（控制理论与控制工程专业论文）基于时滞系统理论的网络控制系统Hlt∞gt控制.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于时滞系统理论的网络控制系统矾控制 摘要 网络控制系统( n 嘶o r k e dc o n 缸o ls y s t e m s ，n c s s ) 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。n c s s 具有连线少、灵活性强、便于 故障诊断和信息资源共享等众多优点，但由于网络的介入，控制回路中不可避免地出现网 络时滞。网络时滞的随机性和时变性使得闭环n c s s 也具有了随机和时变性，从而难以用常 规线性时不变系统的理论和方法进行系统分析和设计。如何有效地克服网络时滞的影响， 设计出满足要求的时滞网络控制器，成为一个重要且亟待解决的问题。 近年来，针对网络控制中的诸多问题，人们从各个角度出发，利用各种不同的方法， 得到了许多有效的结果，特别是针对网络诱导时滞的研究，成果最为丰富，其中包括随机 最优控制方法、异步动态系统( a s ) ，i l c h r o n o u sd y n a m i cs y s t e m ，a d s ) 理论、模糊控制方 法、预测控制方法等。但其中的大部分结果均局限于具有单传感器节点和单执行器节点的 n c s s 。控制系统引入通信网络的目的并不在于为了提高系统的控制性能，而在于减少布线、 突破控制系统地域空间的限制，从而降低系统复杂性，实现控制系统集中化和高效性的运 作。因此，将n c s s 应用于具有多个传感器和执行器节点的控制系统更能体现网络控制的优 越性和价值。 本文利用时滞系统理论和线性矩阵不等式( l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i 够，l m i ) 数学方法， 研究了具有多个独立传感器和执行器节点的n c s s 的建模、稳定性、玩控制等问题，主要 工作如下： 1 ) 对网络控制系统的一些基本概念，问题及目前的研究现状做了一个比较详细的综 述，并概括介绍了本论文的主要研究工作。 2 1 针对线性时不变正常被控对象，将具有状态反馈的n c s s 建模为一类具有时变时滞 的时滞系统。即把一类带有时变时滞的多输入多输出( m u l t i 岫p u tm u l t i o u t p u t ， m i m o ) 网络控制系统描述为一个时滞系统。针对该模型，利用l y 印u 1 1 0 v 理论及 方法和l m i 技术进行稳定性分析，提出了一种改进的分析方法，同时也给出了n c s s 的时滞依赖的风控制器设计方法，并通过两个例子说明了该方法的有效性。 浙江工业大学硕士学位论文 3 ) 基于l y a p u n o v 一幻粥o v 虹i 泛函及l m i 技术对具有动态输出反馈的m i m o 的n c s s 进 行建模和稳定性分析，得到一个具有更小保守性的系统稳定的充分条件，并以一 个实际的具有两个独立传感器和两个独立执行器的n c s s 为例展示了该结论的有 效性。 4 ) 在以上模型及稳定性分析的基础上，进一步研究了风控制的设计问题，并通过一 个例子来展示和说明了该结论的有效性。 5 ) 最后，对全文进行总结，并对进一步的研究提出一些展望。 关键词：网络控制系统，网络诱导时滞，线性矩阵不等式，风控制 浙江工业大学硕士学位论文 风c o n t r o lo fn e t w o i 洄dc o n t r o l s y s t e m sb a s e do nt i m e d e l a ys y s t e mt h e o r y a bs t r a c t n e t 、o r k e d c o r l 仃o ls y s t e m s ( n c s s ) a r ed i s 仃i b u t e dc o n n d ls y s t e m si nw 1 1 i c hs e n s o r s ， a c 乱瑁t o r s ，c o n t r o l l e r s ，趾do t h e ru 】n j t s 龇ec o n n e c t e dv i aac o 埘【1 1 1 0 nc o m 瑚衄n j c a t i o nn i 加r k t h e p m a 巧a d v 锄t a g e so fn c s sa r er e d u c e ds y s t e mw i r i n g ，e a s eo fs ) r s t e md i a g n o s i sa i l d m 缸e n a n c e ，i i l c r e a s e ds y s t e ma g i l i t ) ra 1 1 ds h a r i n gi 1 1 f o m a t i o nr e s o u r c e s h o w c v e r ，t 1 1 ei 1 1 s e n i o n o fm ec 0 r n m o nc