（测试计量技术及仪器专业论文）基于随机时延的网络控制系统研究和设计.pdf

- ，f 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学测试计量技术及仪器 研究方向：虚拟仪器及网络化测控技术 作者：2 0 0 7 级研究生陈军 指导教师：高翔 i i l l il lii i iil uli i i ii ij y 17 5 4 8 4 6 题目：基于随机时延的网络控制系统研究和设计 英文题目：r e s e a r c ha n dd e s i g no fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sb a s e d o n r a n d o mt i m ed e l a y 主题词：网络控制系统，网络时延，s m i t h 控制，模糊控制 k e y w o r d s ：n e t w o r k e dc e n t r e l s y s t e m s 。n e t w o r k e d tim ed eia y ，s mit h c e n t r ei ，f u z z yc e n t r ei ， 0 j 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，网络控制系统n s c ( n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s ) 在工业控制领域得到越来越广泛的应用。在网络控制系统中，传感器与控 制器，控制器与执行器之间的数据传输通常存在着不确定的网络延迟。时延的存在会降低 系统的控制性能，使系统的稳定范围变窄，甚至可能使系统不稳定。 本文在分析网络时延对网络控制系统影响的基础上，针对存在随机时延的网络控制系 统，分析了传统s m i t h 控制器和模糊控制在网络控制系统应用中存在的不足，提出一种改 进型s m i t h 预估控制算法和模糊控制算法，并将其分别应用于网络控制系统中。 本文根据s m i t h 预估控制和模糊控制各自的特点，将改进的模糊控制和s m i t h 控制相 结合，提出种新型的f u z z y - s m i t h 网络控制器，进一步改善了系统的控制性能。最后， 分别基于m a t l a b s i m u l i n k 和m a t a l a b t r u e t i m e ，对提出的几种改进型网络控制器进行仿真 实验，仿真结果表明：改进的f u z z y - s m i t h 控制器能够很好地补偿随机时延对网络控制系 统的影响，提高系统的控制品质。 关键词：网络控制系统，网络时延，s m i t h 控制，模糊控制 s y s t e m si nt h i st h e s i s ，a i m i n ga tn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mw i t ht h ee x i s t e n c eo fr a n d o md e l a y , a n a l y z es o m ee x i s t i n gl a c ko ft h et r a d i t i o n a ls m i t hc o n t r o l l e r a n df u z z yc o n t r o l l e ri nt h e a p p l i c a t i o no fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s ，an e wt y p eo fi m p r o v e ds m i t hc o n t r o la r i t h m e t i ca n d f i z z yc o n t r o la r i t h m e t i ci sp r e s e n t ，a n da p p l i e dt on e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，r e s p e c t i v e l y an e wt y p eo ff u z z y - s m i t hc o n t r o l l e ri sp r e s e n tw i t ht h ec o m b i n a t i o no fi m p r o v e df u z z y a n ds m i t hc o n t r o l a c c o r d i n gt o t h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n df u r t h e ri m p