（控制理论与控制工程专业论文）网络控制时滞系统的建模与稳定性分析.pdf

中文摘要 中文摘要 通过控制网络实现闭环控制回路的反馈控制系统称为网络控制系统 网络控 制系统具有系统连线少 可靠性高 结构灵活 易于系统维护和扩展等优点 但 由于控制网络是分时复用的 控制系统不可避免地会受到网络延时的影响 网络 延时可以导致控制系统的性能下降 甚至使系统失去稳定 而且对于不同的网络 协议 网络延时可能是恒定的或是时变的 这使得网络控制系统的分析与设计十 分复杂 本文讨论了网络控制系统的采样技术和节点驱动方式 分析了网络延时的组 成 研究了三种不同控制网络的延时特性和性能 在此基础上 针对网络延时对 控制系统的影响 利用离散时间系统理论 建立了具有多个独立传感器多个独 l 执行器 执行器分别工作在时间驱动和事件驱动方式下网络控制系统的离散b j 问 数学模型 针对提出的网络控制系统离散时间数学模型 基于离散时间系统稳定性理 论 给出了使网络控制系统口稳定和使系统极点落在d b 范围内的充分条件 得到了使网络控制系统稳定的最大允许网络延时或各网络延时之间应满足的关 系 详述了e d f e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t 调度策略的基本原理 讨论了该调度策 略应用于网络控制系统信息调度时所遇到的问题及解决方案 提出了e d f 调度 策略与控制系统性能相结合的e d f m e p e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t m a x i m u m i n d u c e d n o d ee r r o r p r i o r 网络信息调度策略 给出了利用此调度策略进行网络信 息调度时 对网络控制系统节点误差的定量分析 关键词 网络控制系统 控制网络 稳定性 最大允许网络延时 非等差多时滞离散时间系统 调度策略 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef e e d b a c kc o n 订o ls y s t e mw h e r e i nc o n t r o ll o o p sa r ec l o s e dt h r o u g hc o n t r o l n e t w o r ki sc a l l e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mh a st h e a d v a n t a g e so fl e s sw i r e s h i 曲r e l i a b i l i t y i n c r e a s e ds y s t e ma g i l i t ya n dg o o df l e x i b i l i t y e t c t 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 gm u l t i p l e x i n g s on e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e mi sa f f e c t e db yn e t w o r ki n d u c e dt i m ed e l a yi n e v i t a b l y t h i st i m ed e l a y c a nb ead o m i n a n tf a c t o r w h i c hd e g r a d e sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ea n d m a k e ss y s t e mu n s t a b l e d e p e n d i n go nt h en e t w o r kp r o t o c o l t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t i m ed e l a yc a l lb ec o n s t a n to rt i m e v a r y i n g w h i c hm a k e si th a r dt oa n a l y z ea n dd e s i g n n 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 nh a ss t u d i e ds e v e r a lk i n d so fs a m p l i n gt e c h n i q u ea n dd e v i c en o d e d r i v e nt e c h n i q u eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m a n dh a sa n a l y z e dc o m p o n e n t so f n e t w o r ki n d u c e dt i m ed e l a y t h r e ek i n d so fc o n t r o ln e t w o r kt i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h