di sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：m a g l e vt r a i n n e t w o r k e dc o n t r o l s l i d i n gm o d eo b s e r v e r n e t w o r k e dc o n t r o is y s t e mo b s e r v e ra c t i v ef a u l tt o l e r a n tc o n t r o i 第l i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1高速列车悬浮控制系统结构2 图2 1 传感器和控制器采用时间驱动工作方式图示1 6 图2 2 控制器和执行器采用事件驱动方式时的信号时序图1 7 图2 3 网络诱导延时示意图1 8 图2 4 网络控制系统端到端延时示意图1 9 图2 5 磁浮列车单点的网络化悬浮控制系统示意图2 0 图2 6 网络化悬浮控制系统连续模型示意图2 1 图2 7 网络化磁悬浮控制系统离散模型示意图2 6 图2 8 网络化悬浮控制系统控制器事件驱动时序图3 0 图3 1 磁浮列车整体结构3 3 图3 2 单点磁浮列车悬浮系统结构3 4 图3 3 网络诱导延时时序3 5 图3 4 延时补偿算法结构图示4 0 图3 5 系统中没有加入网络时的间隙变化4 0 图3 6 加入随机网络延时后间隙偏差的输出4 1 图3 7 与图3 6 同样延时跨度下的间隙偏差输出4 l 图3 8 采用网络诱导延时补偿算法后间隙偏差的输出4 2 图3 。9 网络延时补偿算法控制输出与原系统输出之差4 2 图4 1网络化悬浮控制系统结构示意图4 4 图4 2 网络化悬浮控制系统容错控制方案图示5 1 图4 3 存在系统干扰和延时诱导干扰下鲁棒故障滤波器的输出5 4 图4 4 加速度计故障情况下的残差输出5 4 图4 5 电流计故障情况下的残差输出5 5 图4 6 针对加速度计故障主动容错控制效果图5 6 图4 7 针对电流传感器故障主动容错控制效果图5 7 图5 1网络化悬浮控制系统模块示意图5 8 图5 2 网络数据采集控制器硬件结构6 0 图5 3 网络数据采集控制器主控d s p 电路图示6 1 图5 4 存储器i s 6 1 c 1 0 2 4 电路图6 l 图5 5 存储器译码电路6 2 图5 7c a n 总线收发电路图6 3 图5 8s j a l 0 0 0 与d s p 的接口译码电路6 4 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 网络数据采集控制板实物图6 5 智能传感器节点主程序流程图6 6 智能传感器节点中断程序流程图6 6 网络悬浮控制节点主程序流程图6 6 悬浮控制节点中断程序流程图6 6 系统无网络时的起浮过程间隙变化6 7 系统中有网络时系统起浮间隙变化6 7 有网络无延补偿系统起浮间隙变化6 8 状态经修正后的起浮间隙变化6 8 模块的网络化悬浮控制系统结构示意图。6 9 模块的网络悬浮控制系统实验曲线7 0 第i v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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。 学位论文题目：磁显列奎圜终丝悬翌控剑技盛盟究 学位论文作者签名： 龟 日期：彦卯曾年步月1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将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、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：壁显到主圆终丝墨翌控剑撞盔珏究 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：棚年少月f 日 日期：z o o ，年，2 月e t 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本论文的工作来源于湖南省自然科学基金电磁型磁悬浮列车故障诊断与容 错控制。