o m 删“c a t i o nn e 铆o r ki n 也ec o n 臼i o l l o o pb r i l l g su sm a l l yn e wp r o b l e m s ，s l l c h 嬲t h e 缸e v a r y i n gn e t w o r k i 1 1 d u c e dd e l a y s ，t h eu 1 1 c e n a i np a c k e t d r o p o u t s ，c o m m u l l i c a t i o n c o n s 仃a i n t s ，e ta 1 r e c e n t l y n l e s en e wp r o b l e m s 耐s e ni l ln c s sw 1 1 i c hh a v e 撇a c t e dc o n s i d e r a b l er e s e a r c h i 1 1 _ t e r e s t e s p e c i a l l y 也en e t w o r k e d - i n d u c e dd e l a y ，w k c hi se i t h e rc o n s t a n to rt i i i l e - v a r y i l l g ，n e e d s t 0b ef m l ya d d r e s s e di i ln c s s v i r i o u s 印p r o a c h e sk e b e e np r e s e m e di nn l ee x i s t i n gl i t e r a n 肛e t od e a l 诵mt l l ed e l a yi s s u e ，s u c h 嬲t 1 1 es t o c h 枷co p t i i n a lc o 曲的l 印p r o a c h ，t l l ea s y n c h r o n o u s d ) r i l 锄i c a ls y s t e m ( a d s ) a p p r o a c h ，f 心巧c o n 仃o lm e t h o d ，p r e d i c t i v ec o n t r o lm e m o da r l ds oo n h o w e v e r ，也eg r e a tm 嬲so fi s s u e so n l yl o c a l i z e dt l l en c s s 、) l ，i t l ls m 9 1 es e i l s 0 rn o d ea n ds i n 9 1 e 觚m l 砒o rn o d e t h ea i mo fi m p o n i n gc o m m l u l i c a t i o nn e t 、7 l or ：k st 0c o n t r o ls y s t e m si sn c i tt o i i l l p r 0 v ec o n t r o lp e r f o m a n c eo ft 1 1 es y s t e m s ，b mt 0r e d u c ew 池ga i l db r e a k 廿l el i i l l i to fr e g i o n s p a c eo ft l l ec o n 仃o ls y s t e m ，a n du l t i m a t e l yt 0d e c r e a s em ec o m p l e x i 够o ft l l es y s t e m ，a 1 1 dt 0 r e a l i z ec o n t ls y s t e mc e n t 阳i i z a t i o na n d1 1 i g l l l ye f f e c t i v eo p e r a t i o n t h e r e b y ，也es u p e r i o r i t ) ra n d v a l u eo f 也ec o n t r o ls y s t e m sc a l lb em a l l i f e s t e db ya p p l y m gn e t 、o r k si i lc o n t r o ls y g t e mw i t l l m a n ys e n s o r 孤da c t u a t o rn o d e s h 1t 1 1 i st h e s i s ，w e 讪e s t i g a t e 恤m o d e l 吨，s t a b i l 埘a n d 风c o 腑0 1f o rn c s s 谢t l lm u l t i p l e s e n s o ra n da c t u a t o rn o d e sb ya p p l y i i l gt l l et 1 1 e o r yo ft i m e d e l a ys y s t e m sa n d 1 el i i l e a rm 撕x i i l e q i l a l 毋( l m i ) t