r o v et h ec o n t r o l p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s a tl a s t ，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t so fs o m e i m p r o v e dn e t w o r k e dc o n t r o l l e r a r ec a r r i e do u tw h i c hb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ka n d m a t a l a b f r r u e t i m e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e d ：t h ei m p r o v e df u z z y - s m i t hc o n t r o l l e rc a nw e l l c o m p e n s a t et h en e t w o r ke f f e c tt h a tm a k eb yt h er a n d o mt i m ed e l a y , i m p r o v ec o n t r o l l e dq u a l i t y o fs y s t e m s 气 k e y w 。r d s ：n e m 。r k e dc 。n t r o ls y s t e i l l s , n e t w o r k e dt i m ed e l a y ，s m i mc o n t r o l ，舰z yc o n 咖1 ， i i 妻_ f 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要譬i a b s t r a c t i i 目勇毛i i i 第一章绪论1 1 1 网络控制系统研究背景及意义1 1 2 网络控制系统基本问题1 1 3 网络控制系统研究现状5 1 4 本文的创新点及整体结构9 第二章网络控制系统的时延与节点驱动分析1 l 2 1 网络控制系统时延分析l l 2 1 1 时延产生的原因1 1 2 1 2 时延测量方法1 3 2 1 3 时延对网络系统影响的仿真与分析1 4 2 2 节点驱动方式分析1 6 2 2 1 节点驱动方式分类1 6 2 2 3m a t l a b t r u e t i m ej r 具箱介绍1 7 2 2 3 节点驱动对网络系统影响的仿真与分析1 8 2 3 本章小结1 9 第三章基丁改进s m i t h 控制的网络控制器没计2 0 3 1s m i t h 预估控制原理2 0 3 2 网络控制系统结构分析2 2 3 3 基于控制端的s m i t h 控制器设计2 2 3 4 基丁被控对象端的s m i t h 控制器设计2 4 3 5 基丁改进的s m i t h 预估控制器设计2 6 3 6 基于改进s m i t h 控制的网络系统仿真与分析2 8 3 6 1 基丁有线c s m a a m p 协议网络仿真2 9 3 6 2 基于无线i e e e 8 0 2 1 l b g 协议网络仿真3 2 3 7 本章小结3 4 第四章基于改进模糊控制的网络控制器设计3 5 4 。l 模糊控制理论基础3 5 4 1 1 模糊控制系统组成3 6 4 1 2 模糊控制器设计3 7 4 2 基于模糊控制的网络控制系统研究与设计3 9 4 2 1 基丁模糊控制的网络控制系统研究3 9 4 2 2 基丁模糊控制的网络控制器设计4 0 4 3 基于改进模糊控制的网络控制器设计4 1 4 3 1 自适应模糊控制原理4 l 4 3 2 基于改进模糊控制的网络控制器设计4 2 4 4 基丁二改进模糊控制的网络系统仿真与分析4 4 4 4 1m a t l a b s i m u l i n k 的模糊i ：具箱介绍4 4 4 4 2 基于改进模糊控制的系统仿真与分析4 5 4 5 本章小结4 7 第而章基丁新型f u z z y s m i t h 网络控制器设计4 8 5 1 基丁新型f u z z y s m i t h 网络控制器设计4 8 5 2 基丁新型f u z z y s m i t h 网络系统仿真与分析4 9 i i l 南京邮电大学硕+ 研究生学位论文 目录 5 2 1 基于固定时延下的系统仿真与分析5 0 5 2 2 基于随机时延下的系统仿真与分析5 2 5 2 3 系统鲁棒性仿真与分析5 5 5 2 4 仿真结论分析5 7 5 3 本章小结5 8 第六章总结和展望5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望6 0 致谢6 l 参考文献6 2 攻读硕十学位期间已发表或录用的论文6 7 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 网络控制系统研究背景及意义 随着控制任务和结构的日益复杂化、系统各部件之间共享和交换信息的急剧膨胀，以 及计算机、通信、传感器和网络技术的发展与广泛应用，种新型的分布式、智能化、网 络化的控制系统应运而生网络控制系统n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，它是利用 专用或通用的通信网络连接构成闭环的控制系统【l j 。 