本章首先提出了课题的背景和意义，之后详细介绍了网络控制系统和 容错控制系统的研究现状，由此得出论文的研究思路。最后还简要介绍了论文的 组成和主要内容。 1 1 课题的背景和意义 交通是人类生产、生活的基本要素之一。现代社会迅速发展，人们乘坐各种 交通工具远行的频率越来越高。进入二十一世纪后，随着绿色环保等生活理念的 涌现，人们在不断的追求更高速快捷的交通工具的同时，也对交通工具的安全性、 舒适性，低能耗、无污染等品质提出了更高的要求。磁浮列车是利用电磁力将列 车以给定的间隙无接触地悬浮于轨道上的新型有轨交通工具，具备速度快、零排 放、噪音小、安全舒适等突出的优点，作为新世纪最有前途的公共交通系统之一， 受到了世人高度的关注。目前，德引1 捌、日本【4 j 、中国 5 - 8 1 等国家纷纷展开了磁浮 列车技术的研究，世界上第一条商业化的磁浮列车运行线路已经在中国上海投入 了运营。 在磁浮列车中，悬浮控制系统是列车最核心的组成部分，它的正常工作，是 列车安全运行的前提，悬浮控制系统的结构决定着悬浮系统的性能。最早的悬浮 控制系统是模拟式、传统的点对点式系统，控制器以运算放大器和模拟乘法器组 成的模拟电流为运算单元，反馈系统几乎不存在运算控制延时。但是系统的硬件 结构复杂，灵活性差，系统的算法简单，很难获得较高的控制性能，并且信号是 以模拟的方式传输的，受恶劣电磁环境的干扰严重，节点和节点之间几乎不可能 存在信息交换，列车的整体信息化水平很低。 为了解决上述问题，提高磁浮列车的性能，以数字控制器为基础，把集散控 制系统( d c s ) 弓i 入到磁浮列车的悬浮控制系统中，这也是现在主流的悬浮控制系统 设计方案之一。高速数字处理器的出现，使系统具备了支撑起复杂的、高性能的 控制算法的能力；而采用的集中管理、分散控制的分层系统设计思想，则使得系 统可以采用模块化的组成方式，大大简化了系统的设计，各个子节点也通过简单 的信息交换初步具备了协同悬浮操作的能力。但是当前的悬浮控制系统结构依然 存在着不足。悬浮控制节点的传感器与控制器之间等控制反馈信号仍是以模拟方 式传输的，只是利用网络传递悬浮状态和故障信息给上层监控系统。磁浮列车的 控制现场电磁环境恶劣，很容易对控制反馈模拟信号导线造成干扰形成“毛刺”，从 而对系统的悬浮控制造成严重的影响。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在高速磁浮列车中，为了规避电磁辐射对信号导线的干扰，采用了基于4 8 5 总线的数据传输方案，每一个悬浮模块的两端具有两个传感器组，各包含有多个 传感器。每组传感器的间隙、加速度、车速和诊断信息都是通过单独的4 8 5 总线 把数据发往控制器中，这样能够有效避免电磁干扰，且网络延时可以忽略，如图 1 1 所示。但是每组传感器系统就需要5 路独立4 8 5 总线与悬浮控制器进行并行通 信，导线很多，一路导线出现故障，整个系统的控制都会受到影响。我校协助完 成的上海低速磁浮列车也采用了与此类似的网络控制系统设计方案。借鉴前人取 得成果，本文提出一种构想，如果能够做到所有的悬浮控制数据，包括传感器信 息、命令、监控、检测等，都通过同一条网络进行传输，则网络连接的所有节点 都将具备共享数据的能力，包括相邻模块的传感器和控制器之间也可以进行数据 交换。同时增加另一条网络作为系统通信的备份，使得网络的通信可靠性大大增 加。考虑到网络通信协议都具备一定的通信纠错能力，因此，采用网络通信可以 获得比传统的模拟传输更好的抗干扰能力。 