e c h 血q u e s n l em a i l lc o n t r i b u t i o n so f 让i et 1 1 e s i sa r e 邪f o l l o w s ： 1 ) t h es u r v e yo fm en e 似o r k e dc o n 仃o ls y s t e m s ，w k c hi n c l u d e st h eb a s i cc o n t e n t s ，i s s u e s ， a n dr e c e n tr e s e a r c ho nn e t 、o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r ep r e s e m e d t h e n ，t 1 1 em a i nw o r k o f t b et h e s i si ss t a t e d 2 ) f o rl i n e a rt i m e i i 撕a i l tn o m a lc o m r 0 1 l e dp l a l l t ，t h en c s sw i t hs t a t ef e e d b a c k 浙江工业大学硕士学位论文 c o n t r o l l e ri sm o d e l e d 嬲ac l a s so ft i m e - d e l a ys y s t e m s 诵m 痂n e v a 巧i n gd e l a y s s p e c i f i c a l l y ，ac l a s so f m n i - i i l p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) n c s s 、i t l lt i 】 n e 。v a r y i i l g d e l a y si sd e s 嘶b e dat i m e - d e l a ys y s t e m b a s e do nn l eo b t a i l l e ds y s t e mm o d e l ，n l e s t _ a b i l i z a t i o np r o b l e mi ss _ t u d i e db ya p p l y i n gan e 、l yp r o p o s e dm e t l l o di n v o l v i l l gt 1 1 e l y 印u 1 1 0 v 印p r o a c ha n d 也el m it e c l 血q u e f 1 l n l l e r ，仕i ed e s i 盟m e t h o do f 风c o l l 仃o l l e r i sp f e s e n t e d t l w on u m e r i c a le x a r n p l e sa r e 西v e nt os h o wt 1 1 ee 丘e c t i v e n e s so ft l l e p r o p o s e da p p r o a c h 3 )b 2 l s e do nl y a p l m o v - 鼬嬲o v l 【i i 劬c t i o 砌锄dl m it e c l l n o l o 鼢t h es 诎i l i z a t i o n p r o b l e mi si 】吖e s t i g a t e df o rt h em i m o n c s s 谢t hd y n 锄i co u 印u tf e e d b a c kc o n 仃o l l e r s ， 锄dan e ws t a b i l 埘c o n d i t i o nw l l i c hi sl e s sc o i l s e a t i v em 龇s o m eo fn l ce x i s t i i l g r e s u l t si i lt l l el i t e r a _ t l l r e i sd e r i v e d t h em i m on c s sw i t ht h i l e - v 乏町证gd e l a y sw l l i c h h a v et 、oi l l d 印e n d e n ts e n s o r s 髓dt w oi i l d e p e n d e n ta c t u 酏o r sa r ec o n s 臼1 l c t e dt os h o w 吐1 ee 彘c t i v e n e s so fo u rr e s u h s m o r e o v 盯，1 ed e s i 印m e m o do f 风c o n 仃o l i s2 l l s o p r e s e n t e db a s e do nt h eo b t a i l l e ds y s t e mm o d e la 1 1 dm es t a b i l i 秒删y s i sr e s u l t s h lt h e e n