该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。网络环境下的新型控制系统不仅可以应用于复杂的工业控制领域，而且在兵器系统、 机器人工业、航空及航天领域也极具潜力。n c s 也充分体现了控制系统网络化、集成化、 分布化及节点智能化，是未来控制系统的发展模式。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。 在网络控制系统带来诸多优点的同时，也给控制学科带来了新的挑战。首先，由于通 讯机制与通信协议的原因，以及网络的带宽有限且为系统中各节点所共享，当传感器、控 制器和执行器通过网络交换数据时，往往出现数据多路径传输、多包传输、数据碰撞、网 络拥塞、网络连接中断等现象，这使得网络控制系统不可避免地产生数据传输延时、数据 包时序错乱、数据包丢失等问题。特别地，传输时延不仅会降低性能，严重地还会使将系 统失去稳定性。此外，在n c s 中，时变传输周期、多率采样、节点驱动方式、时钟同步方 式、信息调度算法、空采样等，也将使闭环系统的性能结构发生改变。因此传统的控制理 论和控制方法已不能直接应用于n c s 的分析，设计。必须针对n c s 的不同特性，重新分 析和建立网络控制系统的控制理论和控制方法。 1 2 网络控制系统基本问题 网络控制系统与传统的点对点直接控制系统相比，系统的结构的主要特征是传感器、 控制器和执行器不是点对点的直接相连，而是通过公共网络( 有线网络或无线网络) 交换 数据和控制信息，因而使得系统具有许多截然不同的特性。这些特性决定了n c s 的控制理 论和控制方法的研究，必须针对其特有的问题，采用有效地分析方法，制定可行的解决方 堕塞堕皇查兰塑主堕塞竺兰焦堡奎 一 塑= 童堑望 案，设计正确的控制算法。 由于n c s 中通信网络的存在，使得n c s 的运行机制、分析与设计比传统的点对点直接 控制系统更加复杂。n c s 中涉及的基本问题简述如下： 1 ) 通信媒体类型及通讯协议 在网络控制系统中，通信网络是控制系统的“中枢神经 ，是系统中传感器、执行器 和控制器等各节点所共享的公共网络。这一公共网络可以是有线网、无线网或混合网。例 如可以是i n t e r n e t 、无线局域网、传感器网络、工业以太网、现场总线或以太网与现场总 线的结合等。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( c y c l i cs e r v i c e ) 两大类 2 1 。在随机访问 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 em 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 nd e t e c t i o n ) 。c a nb u s 协议，采用带有信息优先级仲裁的载 波监听多路访问协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， 网络节点问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、节点驱动方式等。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。 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有两种驱动方式：时钟驱动( c l o c kd r i v e n ) 和事件驱动( e v e n t d r i v e n ) 。时钟驱动意味着网络节点在预定的时间启动工作，时钟驱动可使网络节点周期 地工作；而事件驱动则意味着网络节点在特定的事件发生时启动工作。例如，传感器一般 为时钟驱动，即传感器按系统时钟，以一定周期采样被控对象的数据；控制器和执行器节 点既可以时钟驱动，也可以事件驱动。控制器事件驱动指当接收到传感器节点传输来的数 据时立即进行控制计算等操作，而执行器节点事件驱动指接收到控制器传输来的控制信 号，立即执行控制命令，驱动被控对象的执行机构，进行相应的调节操作。 