轨道 问隙问隙 l i s 2 l电磁铁l电磁铁 s 2 l s i ls l i s 2 l 电磁铁 控制器il 控制器叫斩波器 4 8 5 总线4 8 5 总线 图1 1高速列车悬浮控制系统结构 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 ) 最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学 g c w a l s h 的论著中，但是并没有给出具体的定义，只是用图示的方法说明了网络 控制系统的结构，指出在该系统中控制器与传感器通过串行网络通信形成闭环。 一般认为，网络控制系统是指分布在一定区域的各个控制系统部件如传感器、控 制器、监视计算机等通过通信网络实现闭环控制。在这样的系统中，传感、控制、 协调等各种信号都是通过公共数据网络进行传输。网络控制系统是彻底的分布式 系统，非常适合于大型的、智能的控制系统，在多传感器、多执行器的情况下有 更好的应用。网络控制系统一般采用双绞线或者光缆作为串行传输导线。为了提 高网络本身的可靠性，系统设计中一般都采用网络硬件冗余的方式，一条网络在 正常情况下工作，另一条网络作为系统的备份。采用这种方法总是能够在代价不 大的代价情况下把网络自身的可靠性提到很高的程度。 当然，网络化控制系统在通过共享网络资源实现控制带来各种优越性的同时， 也给系统设计与控制理论的发展带来了新的机遇和挑战。各个节点的传感信息、 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 控制信息、命令信息都要通过网络进行传输，网络资源竞争和刚络拥塞等现象不 可避免地会造成控制信号传输的延时。各种网络协议的存在，使得网络特性呈现 明显的差异，比如网络延时特性、数据丢包以及多报文传输问题，这些问题的存 在会导致控制系统品质下降，严重时甚至会导致系统的不稳定。因此，把网络控 制系统应用到磁悬浮控制中，无论是对磁悬浮控制技术的研究还是对控制理论的 发展都具有重要的价值。 在工程实践中，磁浮列车对安全性、可靠性有着极高的要求，尤其是对悬浮 控制系统的可靠性要求，例如，在列车高速运行过程中，若某个悬浮节点发生吸 死故障，必然会对列车的安全运行造成威胁。研究和统计表明，磁浮列车的传感 器和执行器故障已经成为导致悬浮控制失效的主要原因，而在网络化悬浮控制系 统中传感器和电磁铁的故障表现比一般控制系统更加复杂，更难以分离和辨识。 因此，研究磁悬浮网络化控制系统的容错控制具有重大的理论和应用价值。 1 2 网络控制系统及容错控制技术研究现状 1 - 2 - 1 网络控制系统研究现状 在现代复杂工业过程、高性能汽车、航空航天器等大量民用和军用控制系统 中，常使用通讯网络实现分布在不同区域的各系统部件如监视计算机、控制器、 智能传感器、执行器之间的信息交换和控制信号的传递，整个系统通过通讯网络 实现闭环控制，这就是网络化控制系统( n c s ) ，又可以称为综合通讯和控制系统 ( 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 ，i c c s ) 。网络化控制系统研究如何通 过网络实现闭环控制，是涉及控制系统、计算机技术和通讯网络等多个学科知识 的跨学科研究领域。 目前经典意义上的网络化控制系统是基于总线技术( 如d e v i c e n e t 、c o n t r o l n c t 、 e t h e r n e t 等) 架构的控制系统，也就是本文的研究对象。广义上的网络化控制系统 是指将通用的公共通讯网络作为整个控制系统的环境，通过网络中的众多节点传 送控制数据而构成闭环。这是一种完全的分布式控制方式。 与传统的控制系统相比，网络化控制系统具有如下特点： ( 1 ) 能够实现远程控制； ( 2 ) 所有通讯数据通过一个网络传播，大大减少网络布线，简化控制系统物理 结构； ( 3 ) 所有系统资源共享，交互性得到质的提高； ( 4 ) 减少系统维护成本。 目前，网络化控制系统( n c s ) 已经成为国际控制理论界的热点研究问题。