e i rp e r f o r m a n c eh a sa l s ob e e ns t u d i e d o nt h eb a s i so ft h a t t w od i s c r e t et i m e m o d e l so fm u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mi nw h i c hs e p a r a b l e s e n s o r sa n da c t u a t o r sa r ei n c l u d e da r ed e r i v e dw h e na c t u a t o r sa r et i m ed r i v e no re v e n t d r i v e nc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fn e t w o r k e di n d u c e dt i m ed e l a yu s i n gd i s c r e t et i m e s y s t e mt h e o r y b a s e do nt h ed i s c r e t et i m es y s t e mm o d e lo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m t w o s u f f i c i e n tc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e dw h i c hg u a r a n t e et h es t a b i l i t yo fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e mu s i n gd i s c r e t e t i m es y s t e ms t a b i l i t yt h e o r y o n ei sm a x i m u ma l l o w a b l e n e t w o r ki n d u c e dt i m ed e l a yf o r 口一s t a b i l i t ya n dt h eo t h e ri st h er e l a t i o no fn e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a y sw h i c hg u a r a n t e e st h ep o l e so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ma r ei n t h ed b a r e as i n m l a t i o ne x p e r i m e n t si l l u s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r e s e n t e d t h e o r y t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fp r i c i p l eo fe d f e a r l i e s t d e a d l i n e f i r s t s c h e d u l i n gs t r a t e g y a n da l s os t u d y st h ep r o b l e me n c o u n t e r e d w h e ne d f s c h e d u l i n gs t r a t e g yi si n t r o d u c e dt on e t w o r ki n f o r m a t i o ns c h e d u l i n ga n di t ss o l u t i o n ae d f m e p e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t m a x i m t m ai n d u c e dn o d ee r r o rp r i o r n e t w o r k i n f o r m a t i o ns c h e d u l i n gs t r a t e g yi sd e r i v e dt og u a r a n t e es t a b i l i t yo fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m a n de n h a n c es y s t e mp e r f o r m a c e a n da na n a l y s i s o fn o d ee r r o ri sa l s o d r e s e n t e dw h e ne d f m e ps c h e d u l i n gs t r a t e g yi si n t r o d u c e dt on e t w o r ki n f o r m a t i o n s c h e d u l i n g a b s t r a c t 