对于具有多采样的n c s ，若采样时钟驱动的a d 和d a 转换器，由于网络带宽的限制 使得系统对信号的要求更高，过多的冗余信号将加重系统负荷，因而加重网络诱导时延、 2 大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 和数据丢包，从而使系统的控制性能恶化。而采用事件驱动则避免上述问题，对改 善系统的控制性能具有实质性意义。采样事件驱动的多采样率理论的研究已经问世。 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驱动工作，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 时钟驱动时节点时钟同步困难、空采样和数据丢失等问题。 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。 3 ) 单包与多包传输 单包传输是指传感器( 或控制器) 的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。 4 ) 多采样率 多采样率是指控制系统中的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的特点，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 制器和执行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，其会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，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( 常数、有界、随机时变等) 使得现有 3 堕室坚皇奎兰堡圭堑窒竺堂垡笙奎 蔓= 量堑堡 的方法一般不能直接应用。 网络诱导时延包括传感器一控制器时延k 和控制器一作动器时延吃，不管对传感器 一控制器时延还是控制器作动器时延而言，其都可以分为三部分，即源节点时延、网络 通道中的时延和目标节点的时延。在源节点和目标节点的时延称为器件时延，在网络通道 中的时延称为通道时延。 6 ) 数据丢包 在n c s 中，当节点故障或信息冲突时会发生丢包现象。虽然大多数网络协议都有重发 机制，但数据仅在允许重发的时限内重发，一旦超出这个时限，将发生丢包，这将造成数据 的丢失。然而，对实时反馈控制信息( 例如，测量值和控制信号) 来讲，丢弃过时的数据，始 终发送最新的数据，不进行信息的重发，这样更有利于最新信息的利用，保证信息的实时 性。 一般说来，反馈闭坏系统可以容忍一定比例的数据丢失，对一些本来在没有数据包丢 失时稳定的系统，当数据丢失率达到某一定值时，系统将变得不稳【3 1 。可见研究数据包丢 失时系统是否稳定以及计算系统可以接受的最大丢包率无疑是很有价值的。 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信设备且路径不唯一，这必然会导 致数据包的时序错乱问题。数据包错乱一般发生在具有路由、网关等中继环节的长时延n c s 中。由于路由器( 或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。在n c s 中，数据包的乱序又分为两种情况： ( 1 ) 在单包传输的情况下，由于每个数据包中的数据是完整的，此时的数据包的时序 错乱是指原来有一定先后次序的多个完整的数据包在从源节点发到目标节点时，其到达的 时序与原来的时序不同。 ( 2 ) 多包传输的情况下，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源节 点到达目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。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n c s 的设计和分析中必须分别对待。 8 ) 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 4 京邮电大学硕十研究生学位论文第一章绪论 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。 一 在网络控制系统中，采用t o 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。 9 ) 网络调度 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。