d ，a l le x a i l l p l ei sg i v e nt od e m o n s 仃a t em ee 能c t i v e n e s so fo u rr e s u l t s k e yw o r d s ： n e t w o r k e dc o n 仃o ls y s t e m s ，n e 铆o r k i n d u c e dd e l a y ，1 i i l e a rm a t r i xi n e q u a l i 劬 风c o r l 仃o l 浙江工业大学硕士学位论文 符号与缩写 为了今后讨论方便，这里介绍相关数学符号： d i a g 1 ，2 ，虬由l ，2 ，m 组成的块对角矩阵 ， 适当维数的单位矩阵 r ” 拧维实e u c l i d e a i l 空间 天“朋刀朋维矩阵集合 x t矩阵x 的转置 x q矩阵x 的逆 x 0 对称半正定矩阵 x 0对称正定矩阵 矩阵中的幸 对应块的转置，如 量尝 中的木是指召t 定义为 向量或矩阵的范数 当矩阵维数不加明确说明时，其维数与矩阵代数运算相兼容 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：习可美 日期：汐5 年f 胡_ 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 l 、保密口，在一 年解密后适用本授权书 2 、不保密乱 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：写可美 导师签名：，易 日期：脚影年睑月_ 日 日期：捌年j 上月1 日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 利用通讯网络实现地域上分布的现场传感器、控制器及执行器之间的信息相互交换， 以达到被控对象的实时反馈控制，这样的一类控制系统称之为网络控制系统i l 】( n 咖o r k e d c o 椭旧ls y s t e i l l s ，简称为n c s s ) ，是控制科学、计算机技术及网络通讯等技术发展和综合 的产物。n c s s 与传统的点对点结构的系统相比，具有可以实现资源共享、实现远程操作 与控制、具有高的诊断能力、安装与维护简便、能有效减少系统的重量和体积、增加了系 统的灵活性和可靠性等诸多优点，因而成为国内外研究的热点。 n c s s 在通过共享网络资源给控制系统带来了各种优点的同时，也给系统和控制理论带 来了新的机遇和挑战。将通讯网络引入控制系统，使系统的分析变得非常复杂，n c s s 的复 杂性是由网络自身的特点所决定的，主要在于：( 1 ) 网络环境下，多用户共享通信线路且 流量变化不规则，这必然导致网络诱导时滞，同时采用不同的网络协议会使时滞具有不同 的性质；( 2 ) 传输数据流经众多计算机和设备且路径不唯一，这会导致网络诱导时滞和网 络数据包的时序错乱；( 3 ) 网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这又会导致 网络数据包的时序错乱和数据包的丢失。n c s s 中的网络诱导时滞会降低系统性能甚至引起 系统不稳定，这给n c s s 分析、设计和控制带来很大困难。 针对网络控制系统的研究，开始于上个世纪九十年代。r - a ya 1 2 j 等人研究的集成通信控 制系统( h n e 鲥e dc o m m 硼i c a t i o na n dc o n n - o ls y s t e m ，简称i c c s ) 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。关于网络控制系统的研究主要有两条途径：其一是通过改善网络性能， 减少网络诱导时滞和数据包丢失的可能性，提高网络控制系统的性能；其二是把网络与通 信协议作为已知条件，考虑网络诱导时滞、数据包丢失等因素，研究基于时滞微分方程( 差 分方程) 描述的系统的控制策略设计。现在也出现了两条基本研究途径互相交叉，调度与 控制协同设计的趋势。 到目前为止，网络控制系统的研究已取得了一系列的研究结果，其研究的领域同时包 含了连续域和离散域；网络控制系统的对象包含了线性定常、线性时变和非线性的对象； 系统的稳定性分析和设计方法有基于随机控制理论的方法，基于确定性控制的方法、基于 浙江工业大学硕士学位论文 鲁棒控制的方法、基于自适应控制、智能控制、预测控制的方法以及基于离散时间系统、 混合系统的方法等。 总之，网络控制系统是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用，随着控制系统规模 的日益扩大，控制网络的应用变得越来越广泛。 1 2 网络控制的基本问题 随着现代生产规模的不断扩大和控制系统结构的复杂化，传统点对点控制模式所呈现 出来的布线复杂、维护困难、信息封闭、成本高等一系列问题显得越发突出。人们急待寻 求一种新的控制模式来解决这些问题，从而促进生产的解放和发展。