i e e e 、 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 i f a c 和a u t o m a t i c a 等刊物相继出版了n c s 研究方向的专刊，国内关于n c s 方面 的专著也开始出现【9 1 2 1 。 1 网络控制研究中存在的问题 网络控制系统中所有数据通过网络，采用分时复用的方式进行传输，必然存 在延时、丢包、多包传输和网络调度等问题。 ( 1 ) 网络诱导延时 在n c s 中，由于在反馈回路中加入了通讯网络，信息要采用分时复用的方式 占用通讯通道，而网络的承载能力和通信带宽是有限的，必然导致信息的冲撞、 重传等现象发生，并且网络数据的采样、量化、等待、传递的时间也使得控制系 统的信息在传递时产生延时：称之为网络诱导延时。网络诱导延时可以是常数， 也可以是有界的或者无界的随机变量( 例如以太网) ，这取决于具体的网络。 ( 2 ) 节点的驱动方式 传感器、控制器和执行器的工作方式可以分为时间驱动和事件驱动两种方式。 n c s 的传感器一般采用时间驱动方式，在固定时钟节拍的驱动下进行采样量化的 工作，之后把数据发送到网络中。而控制器和执行器可以采用时间驱动也可以采 用事件驱动。当控制器采用事件驱动方式时，传感器的数据到达控制器后控制器 马上进行控制率运算，避免了控制器为时间驱动时的数据等待被采样的时间，从 而减少不必要的网络诱导延时。同时在某些情况下当传感器的数据不能够及时抵 达时，也可以避免控制器的无效运算。 ( 3 ) 单报文和多报文传输 单报文传输是指传感器等系统节点的数据被封装在一个数据报文中发送。多 报文传输是指n c s 中的传感器等需要发送的数据被分成多个数据报文进行传输。 在网络控制系统中采用多报文传输，一方面是因为在某些网络协议中，单报文的 字节大小是有限制的，不能够一次把所有数据发送完毕；另一方面是因为n c s 通 常分布在一个比较大的区域，要将这些数据放在一个数据报文中往往不太可能。 网络控制系统中采用多报文传输会导致一系列问题产生，比如报文的到达时序错 乱和报文丢失等问题。 ( 4 ) 报文时序错乱 系统的节点发送的数据报文可能会经过不同的网络路径到达目的节点，有可 能会导致数据报文的时序错乱。数据时序错乱包括单报文时序错乱，也即后发的 数据报文先到；多报文时序错乱，即相同时刻的数据的不同数据报文到达的时间 发生混乱。 ( 5 ) 数据报文的丢失 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和链接中断，有可能会导致网络报文 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 的丢失。现代的网络协议中一般都包含有丢失重传机制，有利于减少报文丢失情 况的发生。但是应该看到报文丢失是存在的并且很难被完全消除。在网络控制中， 为了提高数据报文的时效性，让最新的数据参与到控制运算中，一般采用如果某 节点的数据报文在规定的重发时间内没有到达或者没有发送成功，则将该数据报 文丢弃的方法。 ( 6 ) 时变传输周期 传统的计算机控制系统都假设对被控对象状态的采样为等周期采样，这使得 对系统的建模和分析大大简化。然而，在网络控制系统中等周期采样的假设很难 再成立，由于网络协议的原因，数据在网络中传输可能是等周期的，也有可能是 非等周期的。c s m a c d 是最常见的一种随机存取网络，数据报文的发送时间取决 于当前网络状况、该节点的网络占有权优先级等因素。令牌环网络( t o k e np 勰s i n g ) 和时分多路存取( t d m a ) 是最常见的调度网络。 所有这些都表明网络控制系统的研究不同于传统意义上的控制系统，具体而 言，就是在网络控制系统的分析和设计的过程中必须要考虑控制与通信的耦合问 题。 2 网络控制系统的建模和分析 n c s 的建模与分析是网络控制系统的重要内容，是后续研究的基础。