这旱的调度包含两个内容，一个是实时控制器中各个任务的调度，还有一个是网络调 度。这里所说的网络调度发生在网络用户层，而不是发生在传输层，调度算法所关心的是 被控对象传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权，而不关心被发送的数据如何更 有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应采取何种措施，这些问题在网络层由线路 优化和堵塞控制算法所考虑。另外，发生在用户层的调度控制还可以调度控制环的采样周 期和采样时刻，以尽量避免网络中消息冲突现象的发生，从而最大限度地减少数据的传输 时延。 1 3 网络控制系统研究现状 n c s 是集通信网络和控制系统于一体的分布式控制系统，是跨越网络通信和控制理论 两个研究领域的复杂系统。n c s 的研究始于2 0 世纪8 0 年代末r a y 等关于集成通信控制系 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 ) 的研列45 1 。9 0 年代，n c s 迅速应用于国 防、航空航天、设备制造、过程控制、远程控制及经济管理领域，从而掀起了n c s 的研究 热潮。我国对n c s 的研究起始于9 0 年代术现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 在工业控制领域的应用。目前，n c s 研究主要有两大分支【6 。7 】：一个是源于计算机网络技术 以提高多媒体信息传输和远程通信服务质量( q o s ) 为目标；一个是源于自动控制技术以 满足系统稳定性及其他动态性f j v ( q o p ) 为目标。前者实现的是对网络的控制( c o n t r o lo f n e t w o r k ) ；后者实现的是通过网络对系统的控制( c o n t r o lt h r o u g hn e t w o r k ) 。前者的评价指 标包括网络吞吐量、数据传输率、误码率、时延可预测性和任务可调度性，研究方案围绕 着网络的q o s ，从网络拓扑结构、任务调度算法、网络路由、网络数据流量的控制与调度 以及介质访问控制层协议等不同角度，运用运筹学和控制理论的方法，提出解决方案，以 满足控制系统对实时性的要求，同时减少网络时延和时延的不确定性；后者的评价指标包 5 堕室堕皇奎兰堡圭塑茎生堂垡丝塞 至二雯堕堡 括平稳性( 超调量大小) 、快速性( 调节时间大小) 和准确性等，研究方案围绕着系统的 q o p ，在现有的通信网络基础上，即以网络的拓扑结构、通信协议、信道负载和实验特性 为已知条件，针对n c s 存在的问题和特性，建立系统的连续、离散或混合模型，分析并给 出系统的稳定条件，设计出相应的控制器，以保证系统具有良好的稳定性和高质量的控制 性能。 一 目前，关于n c s 的研究经历了十多年的历程，取得了丰硕的成果。研究领域包括连续 域、离散域和连续离散混合域。研究的对象包括线性定常、线性时变和非线性对象。 研究方法包括确定性控制方法、随机控制理论方法、鲁棒控制方法、智能控制方法、预测 控制方法、神经网络方法、遗传算法以及切换系统等方法。研究内容主要包括，网络调度 方法、针对n c s 特定问题的系统建模、稳定性分析、鲁棒与风控制、数据丢包的分 析与控制、n c s 仿真平台等具体如下： 1 ) 网络调度方法的研究 在n c s 中，系统的性能不仅依赖于控制策略的设计，而且还依赖于网络资源的调度。 尤其在网络资源有限的条件下，传感器、控制器及执行机构之间共享通讯网络的时间分配 是n c s 性能好坏的关键因素之一。因此设计合适的实时调度算法对保证通信网络的服务质 量至关重要。文献 8 】提出了一种基于误差的优先调度策略，在这基础上，文献 9 】受最大误 差优先f s 】的启发，对不同控制回路赋予不同的权重，提出了一种基于反馈的最大紧急度优 先的网络消息调度算法。它按照当前事件的紧急度来动态调整控制回路的优先级，使控制 性能得到改善，类似的文献 1 0 也提及。文献i 11 】针对c a n 总线的n c s ，通过网络监测器 周期地在线获取当前的网络服务质量，构造网络带宽和执行时间的自回归模型估计当前可 利用的网络带宽等参数，提出一种动态闭环调度策略实时地调整控制系统的采样周期以适 应网络中信息流的变化。 2 ) n c s 建模、稳定性的研究 n c s 的建模是n c s 分析、仿真和设计的基础，因此n c s 的建模问题在n c s 的研究 中具有重要意义。樊卫华等【1 2 】讨论了同时存在传输时延和数据包丢失的n c s 建模问题， 并借助a d s 的一些结论，讨论了n c s 的稳定性，给出具有典型双线形矩阵不等式的结论， 但是他们既没有考虑控制器执行器之间的延迟，也没有考虑不同节点的分布式异步多时延 情况。