与此同时，控制科学、 计算机网络以及通信技术正在日益发展和不断交叉渗透，最终，在这样的生产需要和技术 发展的背景下，网络控制应运而生。它突破了传统控制系统在空间物理位置上的限制，将 通信物理引入控制系统，联接智能现场设备和自动化系统，实现了现场设备控制的分布化 和网络化，加强了现场控制和上层管理的联系。与传统的点对点控制模式相比，这种网络 化的控制模式也因此具有了信息资源共享、系统连线少，易于扩展和维护、高效、可靠和 灵活等优点。 传统的控制理论在对系统进行分析和设计时，往往做了许多理想化的假设，例如系统 采样周期是等间隔的；信息在控制回路中传输正确无误；控制回路不存在信息时滞和信息 量过载；所有输出观测值和控制量均能一次性完成传输等。这些假设在传统点对点控制模 式中是合理的，然而，在网络控制系统中由于控制回路网络的存在，这些假设通常不再成 立。因此，传统的控制理论必须重新评估后才能应用到n c s s 中。此外，在n c s s 中还涌现 出了一系列新的在传统控制模式下不曾遇到过的问题。因此，需要探索新的方法和理论来 解决这些新的问题。 以上所述诸多原因使得对网络控制的研究具有了重要的理论意义和实际应用价值，网 络控制也因此成为了目前国内外的一个重要研究热点。针对网络控制中的诸多问题，人们 从各个角度出发，利用各种不同的方法，得到了许多有效的结果。但是，网络控制的很多 本质的和更深刻的问题尚未得到很好的解决，研究前景依然非常的广阔。网络诱导时滞、 数据包丢失、多包传输是n c s s 中三个主要的问题，也是目前网络控制的主要研究内容，同 时，研究成果也是最为丰富的。这里，将对这三个问题进行概要论述，特别是网络诱导时 滞的问题，这里将对它进行详细讨论，并对它们的研究现状做一个总结，指出现有结果的 局限性和尚待解决的问题，从而，在这些总结和概括的基础上归纳出本课题的主要研究内 2 浙江工业大学硕士学位论文 容。 1 2 1 网络诱导时滞 由于联接到通讯介质上的每个设备都是一个信息源，而通讯介质是分时复用的，待发 送信息只有等到网络空闲时才能被发送出去，这就不可避免地导致了传输延迟的发生。尤 其对i n t e m e t ，不但有时滞，而且不同地点间、不同路由选择还会导致时滞值有很大不同。 据资料测试【3 】( 1 9 9 9 年) ，沈阳至香港间的往返时间( i 沁u t e 而p 瓢m e ，简称为r 1 盯) 平均 值在1 7 0 0 2 0 0 0 m s ，沈阳至北京间的r 盯时滞的平均值在7 0 0 8 0 0 m s ，而普通局域网间r 1 _ r 时滞均值只有3 0 m s 左右。 网络控制系统中，源节点得到某一信息并将其通过控制网络传送到目标节点进行处理 所经历的全部时间，称为网络诱导时滞( n e t w o r k e d i n d u c e dd e l a y ) 。网络诱导时滞可以分 为传递时滞乃、传输时滞z 、排队时滞乙和产生时滞乙嗍。下面c a n 总线为例( 图1 - 1 ) 对这四种时滞进行详细分析。 源节点目标节点 图1 1 总线的通信模型 传递时滞乃就是目标节点接收到从源节点送来的信息，到处理此信息所需的时间。例 如控制器节点缓冲区从接收到传感器节点送来的测量数据，到控制器节点处理此数据所需 的时间就是传递时滞，也就是将节点收到的信息传递给下一个任务所需要的等待时间。传 递时滞和网络控制系统的采样技术和缓冲区的大小等因素有关。 传输时滞z 是网络传输信息所用的时间。它与控制网络的数据帧大小、节点距离、媒 介电气特性以及网速有关。 产生时滞疋就是源节点根据系统的任务要求，得到某一格式的信息所用的时间。例如 3 浙江工业大学硕士学位论文 传感器节点采样物理信号，将之转换成数字信号，并且按c a n 总线数据链路层协议进行编 码所需的时间就是传感器节点产生的时滞z 。产生时滞和源节点的任务数、任务优先级及 其处理时间有关。一般情况下，认为任务的处理时间是个常数或者忽略不计，可视具体任 务而定。 排队时滞就是信息从源节点队列里等待直到其得到总线使用权所需的时间。排队时 滞和源节点要传送的信息数、网络负载、网络协议与调度方法有关。其中网络协议是影响 排队时滞的主要因素，因此在网络控制系统中，应选择合适的通讯网络，使排队时滞不致 太大而影响系统性能。 从上述分析可以看出，网络控制系统中的时滞与网络协议、网络负载、信息优先级、 信息长度、网络速率、节点间距离、采样技术和信息调度算法诸多因素有关。如：以太网 采用的是c s 龇d 介质存取控制( m a c ) 机制，其不确定性使网络时滞呈现出随机、无 界的特征：c o n 纳ln e t 网采用的是循环服务机制，其网络时滞具有固定或有界的特征；而 d e v i c en e t 网采用的优先级仲裁m a c 机制可保证高优先级数据有界的网络时滞，而具有低 优先级的数据则可能经历无界的网络时滞。在实际应用中，必须综合考虑各种因素，以使 时滞符合系统要求。 网络诱导时滞是随机的、有界的、还是不确定的，主要取决于通信网络的类型和采用 的通信协议【5 一。l i a l l 等【刀研究了集中不同工业控制网络的时滞行之和适用场合，这些结果 对n c s s 控制策略的设计具有重要的指导意义。