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 c o n t r o ln e t w o r k s t a b i l i t y m a x i m u ma l l o w a b l en e t w o r ki n d u c e dt i m ed e l a y d i s c r e t et i m es y s t e mw i t hn o n m u l t i p l em u l t i t i m e d e l a y s s c h e d u l i n gs t r a t e g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨盗盘鲎或其他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了谢意 学位论文作者签名 礅 参芥 签字日期 加铲年 月 r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨窒基堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权叁注盘堂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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 他参柱 导师签名 钏拯 签字同期 矽牛年f l 月c 同 签字同期 2 h 年卜月c 同 第一章绪论 第一章绪论 二十一世纪是信息经济的时代 处于全球市场激烈竞争中的各工业企业在追 求竞争力的过程中逐步形成了计算机集成制造系统 并采用计算机技术 自动控 制技术和网络通信技术来实现整个生产过程的综合自动化 以改善生产加工和管 理决策 工业控制网络作为工业企业自动化的基础 从结构上可以分为三个层次 即信息层 控制层和设备层 如图1 一l 所示 图1 1 工业控制网络层次结构 最上层的信息层网络主要用于企业的计划 销售 生产 库存以及企业经营 等方面信息的传输 在信息层上传输的信息一般都是非实时性的 并且数据包较 大 信息传输频率较低 数据通信的发起是随机的 无规则的 数据吞吐量较大 因此要求网络必须具有较大的带宽 信息层网络主要由以太网组成 中间的控制层网络主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库 进行设备 监控和优化计算 以及传输更新现场设备的工作配置信息或命令 在控制层网络 上传输的信息具有周期性 实时性特点 控制层网络上传输的实时信息出现较大 延时或丢失时就会导致多个设备不能协调工作 控制层网络 般由令牌网和以太 网组成 最底层的现场设备层网络主要用于控制系统中大量现场设备之间的测量与 控制信息以及其它一些信息 例如状态信息 故障信息等 的传输 传感器 控 制器和执行器通过现场设备层网络相连 传输的信息具有周期性和实时性 数据 的长度较小但传输的频率较高 对网络传输的吞吐量要求不高 但通信响应的实 时性和确定性要求较高 现场设备层网络上传输的信息如果出现延时或丢失现象 第一章绪论 就会降低控制系统的性能甚至导致控制系统不稳定 这种传感器与控制器 控制 器与执行器之间通过设备层网络进行通信的闭环反馈控制系统称为网络控制系 统 n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m 简称n c s t 2 3 4 1 有的文献用集成通讯和控制 系统 i n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o ls y s t e m 简称i c c s 叫 6 或基于网络 的控制系统 n e t w o r k b a s e d c o n t r o ls y s t e m 7 8 1 来称呼具有这种结构的控制系统 本文沿用网络控制系统这 术语 网络控制系统具有彻底的分布式控制结构 传感器 控制器和执行器之间 通过网络介质传递信息 因此 网络控制系统具有系统布线简单 结构灵活 易 于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等优点 在具有多重优点的同时 网络控制系统自身的缺点也是明显的 第一 由于连接到网络的很多设备都要发 送信息 但通讯介质是分时复用的 信息只有等到网络空闲或设备的优先级相对 较高时彳 能发送出去 这样就不可避免地引入了延时 根据网络类型的不同 这 个延时可能是恒定的或时变的 但无论哪种情况都会使系统的性能降低甚至导致 系统不稳定 第二 由于通讯网络是一个不可靠的数据传输通道 数据包可能在 传输中丢失 丢包现象也是造成网络控制系统性能降低的因素之一 第三 由于 网络带宽和数据包大小的限制 一个相对大的数据包可能会被分为若干相对较小 的数捌包分别传输 而各个较小的数据包同时也面临着传输延时和丢包问题 网 络信息的多包传输问题将导致网络控制系统的分析与控制更加困难 随着网络控制系统在工业中的应用越来越广泛 怎样对网络控制系统进行 有效的稳定性分析以及网络控制系统控制器的设计已经成为一个亟待解决的问 题 另外一方面 网络控制系统是计算机技术 通信技术与控制技术发展和融合 的产物 内容涉及三个领域的方方面面 所以对其进行研究有着相当的难度 也 