w uc u i q i n 1 3 】对多输入多输出( m i m o ) 网络控制系统建立了传感器为时间驱动、控制 器和执行器为事件驱动的离散数学模型，在该数学模型的基础上设计了满足给定离散性能 指标的随机最优状态控制器。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 稳定性是系统控制性能的基本要求，关系到系统能否正常工作，是系统分析和设计中 需要首先考虑的问题。由于网络控制系统引入了网络，而网络特性比较复杂，网络控制系 统的稳定性很大程度上受网络内在特性( 延时、丢包、数据包数序错乱等) 的影响，所以稳 定性研究也是网络控制系统的一个重要方面。m o n t e s t r u q u e 在文献 1 4 】中基于s c h u r 稳定性， 提出了一种基于模型的网络镇定控制设计方案。之后j m o n t e s t r u q u e 还将文献 1 5 】中的方法 进一步推广到随机采样周期的情形。刘鲁源等【1 6 1 推导了多输入多输出网络控制系统的时滞 离散时间数学模型，提出了一种新的网络控制系统稳定性分析方法，得到了使系统稳定的 各网络延时应满足的条件，只要延时满足这些条件，网络控制系统的极点便分布在复平面 内的一个圆形区域内，若此圆形区域在单位圆内，网络控制系统就是稳定的。g u o p i n gl i u t j 研究了仅反馈通道存在随机延时的网络控制系统的设计，给出了闭坏网络预测控制系统的 稳定性充要标准，从而推导出只要相应的开关系统是稳定则具有确定随机网络延时的闭环 网络预测控制系统就是稳定的。文献【1 8 】建立了采样时间和网络时延分别在有限个值之间 按m a r k o v 链随机切换的时变采样网络控制系统的数学模型，给出了系统随机稳定的充分 必要条件，进而应用锥补线性化方法设计出保证系统随机稳定的控制器。 3 ) 鲁棒控制和也 在n c s 中，有许多不确定的因素影响着系统的控制性能，如分布规律不确定的随机时 延、不确定的数据丢包率、随机的测量噪声、过程噪声和外部未知扰动等。网络控制系统 的鲁棒控制设计方法的关键是要将延时环节转化为系统的一个不确定块，同时可以考虑被 控对象本身的不确定性，然后针对转化后的系统进行鲁棒控制器设计，这样设计出的控制 器能同时保证网络控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能指标。邱占芝等【l9 】研究了传感器时钟 驱动、控制器和执行器事件驱动，存在恒定采样周期和不大于一个采样周期的不确定时延 网络控制系统的鲁棒控制问题。随后作者考虑不大于一个采样周期的不确定时延和有限能 量的外部扰动，推导出了网络控制系统动态输出反馈鼠控制律存在的充要条件，给出了最 优动态输出反馈以控制律的设计方法【2 0 1 。yl w a n g 等【2 l 】针对存在随机时延和数据包丢 失、乱序的网络，将这类网络控制系统描述成为离散时间切换系统，这样网络控制系统的 稳定性和扰动抑制问题就可转化为切换系统的相应问题，可以利用切换系统的理论进行研 究。李璋等【2 2 】考虑到网络模型的不确定因素和故障造成的某些传感器失效，提出了一种新 的鲁棒容错控制器的具体设计方法。该控制器对所有网络时延、模型不确定和网络故障的 系统都有效。文献 2 3 针对一类共享有限通信约束的网络控制系统，讨论了日，的控制问题。 系统中多传感器信息传送至执行器采用了周期序列的调度策略，在信息具有随机丢包的情 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 况下结合线性矩阵不等式方法设计了玩控制器，并且分析了稳定条件下丢包概率问题 4 ) 数据包丢失的研究 一 n c s 通过网络传输数据时，由于受至廿不同网络数据包大小的限制，因此往往传输时也 不可避免地存在数据包丢失，数据包丢失状况随着网络负载实时变化，在时间上无统计规 律可循，难以用数学语言准确地描述其特性，从而增加了存在数据包丢失问题的网络控制 系统建模与分析的难度。w e i 2 4 】等人针对网络存在于传感器与控制器之间的网络控制系统， 假设数据包丢失率一定，网络诱导时延的影响可忽略，将系统建模为具有事件率约束的异 步动态系统，利用异步动态系统的稳定性理论，分析了闭环系统的指数稳定性，并研究了 保证闭环系统稳定的数据包丢失率的变化范围。r a b e l l o 等【2 5 】将文献 2 4 】的方法和结论推广 到了网络同时存在于传感器与控制器及控制器与执行器之间的网络控制系统中。胡维礼、 樊卫华等【2 62 7 】将文献 2 5 】的方法和结论拓宽到同时存在不确定短时延和数据包丢失的n c s 中。利用异步动态系统建模的前提条件是数据包丢失率是确定的，所以在应用范围上受到 了一定的限制。