徐立红、 胡燕瑜等【3 j 指出n c s 目前研究的方向，主要在减少网络延时方面，把n c s 的建模 和分析当作一种有任意延时的线性控制器模型，用l y a p u n o v 随机函数描述跳跃线 性系统、增量状态空间离散模型控制系统及预测和改变通讯等待方法的网络控制 系统。樊卫华【1 3 】等提出了基于异步动态系统的网络控制系统建模方法，针对有丢 包情况下的系统进行建模。针对单报文传输、多报文传输和有数据报文丢失的系 统，z h a n gw e i 1 4 】建立了相应的模型。彭晨【1 8 1 在他们的基础上，总结了目前已有的 网络控制系统建模的方法，并指出了它们存在的问题：网络理想化、网络模型过 于细化；目前主要建模对象是线性时不变定常系统，对于时变不确定系统，缺乏 有效的处理方法以及网络系统统一模型；控制系统性能与网络服务质量( q o s ) 联系 不紧密，没有形成控制与网络协作分析设计的模型等等。吴迎年等【1 7 】指出虽然在 网络控制系统建模方面已经取得了一定的进展，但大都基于一定的限制条件和理 想化假设，因此有必要在试验的基础上建立： ( 1 ) 基于数据在网络上传输纯延时分布的数据模型； ( 2 ) 网络阻塞的数学模型； ( 3 ) 按照概率随机控制理论建立误码的数学模型； ( 4 ) 传输延时超过一个采样周期的数学模型。 3 网络控制的主要方法 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 对于网络控制系统的研究可以追溯到上个世纪中后期r a ya 等人的关于集成 通讯控制系统( i c c s ) 的早期工作【1 5 1 6 , 1 9 2 0 1 ，i c c s 可以看作是现在的网络控制系统 的雏形。自从r a ya 等提出集成通讯控制系统的概念以来，国内外学者对于网络 控制系统的研究工作取得了一系列的成果，主要的研究方向为确定性控制、随机 控制理论、智能控制理论和鲁棒控制策略等。同时，对于网络控制系统重点关注 的网络诱导延时、控制与网络信息调度的联合设计方面也取得了一定的进展。 ( 1 ) 从确定性控制理论角度对网络控制系统进行的分析研究 应用确定性设计方法的主要思路是将随机性时变延迟转化为固定延时，然后 把转化后的系统看作是带有延时的常规系统，进而设计固定延时控制器。 r o g e l i ol t 2 i j 针对以时间驱动的模型提出了基于观测器的分布延时补偿器，在 该补偿器算法中，首先在控制器和执行器接受端设置一定长度的接受缓冲区，将 时变传输延时转化为固定传输延时，使得系统不再受延时特性变化的影响。 z h a n gw e i t 2 5 】针对网络控制系统中普遍存在的通讯延时问题，对于控制器是时 间驱动的情况，利用在控制器和执行器接收端设置接受缓冲区的方法，提出了一 种延时补偿器结构，该结构同时可以实现对噪声的滤波处理。 在确定性控制器设计方法中，控制器和执行器均采用时间驱动方式，导致新 的传感器信息和控制器信息不能够得到及时应用，所有的延时都被转化为最大延 时，人为地扩大了网络诱导延时时间，不利于系统性能的提高。 ( 2 ) 从随机性控制理论角度对网络控制系统的研究 由于网络竞争优先权等因素，网络延时是个随机变量，使得控制信号从被控 对象数据采集到最终控制作用到达被控对象的控制延时是个随机量，本质上系统 是个随机控制系统，因此，采用随机控制理论对系统进行分析和设计引起了广泛 的关注。 应用随机控制方法的关键在于对网络诱导延时的合理分析和建模，将网络延 时作为系统中的随机变量或者随机过程，设计随机最优控制器。 于之训针对控制网络中的随机传输延时，提出控制器节点采用事件驱动的方 式，同时传感器和控制器节点发送端设置发送缓冲区，以确保信息按照产生的时 间依次到达接收端，采用这种控制模式，利用传输延时的m a r k o v 特性，得到了基 于有多步堆积传输延时的网络控制系统的数学模型，并得到了满足给定二次型性 能指标的最优控制率的解析表达式，成功地解决了原来事件驱动模式下对这类网 络控制系统无法获取其解析随机控制率的难题。 