带来了交叉学科发展的机遇 本文首先对国内外网络控制系统的研究状况进行综 述 然后在此基础上对网络控制系统的建模 稳定性分析和网络信息调度进行研 究 最后是本文的总结和研究展望 1 1 网络控制系统的研究现状 i i 1 问题的提出 由十刚络的引入 控制系统不可避免地出现了延时 丢包 多包传输等问题 目前 国内外学者对网络控制系统的研究主要集中在研究网络延时对系统的影响 9 1 0 1 l 川3 l 4 1 网络控制系统的结构框图如图卜2 所示 其中t 表示传感器对被控对象的输 第一章绪论 出进行a d 转换 数据编码和数据打包所需要的时间 称为传感器延时 l 表 示数据包从传感器到控制器的网络传输延时 f 表示控制器对从传感器接收到的 数据包进行解包 解码 实施控制算法并将结果编码 打包所需要的时划 称为 控制器计算延时 f 表示数据包从控制器到执行器的网络传输延时 r 表示执 行器对从控制器接收到的数据包进行解包 解码并进行d a 转换所需要的时间 称为执行器延时 因此 网络总延时可以表示为f f f f f r 其中 r r f 根据节点的负载不同而不同 由于主要考虑网络传输延时 r 和 r 对系统的影响 而且r 和r 与网络传输延时相比非常小 所以f 和f 通常 可以忽略i j f 可以认为是恒定值 并可以等价地归入r 中 而f 和f 则根 据控制网络的不同或是恒定的或是时变的 所以系统的总延时可以简单地近似表 示为f r r 闭环系统中延时环节的引入会降低系统的性能 而且还是引起系统不稳定 的一个潜在因素 因此 在进行网络控制系统的分析与控制时必须考虑网络延时 对系统的影响 被控对象 一 苛窀l 厂 赢 t at 幽i 2网络控制系统结构框幽 1 1 2 网络控制系统的研究现状 用户 目前 国内外学者主要从确定性理论 随机理论和智能控制策略三个角度 进行网络控制系统稳定性分析和控制器设计的研究 1 从确定性理论角度对网络控制系统进行分析与控制 假设网络控制系统被控对象的连续时间数学模型为 阻o a 十且 0 i y t j c x t 第一章绪论 其中 烈0 为被控对象的状态 0 和y f 分别为被控对象的输入和输出 a b c 是具有适当维数的常数阵 离散的控制器的模型为 h g r 一戥僻r c 0 1 2 其中 7 1 为系统的采样周期 k 为控制器增益矩阵 是具有适当维数的常数阵 针对时问驱动的传感器 事件驱动的控制器和执行器 文献 17 给出了一一 种状态增维的网络控制系统稳定性分析方法 当系统的总延时小于系统的采样周 期时 得到被控对象的离散时间模型为 f x 七 1 弦 口霄 k r o r 七r 1 七一1 v b 丁 丁 其中 t 为系统的采样周期 f m f 为第k 步采样的网络总延时 垂 e l k 1 e t i s b d s r 瓴 ce a s b d s 设系统的增广状态为 z 砌 l x7 女7 1 l 7 g i r f 则系统的状态方程为 z 1 r 画以 z 任7 1 其中 函q l 西一 一 j 世 1 i 文献 1 8 给出了该模型的详细建立过程以 l 一 u j 及系统总延时大于系统采样周期时系统的建模过程 当r 和r 都是常数时 系统为线性时不变系统 利用线性系统的稳定性理 论可以分析网络控制系统的稳定性 当r 时变而r 恒定时 可以在传感器和控 制器精确同步后 利用时间标记 t i m es t a m p 技术对f 进行有效的补偿1 2 j 当r 和f 都是时变时 文献 7 利用延时补偿和预测相结合的技术对网络控制系统控 制器的设计进行了初步的研究 但没有给出系统稳定性的证明 文献 1 6 发展了状态增维方法 给出了周期延时的网络控制系统稳定的充 分条件 并且针对传感器和控制器采样周期不同的情况进行了研究 为了消除不确定网络延时对系统的影响 与状态增维方法不同 文献 1 9 在控制器和执行器的接收端各设置 个先入先出缓冲区 缓冲区的大小由最大网 络延时决定 这样 传感器到控制器 控制器到执行器的不确定延时都变成了已 知的恒定延时 在控制器中设置观测器和预估器 可以利用观测器得到传感器进 行数据采样时被控对象状态 在已知被控对象数学模型的前提下 因为传感器到 控制器的延时已知 可以得到控制器接收数据时被控对象的状态 又由于控制器 到执行器的延时已知 所以可以利用预估器估计出控制器到执行器的延时后的被 控对象状态 再经过控制算法的运算 便可以得出超前的控制数据 这样 经过 控制器到执行器的延时 控制信号恰当的作用于被控对象 浚方法要求已知被控 对象的精确模型 而在实际应用中这一点难以做到 第一章绪论 以上提到的方法只对s i s 0 网络控制系统和多个传感器到控制器有相同延 时 控制器到多个执行器有相同延时的m i m o 网络控制系统进行了研究 w a l s h 等利用非线性理论深入研究了多个传感器到控制器有不同延时 控制器到多个执 行器有不同延时的m i m o 网络控制系统 文献 3 考虑了传感器和控制器之间的网络延时 在假设没有观测噪声 并 且系统的采样周期很小 可以把网络控制系统视为连续系统的情况下 把网络延 时对系统的影响转化为非线性摄动对系统的影响 文中假设网络控制系统被控对象的连续时间模型为 f 史 o a p x f b p u t j p c p 工p 0 其中 x p o h f y p o 分别为被控对象的状态 输入 输出 a b c 是具有适当维数的常数矩阵 控制器的连续时间模型为 