另外，文献 2 8 】在数据包丢失率一定时，根据更新控制器采用的信息不同， 采用了两种不同的问题解决方案，分别建立了网络控制系统的动态系统模型，并分析了网络 控制系统的指数稳定性。文献 2 9 】针对单数据包传输情况，将同时存在网络诱导时延和数 据包丢失的网络控制系统建模为具有事件约束的异步动态系统，依据l y a p u n o v 稳定性原 理，提出了同时存在网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统指数稳定的网络诱导时延 条件和数据包丢失条件。文献 3 0 1 假设了假设数据包丢失率为独立同分布随机量，在这基 础讨论了系统随机渐近稳定的充分条件，最后基于a r m 9 嵌入式实验系统进行了验证。 5 ) n c s 仿真研究 控制系统的数字仿真是分析、研究和设计控制系统的一种快速而经济的辅助手段。n c s 仿真的目的是揭示系统的动态规律、探索各种复杂因素对系统性能的影响、验证分析与设 计方法和研究结果的有效性和可行性等。有关n c s 仿真的研究成果有很多，文献 3 13 2 】 给出了基于m a t l a b 的实时网络控制系统的仿真集成环境咱l e t i m e ，介绍了t r u e t i m e 模块的功能、使用方法，以及利用t r u e t i m e 进行n c s 仿真的例子。利用t m e t i m e ，通过 c 函数、m 函数或s i m u l i n k 模块描述任务节点任务，定义网络调度策略，从而模拟事件驱 动的网络节点的工作过程，模拟包含控制器任务的多任务实时内核动态行为，研究c p u 和 网络调度对系统控制性能的影响等。文献 3 3 1 给出了无线网络环境下，基于t m e t i m e 进行 仿真的具体现实，包括网络参数设置，网络环境的搭建等。文献 3 4 】为研究网络对控制系 统性能的影响，设计了一种n c s 仿真平台，该平台用m a t l a b 构造系统部件和被控对象模 8 塑室坚皇奎堂堡主婴塑生堂垡笙奎 笙二至堕堡 型，使用w i n d o w s 的套接字w i n s o c k 进行控制器与被控对象之间的通信，所设计的平台可 以方便地模拟实际对象的运行，并能够灵活地实现各种控制算法，为网络控制系统的分析 与设计提供一种经济、方便的仿真环境。 1 4 本文的创新点及整体结构 本文主要围绕网络控制系统的时延分析、控制器的设计、性能的研究、以及网络控制 系统的仿真和实验。本文的创新点如下： 1 ) 针对传统的基于s m i t h 预估器的网络控制器存在的不足：很难事先准确地预估出网 络时延的模型、依赖于精确的被控对象模型等。提出了一种改进型的s m i t h 预估控 制的方法，该控制策略优点在于：1 不再包括网络时延的预估模型，信息流所经历 的网络时延是控制过程中真实的网络延迟，无需对网络时延进行在线测量、估计、 或辨识，从而降低了对网络节点时钟信号同步的要求，避免了对网络时延进行预估 时，模型不准确所造成的估计误差。2 在反馈通道增加了一个调节器，当对象模型 不匹配时，可以起到调节作用，改善系统的控制品质。 2 ) 针对传统的基于模糊控制的网络控制系统，只适用于低阶控制对象、静态控制性能 不够理想等缺点，将经典领域的自适应模糊控制做了改进，将二输入三输出的系统 修改为二输入单输出系统，提高了系统控制精确度和实时性，使其更好地应用于网 络控制系统中，从而提高了网络控制系统的控制性能和鲁棒性。 3 ) 将改进的模糊控制和s m i t h 预估控制相结合，提出了一种新型f u z z y s m i t h 控制策。 利用s m i t h 预估对网络时延进行很好补偿的同时，又利用模糊控制对被控对象参数 不需要精确的特点，将两者相结合，很好地改善系统的控制品质、鲁棒性、稳定性， 特别地在随机的大时延网络其控制效果更加明显。 全文的整体结构安排如下： 第一章为全文的绪论部分，第一节介绍了网络控制系统的研究背景和意义；第二节阐 述了网络控制的几个基本问题，其中包括诱导时延、数据丢包等；第三节是网络控制领域 国内外的一些研究现状，和目前网络控制的几个热点问题。 第二章主要是对网络控制系统时延和节点驱动进行了分析。第一节主要分析网络时延 的产生原因、时延测量的方法以及时延对控制系统性能的影响并进行了仿真比较；第二节 对网络控制系统的两种节点驱动方式( 时钟驱动、事件驱动) 进了分析和比较。并且，基 于m a t l a b t r u e t i m e 进行了仿真验证。 9 塑室坚皇奎堂堡主塑壅生堂垡笙奎苎二皇笙笙 第三章主要是对基于s m i t h 预估控制的网络控制系统进行了研究和设计。第一节简单 介绍了s m i t h 预估控制器的原理；第二节分析了一般网络控制系统的结构；在这基础上，。 