r a ya 1 2 2 1 对随机时变分布延时下的输出反馈延时网络系统进行研究，基于最小 方差滤波器和动态规划原理，得到了具有随机延时补偿的l q g 控制器，尽管其不 满足确定性等价原理，但它仍然是闭环网络控制系统中的一个次优解。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 z h e nw 等在文献【2 3 j 中针对网络控制系统延时分布未知的情况下，改进了 n i l s o n 的l q g 控制率，提出延时在线估计方法一平均延时窗1 ：3 法( a v e r a g e d e l a y s w i n d o w , a d w ) 。该方法无需网络时钟同步和延时补偿即可得到网络延时信息，并 在1 0 k b i t s 的c a n 总线上进行了实验研究。 ( 3 ) 状态增广法 在带有定常延时的离散时间系统中，很合理的一种方法是状态增广法，它通 过将经过延时的对象的输入输出变量作为增广状态，并建立新的状态空间方程， 与原始状态方程联立共同描述系统。增广状态的维数与系统状态维数、输入维数 以及延时大小有关，因而描述系统的增广状态方程的维数常常变化很大，系统的 复杂性也相应有很大提高，对于具有周期性延时特性的网络控制系统来说，增广 状态离散时间模型方法比较直接，也易于理解。 h a l e v iy ，r a ya 在文献【2 6 】中就针对具有周期性延时特性的网络提出了增广状 态确定性离散时间的网络控制系统模型。l i o u 和r a y t 2 4 j 指出这种方法改进后可用 于传感器和控制器采样周期不等的系统。 ( 4 ) 智能控制策略在网络控制系统中的应用 人工智能、专家系统、神经元网络等学科融入到控制理论中，产生和推动了 智能控制理论的发展。智能控制技术从基本原理上模拟人的思维过程，将其应用 到控制工程中，可以不依赖于被控对象的数学模型而进行有效的控制，因此能够 有效地解决网络控制系统中网络延时不确定性对系统稳定性的影响。 模糊控制的特点是不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，只需制定 相应的模糊控制规则，设计出具有智能的模糊控制器，即能给出有效的控制，因 此非常适合在具有纯延时、大惯性、参数漂移大的非线性不确定复杂系统中应用， 且在设计时可以便捷地实现复杂的控制策略，因而模糊控制在实际控制系统中得 到了广泛应用。 文献1 2 7 提出- j f u z z y - p i d 双模控制方法，在大范围内采用模糊控制取得了较好 的动态响应并抑制随机干扰，而在小范围内采用p i d 控制来抑制稳态误差，该控制 策略取得了较好的效果。 文献1 3 1 j 提出了一种自适应模糊控制器，它能够在控制过程中不断调整和修改 控制规则以适应对象和环境的变化，具有较高的应用价值。 4 网络控制系统发展方向 网络化控制系统存在许多传统的点对点直接控制系统所没有的新问题，这使 得系统的分析和设计更加复杂和困难。现在n c s 的研究还处在雏形阶段，还有很 多方面需要提高，n c s 需要解决的问题主要有： ( 1 ) 调度与控制融合 第7 负 国防科学技术大学研究生院学位论文 网络调度的目的是尽量避免控制网络中发生通讯冲突和阻塞现象，从而减少 网络诱导延时，减小数据报文丢失概率，提高网络利用效率。网络调度策略的优 劣会对闭环控制系统的性能产生影响。将实时控制系统的调度策略与n c s 的稳定 性条件相结合，建立针对n c s 的网络调度方法，对提高n c s 的稳定性和系统的整体 性能有极其重要的意义。 网络控制系统是控制科学、网络技术与通讯技术相结合的产物，因l l t n c s 的 设计必须兼顾网络服务性能与控制性能，而这两者优势相互联系的整体，兼顾两 者的性能设计网络化控制系统是一个值得研究的课题【2 8 川。 ( 2 ) 网络混沌问题 由于网络节点采样率的不同，使得n c s 中出现了混沌现象。