k o h c x o 一b j f 1 雎o c l x o 一d 多 f 其中 x c o 为控制器的状态 多 o 为控制器最近一次接收到的被控对象的输出 值 4 b c d 是具有适当维数的常数矩阵 假设在无网络延时的情况下 控制器可使系统渐近稳定 设网络对控制系 统产生的影响为e t y f 一y p o 设系统的增广状态为 z o k l 工 f l e 7 o 则系统模型为 j f a z t a p b p d c b b p d 1 其中 a l b c p a b c p ap c p bp d c cp c p b 乒c c p bp d c 定义巳o 乏3 羽一 乏暨司 其中 为某一采样时刻 经过推导 q o 可 以用一个非线性微分方程描述 吼 怍嚣 矧 繁9 班m a p 嚣q 豺 可以将p 0 视为系统的摄动 20 1 作者根据非线性理论推导出了被控对象输出单 包传输和被控对象输出多包传输时系统的稳定性条件 即给出了保证系统稳定的 最大网络传输间隔m a t l m a x i m u ma l l o w a b l et r a n s f e ri n t e r v a l 文献 2 1 在文献 3 的基础上又考虑了控制器和执行器之间的网路延时 利片j 和文献 3 类似的方法给出了网络控制系统的稳定性条件 文献 3 中 在每个传感器采样数据传输间隔都以f j 一次传输得到的被控对 第一章绪论 象的输出作为控制器的输入 这与被控对象在传感器采样数据传输阳j 隔的实际输 出有较大的误差 为了改善网络控制系统的性能 文献 1 2 给出了两种方法对控 制器的输入进行调整 使其在传感器采样数据传输的间隔更接近被控对象的实际 输出 第一种是开环结构的方法 此方法的主要思想是假设被控对象的模型己知 在控制器中建立被控对象的模型 对此模型施以实际对象的输入 即控制器的输 出 在传感器采样数据传输的间隔用该模型的输出来模拟实际被控对象的输出 作为控制器的输入 第二种是闭环结构方法 该方法假设已知被控对象的模型 并且网络有足够的带宽 使被控对象的输出能够及时的传送到控制器 和第一种 方法类似 对在控制器中搭建的被控对象模型施加实际被控对象的输入 用该模 型的输出来模拟实际被控对象的输出 并且将模型输出和控制器接收到的最近一 次的实际被控对象输出的差反馈给控制器中搭建的被控对象的模型 构成闭环 文中证明了这两种方法对系统的稳定性毫无影响 并给出仿真实验蜕明了两种方 法对系统性能的改善作用 鲁棒控制理论适合分析含有不确定动态和扰动的系统 文献 2 2 1 和文献 2 3 分别将网络延时视作对系统的扰动 并给出了利用频域鲁棒控制理论设计网络控 制器的方法 文献 2 2 假设系统的采样周期远小于被控对象的主导时间常数 所以可以 将被控系统看作连续系统 网络控制系统的结构框图如图卜3 所示 将有上界的 网络延时看成一个扰动块后系统框图如图卜4 所示 幽卜3 网络控制系统结构框幽 图1 4 变化后的网络控制系统结构框幽 文献e 2 2 1 从扰动块的范数意义与延时的物理意义考虑 将扰动块进行形式 上的变化 即串联一低通滤波器 使扰动块 的范数意义与真实的延时r 较好 的对应 在给出相应的若干权函数后 文献 2 2 给出了f 综合结构的标准形式 并且利用m a t l a b 中的爿分析和综合工具箱设计出了满足需要的鲁棒控制器 文献 2 3 假设网络延时有上下界 可以描述为 第一章绪论 f 去 r f 一一f p 1 一口 f 甜 j 其中一l j 1 0 口 1 2 f 是f 或f f 和f 分别是网络延时的上下界 口 j 根据 具体的系统不同而不同 在频域中 网络延时对系统的影响可以表示为 e f 玎 1 训 可 一z 篇s t 文高s 1 葺篓j 篙s2 龇 1 2 i1 一口 2jll 十口r 占 j 不确定延时部分可以看作同时倍增摄动 s i m u l t a n e o u sm u l t l p l i c a t iv e p e r t u r b a t io n 进 步 1 s c t r m 而 g 2 1 既o a 其中 l 十s az m d z w o s 2 再乏芝斋 是摄动 因子3 4 6 5 根据具体系统选定 将不确定 延时看作扰动块之后 作者利用h 控制 综合方法设计出了网络控制器 从确定性理论角度对网络控制系统进行分析和控制有很多优点 例如 可 以利用很多已经很成熟的理论分析系统的稳定性和进行控制器的设计 从确定性 理论角度对网络控制系统进行分析和控制得出的结论不受网络负载的影响 确实 存在确定延时的控制网络 利用确定性理论对其进行分析和控制简单有效 然而 其缺点也是很明显的 例如 状态增维方法对总延时小于一个采样周期时非常有 效 但是当总延时大于一个采样周期时 增维后的系统的阶数随延时的增大而增 大 以至难于进行分析 而增加缓冲区的方法将所有的延时都转化为最大的延时 降低了系统应有的性能 总之 从确定性理论角度对网络控制系统进行分析和控 制不能体现出延时的时变性和随机性 而很多控制网络的延时恰恰是随机的 基 于以上原因 很多学者从随机理论角度对网络控制系统进行了深入的研究 2 从随机理论角度对网络控制系统进行分析与控制 文献f 2 4 从随机理论角度给出了一种补偿传感器和控制器之间延时的方法 该方法忽略了控制器到执行器的网络延时 在传感器发送端设置了长度为m 的 发送缓冲区 在控制器接收端设置了长度为1 