第三节研究了基于控制端的s m i t h 控制器设计，并深入分析这种控制策略在网络控制系统 存在的不足；第四节研究了基于被控对象端的s m i t h 控制器设计，同样指出了其存在的不 足；第五节，在分析了前两种s m i t h 预估控制在网络控制系统中存在不足的基础上，提出 了一种改进的s m i t h 预估控制方法；第六节基于m a t l a b t r u e t i m e 对提出的改进s m i t h 控制 在不同的网络环境下进行了仿真实验。 第四章主要是对基于模糊控制的网络控制系统进了研究和设计。第一节首先介绍了模 糊理论的基础知识，包括模糊控制系统的组成和控制器的设计；第二节阐述了目前模糊控 制理论在网络控制系统中的一些研究现状，在这基础上分析了基于一般模糊控制的网络控 制器设计并指出了其存在的不足；第三节先介绍了自适应模糊控制的基本概念，在这基础 上，自适应模糊控制进行了改进，并将其应用于网络控制系统中；第四节，基于 m a t l a b s i m u l i n k 对改进的控制策略进行了仿真和分析。 第五章主要设计一种基于新型f u z z y - s m i t h 的网络控制器。第一节对基于新型 f u z z y - s m i t h 控制的网络控制器进行了设计，并分析了该控制器在网络控制系统中的优越 性；第二节对基于新型f u z z y - s m i t h 的网络控制系统进行了全面的仿真，并验证其有效性 和可行性。 1 0 南京邮电大学 2 1 网络控制系统时延分析 在影响n c s 性能的所有因素中，最主要的因素之一就是网络诱导时延。时延会降低系 统的性能，使系统的稳定范围变小，甚至使系统不稳定。时延是系统不稳定的主要因素， 因此，在网络控制系统的分析和设计中，网络时延是不可忽略的重要部分。 2 1 1 时延产生的原因 在n c s 中，由于网络通信方式、共享带宽以及网络负载变化不规则等因素的制约，当 控制器节点和远地被控对象的传感器节点和执行器节点通过网络交换数据和控制信息时， 往往出现多路径传输、多数据包传输、数据包时序错乱、数据包丢失、数据包重传、数据 包碰撞、网络拥塞以及连接中断等现象。因此，节点间信息通信时，网络诱导时延是不可 避免的。 时延( d e l a y ) 是衡量通信网络服务质量的一个重要性能指标之一，它表示网络中两 个节点间传输一位数据所需要的时间，用秒或几分之一秒表示。节点在网络中的位置不同， 时延将有所不同。 在n c s 中，网络诱导时延主要有以下因素构成： 1 ) 数据包排队等待时间。当网络忙或发生节点数据包碰撞时，节点等待网络空闲再 发送所用的时间。 2 ) 信息产生时延。发送端等待发送信息封装成数据包并进入排队队列所需时间。 3 ) 传输时延。数据包在实际传输媒体上传输所需时间，其大小取决于数据包的大小、 网络带宽和传输距离。 以上三种时延构成了网络诱导时延的主要部分。当传感器、控制器、执行器之间通过 网络传递信息时，在经过路由器时还有排队等待时延，以及不同网络段间传输时延等。还 有些网络协议在发生数据丢包或出错时允许重发数据包，这又增加了数据传输时延。另外， 还有一类系统节点设备计算处理时延，如传感器和执行器完成自身功能所用的时间。但由 于目前节点设备大多采用智能设备，节点设备的计算处理时延相对采用周期很小，可以忽 略不计。因此，n c s 的信号传输时序可以用如图2 1 所示。 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章网络控制系统的时延与节点驱动分析 传感器输出 控制器输出 ( 七十1 ) t l “( 后7 1 ) u ( k t 一吒) i - - - - - - _ k1 i 砭 ，i。 ，七，量 7 图2 1 信号传输时序图 图2 - 1 中，y ( k t ) 表示第k 周期传感器测量输出量，u ( k t ) 表示第k 周期控制器输出 地控制信号，t 。s k 表示第后周期远地系统中待发送的传感器测量值封装成数据包时刻，表 示第七周期控制器计算来源于传感器的数据包开始时刻，艺表示第七周期控制器的计算时 间，t 。k 表示第七周期控制器将处理后的待发送控制信号封装成数据包时刻，t 。k 表示第k 周 期远地执行器开始执行控制信号时间。表示第k 周期传感器到控制器时延，t 。k 表示第七 周期控制器到执行器时延。因此有= 毪一，砭= 一毪。整个网络的诱导时延定义 为从传感器测量值封装成数据包时刻到执行器开始执行控制信号时刻所用的时间。因此， 有f = + + 艺。因艺相对采样周期很小，当忽略不计，则第j j 周期整个回路网络诱导 时延为f = + 吒，所以一般的网络控制系统结构图可用图2 2 表示。 袱t 兰i 一i 广 l 拒 到 1 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章网络控制系统的时延