对n c s 中混沌现象 的研究、利用会引起更广泛的关注。具有无标度拓扑结构的混沌动力网络控制的 研究成果在文【3 0 】中有所体现。牵制控制利用无标度网络结构的非均匀性，有针对 地对网络中的少数关键节点施加反馈控制，由此牵一发而动全身，从而能够将规 模庞大的复杂动态网络稳定到平衡点，获得很高的控制效率。另外，随着人类社 会日益网络化，人们对各种关乎国计民生的复杂网络的安全性和可靠性提出了越 来越高的要求。 ( 3 ) 智能网络控制 智能控制是模拟人类智能的活动。研究具有仿人智能的n c s 具有广泛前景。 将分布式智能控制和自适应控制、模糊控制及智能优化算法等智能控制理论应用 到网络控制中，应该具有很好的效果，引起了很高的关注。另外，与传统控制相 比，智能控制主要解决高度非线性、不确定和复杂系统控制问题，所以在研究非 线性以及不确定对象n c s 时，智能控制方法可以大显身手【3 3 】。 1 2 - 2 容错控制研究综述 在现代科学技术的推动下，控制理论获得了飞速的发展，众多的不断涌现和 完善的控制技术使得系统的性能和功能越来越高，同时工业系统趋向于大型化和 复杂化，当传感器、执行器或者其他元器件发生故障时，就会严重恶化系统的性 能甚至导致不稳定【4 1 1 有可能造成人员和财产的巨大损失，对系统的可靠性和安全 性提出了严峻的挑战。容错控制技术的提出和发展为解决上述问题开辟了一条新 的途径。 1 9 7 1 年n i e d e r l i n s k i 提出的“完整性控f l ；l j ( i n t e g r a lc o n t r 0 1 ) 概念的提出，标志着 容错控制的诞生1 3 2 】。容错控制系统的本质特征是：“当控制系统中的执行器、传感 器或元部件发生故障时，闭坏控制系统仍然是稳定的，并且满足一定的性能指标 要求，则称此闭环控制系统为容错控制系统【3 8 l ” 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 容错控制作为一门新兴的学科，为提高复杂系统的可靠性提供了一条新的途 径。由于任何系统都会不可避免地发生故障，因此，容错控制对于故障后系统的 安全稳定运行具有特别重要的意义。 容错控制的前提是故障诊断，考虑到故障诊断是个非常复杂且正在迅速发展 的学科，这里假定已经完成了故障诊断和界定，只考虑在故障确认后的容错控制。 容错控制主要分为两大类：主动容错控制和被动容错控制。主动容错控制包括控 制律重构、控制律重新调度、模型跟随重组控制。被动容错包括有可靠镇定、完 整性和联立镇定等。 1 被动容错控制 鼠。控制是在h a r d y 空间通过某些性能指标的无穷范数优化而获得具有鲁棒性 能的控制器的一种方法。基于矾的线性系统被动容错控制理论已经基本成熟，近 年来基于矾的非线性控制理论也取得了很大的进展，v a nd e rs c h a f t 3 5 旬6 】运用辛 几何和动态耗散理论给出了解决非线性以反馈控制方法，即把非线性控制问题 转化为h a m i l t o n j o c a b i 方程的可解性问题，从而直接推动了非线性系统被动容错 控制理论的发展。 p a t t o n 教授在著名的综述【4 0 1 一文中指出：“离开了故障检测与诊断( f a u l t d e t e c t i o na n dd i a g n o s i s ，f d d ) 单元，容错控制所能发挥作用就会非常有限”。无论 是线性系统还是非线性系统，被动容错控制控制方法存在有很大的局限性： ( 1 ) 只能够处理事先考虑的特定故障。 ( 2 ) 因为是考虑在最坏的情况下设计的控制器，被动容错控制系统的性能存 在很大的保守性。实际上系统绝大多数时间是正常的，也就是被动容错 控制系统不能够充分发挥系统的潜能。 2 主动容错控制 主动容错控制相比于被动容错控制一般都具有( 或者隐含) 一个故障检测与 诊断( f d d ) 单元，当f d d 单元检测到故障后，则调用相应