随机性时滞和有界不确定时滞是网络诱导时 滞问题中最难雌解决的问题，其研究结果也相对较为丰富【2 ，8 1 0 1 。网络时滞的随机性和时变 性使得闭环n c s s 也具有了随机和时变性，从而难以用常规线性时不变系统的理论方法进行 系统分析和设计。早期处理随机时滞的方法是通过在控制器和执行器的输入端置入一定长 度的缓冲区来解决的( 例如，l u c k 觚dr a y ，1 9 9 0 ) ，如果缓冲区的长度足够长就能够将随 机时变时滞转化为确定性时滞。显然，这种方法人为地增加了网络诱导时滞，因而往往导 致控制系统性能的下降。n i l s s o n f l 】提出了运用随机最优控制的方法来研究具有随机网络诱 导时滞n c s s 的分析和设计问题，在假设网络诱导时滞小于一个采样周期的情况下，提出了 时滞为独立同分布和遵从m a r k o v 链分布两种情况下闭环n c s s 的随机稳定性分析和随机最 优控制器设计方法。h ua i l dz h u 【9 】进一步研究了时滞大于一个采样周期且为独立同分布的 n c s s 的随机最优控制问题，而于之训等【1 0 】研究了时滞大于一个采样周期且遵从m a r k o v 链 分布的n c s s 的随机最优控制问题。以上两个成果进一步完善了n i l s s o n 【l j 的结果。但以上文 献中的结果均假设传感器控制器时滞和控制器执行器时滞服从同一分布律，而实际网络 4 浙江工业大学硕士学位论文 中这两个时滞的分布律往往是不同的。n i l s s o n 【1 】提出了这个问题，但未做进一步深刻的研 究。z h a i l g 等【l l 】考虑了传感器控制器时滞和控制器执行器时滞服从两个不同m a r k o v 链分布 的情形，首次将这样的n c s s 描述为一个具有两个切换模式的m a d k o v 跳变系统，给出了系 统随机稳定的条件和稳定化控制器的设计方法。y 缸g 等【1 2 】将传感器控制器时滞和控制器 执行器时滞分别描述为两个关于服从伯努利二元分布的随机变量的线性函数，从而将闭环 n c s s 描述为一个具有两个随机变量的随机系统，进而给出了系统均方指数稳定充分条件和 基于状态观测器的输出反馈玩控制器的设计方法。针对有界不确定时滞，樊等【1 3 】提出了 一种将时滞的不确定性转化为系统参数的不确定性，进而采用鲁棒控制的方法来研究具有 有界不确定时滞的n c s s 的稳定性分析和稳定化控制器的设计。但该方法计算复杂，并且对 系统矩阵的限制条件制约了该方法的应用范围。l i l la i l d a m s a l 【l i s 【1 4 】通过对不确定时滞进行 分段处理的方法巧妙地将时滞变化的不确定性转化为闭环系统子系统间切换律的任意性， 最终将具有有界不确定时滞和数据包丢失的n c s s 描述为一个具有任意切换律的离散时间 线性切换系统。进而，基于切换系统理论给出了闭环n c s s 的稳定性条件。但该方法的不足 之处在于仅考虑网络的传感器控制器时滞。 网络诱导时滞是n c s s 诸多问题中研究成果最为丰富的一个。以上总结虽然不能穷举所 有的研究结果，但是，归纳起来现有研究网络诱导时滞的结果具有以下局限性： ( 1 ) 如图1 2 所示的具有网络诱导时滞的m m o 系统的分析和设计问题研究不足，许多 结果有待完成和完善。 ( 2 ) 基于“事前”补偿的时滞补偿和控制策略研究不足，许多问题和理论方法有待进 一步探索。 ( 3 ) 致力于降低网络负载，从而从根本上降低网络诱导时滞的补偿和控制策略研究不 足，相关有效的方法有待进一步研究。 以下对三点局限性分别做一些说明： ( 1 ) 目前绝大部分研究网络诱导时滞的结果均局限于具有单传感器节点和单执行器节 点的n c s s 。但是，控制系统引入通信网络的目的并不在于为了提高系统的控制性 能，而在于减少布线、突破控制系统地域空间的限制，从而降低系统复杂性，实 现控制系统集中化和高效性的运作。因此，将n c s s 应用于具有多个传感器和执行 器节点的控制系统更能体现网络控制的优越性和价值。如多变量大型工业过程和 对象，其传感器和执行器往往分布于较大的地理空间范围内，这种情况下就必须 采用如图1 2 所示的控制结构，显然，在这种控制结构下，各个传感量和执行量的 5 浙江工业大学硕士学位论文 网络时滞各不相同，现有的研究结果难以直接应用，必须研究适合于这种结构的 n c s s 的分析和设计方法。n i l s s o n 【l j 曾提出过这个问题，并给出了随机最优化状态 反馈控制器的设计方法，但是一系列的假设条件使得设计结果具有较大的保守性 并限制了其应用范围。l i a l l 等【”】给出了这类n c s s 的一种建模方法，未给出稳定性 分析结果，且在设计控制器时假设了时滞为定常的情形。 ( 2 ) 目前，具有网络诱导时滞：n c s s 的控制策略设计方法主要有两种。一种是首先设计 出不考虑网络的稳定化控制器，然后再确定保证闭环n c s s 稳定的最大允许时滞上 界：另一种是直接考虑网络诱导时滞，给出具有时滞的n c s 的一种模型描述，然后 再基于该模型进行分析和综合。这两种方法的共同特点是不去直接补偿时滞所带 来的滞后影响，而是在时滞的影响产生后试图设计一个鲁棒的控制策略使得闭环 n c s s 能够承受一定特性和大小的网络诱导时滞的影响。然而，一种更加有效的方 法是设计一个补偿策略，直接消除网络诱导时滞所带来的控制输入滞后。一种可 行的方法是直接对控制输入进行超前补偿，这方面已有一些研究成果，但很少且 不甚完善。n 等【1 6 】研究了一类具有随机时滞的n c s s 的时滞补偿策略，通过在控制 器输入端添加一个模型预测器的方法给出了一个基于模型的预测补偿策略。但是 预测步长依赖于模型的精确性和n c s s 的特性，在具有模型参数扰动的情况下，该 方法不再适用。l i u 等【1 7 】基于改进的g p c 算法给出了具有随机时n c s s 的时滞补偿策 略，有效消除了定常反馈通道时滞和随机前向通道时滞所带来的控制输入的滞后。 但是，在具有模型参数扰动和外界噪声情况下该方法是否仍然适用有待论证。此 外，对于随机时变反馈通道时滞如何补偿未有讨论。 ( 3 ) l i 觚等忉和熊等【1 8 1 的研究结果表明网络负载直接影响网络诱导时滞的分布特性和 大小。在低负载在情况下以下c a n 总线网络的时滞甚至可以忽略不计，而以太网 的时滞则可以从毫秒级降为微妙级。因此，若能设计出相应的补偿和控制策略， 达到降低网络负载的效果，将能从根本上消除或者减轻网络诱导时滞对控制系统 性能的影响。目前这方面的研究结果很少。m o n t e s 仃u q u ea n da n t s a l 【l i s 【l9 】提出了基 于模型的网络控制方法，通过在控制器输入端设置系统模型，以模型的输出取代 实际对象的输出，从而达到降低网络负载的目的。但是，该方法只适用于网络只 存在反馈通道的n c s s 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 。厂、。厶厂、” 7v 、7 7 二 fl l 对象 r 寸k 舛 j r1 r 匪刃医刃匡习网络 匠习臣盈e剑 一 ljl 控制器节点 图1 2 具有多个传感器节点和执行器节点的m o 网络控制系统 1 2 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。 数据包丢失可分为被动丢包和主动丢包两种情况。所谓被动丢包是指由于网络拥塞、 链路故障以及传输错误等引起的对于数据发送者来说不自愿的丢包现象。n c s s 是一个连接 多个被控对象的分布式控制系统，所有的传感器和执行器共享一条共同的通行网络。由于 网络带宽的限制，在某一采样时刻只有部分节点能够竞争到网络资源，实现有效通信。这 时，就必须有一个有效的调度算法来调节各个被控对象访问网络的权限和顺序，从而保证 整个n c s s 稳定地运行。对于一些快速采样n c s s ，若让每个数据包都访问网络，那么数据 包碰撞的可能性将加剧。此时，在原有的调度策略下整个n c s s 的性能将严重下降或者不稳 定，甚至整个n c s s 将变得不可调度。这种情况下可以考虑主动地丢弃一些数据包以保证网 络可调度和正常运行，这种情形的丢包就称为主动丢包。显然，在主动丢包之前必须先建 立丢包率和闭环n c s s 稳定性之间的关系并给出相应的稳定化控制器设计方法，从而为 n c s s 的设计者明确到底丢弃多少数据包才是合适的。 针对丢包问题，国内外众多学者已经提出了一些建模、分析和设计方法。首先，考虑 7 浙江工业大学硕士学位论文 相对简单的一种情形，即丢包仅存在于反馈通道网络的情形。这方面相关的研究结果包括： z 1 1 a i l g 【6 】将一类具有数据包丢失的n c s s 描述为具有事件率约束的异步动态系统并给出了闭 环n c s s 指数稳定的条件；y u 等【2 0 】将一类数据包丢失过程为任意的但连续丢包数为有界的 n c s s 建模为一个具有任意切换律的切换系统，并给出了状态反馈和静态输出反馈稳定化控 制器的设计方法；s e i l e ra 1 1 ds e n g u p t a 【2 1 1 将具有丢包过程的n c s s 描述为一个具有两个切换模 式的m 砌v 跳变系统，并给出了鼠输出反馈控制器的设计方法。进一步的，考虑丢包同 时存在于反馈通道和前向通道的情形，这方面的研究结果很少，特别是有关输出反馈控制 问题，这里的主要问题在于如何建模。相关研究结果包括：o n ga n dl 锄【2 2 】考虑了丢包过 程为任意的和服从m 础o v 链分布的n c s s 的建模、分析和设计方法。在假定传感器为时间 驱动，控制器和执行器为事件驱动的情况下，分别将具有这两个丢包过程的闭环n c s s 描述 为具有任意切换律的切换系统和m 破o v 跳变系统，并分别给出了状态反馈控制器的设计方 法。 相对于网络诱导时滞问题，丢包问题的研究结果相对较少。归纳起来，目前关于丢包 问题的网络控制的研究结果存在以下的局限性： ( 1 ) 丢包过程同时存在于前向通道和反馈通道的研究结果不足，且已有的研究结果中 都将前向通道的丢包过程和反馈通道的丢包过程结合为一个丢包过程，实际中这 两个丢包过程往往具有不同的特性。 ( 2 ) 所设计的控制器多为事件驱动的状态反馈控制器。 ( 3 ) 尚未明确地建立起丢包率和闭环n c s s 稳定性之间的解析关系。 对上述三个局限性分别说明如下： ( 1 ) 现有研究丢包问题的结果绝大部分都假设丢包仅存在于反馈通道的情形，显然， 这只是为了理论分析的方便，实际应用中并不现实。因此研究丢包同时存在于前 向通道和反馈通道的结果更具有实际意义。 ( 2 ) 首先，与时间驱动型相比，事件驱动的控制器在物理上更难以实现；其次，采用 事件驱动的控制器时，前向通道的丢包过程和反馈通道的丢包过程就结合为一个 丢包过程，而实际中这两个丢包过程往往具有不同的特性。因此，当研究这两个 丢包过程具有不同特性的n c s s 时就需要采用时间驱动型的控制器，这样的研究结 果极少；最后，丢包同时存在于前向和反馈两个通道的输出反馈控制问题也少有 研究。 ( 3 ) 在主动丢包的情况下，必须首先明确地建立起丢包率和系统稳定性之间的关系， 8 浙江工业大学硕士学位论文 从而为n c s s 的设计者和调度者提供一个如何丢包的依据。 以上分别独立地分析了n c s s 中的网络诱导时滞问题和数据包丢失问题。但在实际的 n c s s 中，时滞和丢包现象往往同时存在。因此，研究同时具有时滞和丢包的n c s s 将更具 实际意义。目前，这方面的研究结果较少，研究的难度也较大。在假设时滞和丢包仅存在 于反馈通道的前提下，y u 等【2 3 】将网络化离散时间线性系统建模为具有任意切换律的离散时 间切换系统，并给出了状态反馈和静态输出反馈控制器的设计方法；l i l la i l da n t s a k l i s 【1 4 】 将网络化连续时间线性系统建模为具有任意切换律的离散时间切换系统，并给出了稳定性 分析和乙扰动衰减分析结果。在考虑时滞和丢包同时存在于反馈和前向通道的情况下，y u e 等【2 4 】给出了一种新的基于连续时间系统的建模方法，并利用时滞系统的研究方法给出了稳 定化状态反馈控制器的设计方法。一种最接近实际n c s s 状态的情形是时滞和丢包同时存在 于n c s s 反馈通道和前向通道，但有以上分析可知，相关研究结果极少，许多问题有待全面 和深入地研究。例如，输出反馈控制问题；两个通道的丢包和时滞服从不同分布特性时的 建模、分析和控制问题等。 1 2 3 多包传输 多包传输是针对单包传输而言的。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发送。而多包传输是指传感器等系统部件的待发送 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，也必须采用多包传 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 i m 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 i 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 l l e m e t 的数 据包所能容纳的数据量较少可以采用单包传输方式；而d e v i c e 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。 9 浙江工业大学硕士学位论文 多包传输所引起的主要问题在于： ( 1 ) 同一采样时刻传送给控制器的传感量和传送给执行器的控制量被分成多个包进行 传输，由于网络诱导时滞的随机性和时变性，使得各个数据包到达相应节点的时 刻各不相同。用于单包传输情况下网络诱导时滞问题的分析和设计方法在这种情 况下不再适用( 定常时滞的情况除外) 。 ( 2 ) 在发生丢包的情况下，多包传输会引发不完整信息反馈和不完整信息控制的问题。 例如，对于单输入单输出系统，在某一时刻被分成多个数据包进行传输的控制量， 其中个别的数据包若发生丢失，就产生了不完整信息控制问题。这种情况与单包 传输情况下的丢包问题不同，也与具有多个传感器和执行器节点的m i m o 系统的丢 包问题不同。因此，相应的方法也不再适用。 目前，多包传输问题的研究结果较少。z h a i l 1 将多包传输_ n c s s 建模为异步动态系统， 但未给出一般的稳定性分析结果，且所考虑n c s s 的网络仅存在于反馈通道；朱【8 】将具有短 时滞并且网络仅存在于反馈通道的多包传输n c s s 描述为一个随机系统，并给出了随机最优 控制器的设计方法；樊【1 3 】在假设传感器节点采用多包传输而控制器节点采用单包传输，并 且在传感器每周期只传送一个数据包而丢弃其他所有数据包的情况下，分别将静态调度策 略和动态调度策略下的多包传输n c s s 建模为离散时间周期系统和离散时间自主切换系统， 并给出了稳定化控制器的设计方法。显然该结果的假设条件比较理想化。由以上分析可知， 多包传输所引起的诸多问题尚有待全面和深入地研究。 根据以上分析和网络控制的发展现状