的接收缓冲区 在传感器数据包中 加入传感器发送缓冲区的信息 控制器便可以更准确地确定接收到的传感器数据 的网络延时 文献 9 将不确定延时对网络控制系统的影响看作l q g l i n e a rq u a d r a t i c g a u s s i a n 问题 针对包含时间驱动的传感器 事件驱动的控制器和执行器的网 络控制系统 假设传感器到控制器与控制器到执行器延时的和小于系统采样周 期 控制器的运算延时包含在控制器到执行器的延时之中 所有本次采样前的延 时信息已知 可以得到离散的被控对象模型为 f x 忙 1 如 七 r 囊忙 0 k 忙一1 v 忙 l 0 4 k w t 其中 p 岫 7 咖 e x p a t f r c 1 1 e x p o f p 善 b 第一章绪论 o l e x p 0 善增 占 随机过程 d 句是零均值的高斯白噪声过 程 文中给出了随机最优的性能指标 叫啦e k 懒一卅粕n 1x 料7 捌 其中 q v q 为加权阵 并且给出了针对性能指标的全状态反馈控制律 文中 指出 若不能得到被控对象的全部状态信息 则可以通过最优预报和状态观测得 到对象状态的观测值 本文作者在文献 2 中对具有马尔可夫延时特性的网络控 制系统给出了最优控制律 文献 2 5 忽略控制器到执行器的网络延时 在传感器发送端设置了长度为m 的发送缓冲区 在控制器接收端设置了长度为1 的接收缓冲区 作者将网络控制 系统视为 种跳跃系统 提出了一种最优控制器的设计方法 文中推导出控制器 的输入可以表示为 m 0 h d t 3 t 1 征一 1 一j h 1 一口 o 一 灿 一 设r 为系统的采样周期 上式中 灯为采样时刻 k o l 2 为控制器输 入 n 为被控对象输出 口 伍 的意义是 如果传感器在 七吖 丁时刻采集的 数据经过盯才发送出去 则口 忙 j 1 其中 f 1 r p r i t a a 是传感器和控制器采样时刻的时间差 进而得到网络控制系统被控对象的模型为 z j2 a h b 1 以 q 其中 是采样时刻 z 是增广的被控对象状态 是控制信号 以是被控对 象输出 r k 1 2 m 2 1 表示系统无延时 2 表示系统延时为l 是符合m a r k o v 规则的随机变量 文中给出了最优化的性能指标函数 并且给 出了控制律 3 用智能控制策略进行网络控制系统的分析与控制 利用随机系统理论研究网络控制系统 或是利用延时补偿的方法 或是从 随机最优理论的角度 或是从跳跃系统理论的角度进行研究 但其最根本的前提 都是假设网络延时的概率分布已知 利用随机理论方法进行网络控制系统的分析 和控制得出的结论仅适用于某一种分布的延时 当这种延时的分布与实际的延时 分布不符时 所得出的结论便不再成立 而实际的网络延时受到控制网络的类型 网络中节点的数目 网络当前的q o s 以及网络信息调度策略等诸多因素的影响 因此获得实际的网络延时分布是不现实的 智能控制技术模拟人类的思维过程 并将其应用于控制理论中 可以不依赖被控对象的数学模型进行有效的控制 因 此能够有效地解决利用随机理论进行网络控制系统的分析与控制时遇到的问题 第一章绪论 文献 2 7 1 和文献 2 6 分别将模糊控制技术和遗传算法与传统控制技术相结合应用 于网络控制系统 并且取得了良好的控制效果 文献 2 7 针对线性被控对象和p i 控制器的网络控制系统给出了一种利用模 糊逻辑调节来补偿网络延时的方法 在该方法中 p i 控制器按无网络延时的系 统进行设计 再利用模糊逻辑 根据网络延时引起的误差大小 改变p i 控制器 的增益 控制信号可以表示为 b c o 肛 f 肚 e o 脒 e e 皓比 其中 o 是p i 控制器的输出 甜 f 是经过模糊逻辑调节的p i 控制器的输出 是增益乘子 它的值是根据以下的模糊规则选择的 关于 的模糊规则为 i fp f i ss m a l l t h e n 卢2 崩 i fe t i sl a r g e t h e n 2 及 其中 0 崩 及 1 p 0 系统误差 其隶属度函数如图卜5 所示 图1 5 e f 的隶属度函数 图中 s m a l l 8 和 l j u o e e 是对应语言变量s m a l l 和l a r g e 的隶属度函数 因子t 2 l 和t 2 用于调节隶属度函数的形状 隶属度函数的形状和崩 职的值是利 用优化算法得束的 文中给出了关于屈和历在线和离线最优化的性能指标 文献 2 6 通过p r o f i b u s d p 网络建立闭环网络控制系统 并提出一种利用 遗传算法进行参数调整的p i d 控制策略 利用该控制策略的网络控制系统结构框 图如图l 一6 所示 被控对象置于网络中的从节点 而控制器置于网络中的主节点 控制器中利用遗传算法进行p i d 参数调整包括三部分 第一 适合度计算器 作 用是通过系统输出 超调 调节时间计算p i d 控制器增益的适应值 第二 遗传 算法核心 作用是执行各种遗传算法操作 如选择 交叉 变异 复制 第三 p i d 增益计算器 作用是将通过遗传算法计算出的串转化为相应的p i d 增益 利 用遗传算法进行p i d 参数调节的过程如下 给出控制系统的各项设计性能指标 如参考输入 期望超调 期望调节 时间 并且通过遗传算法的初始化过程产生p i d 参数的初生代种群 参考输入作用于系统后取得系统阶跃响应的特性 如系统输出 超调和 调节时问 第一章绪论 通过与系统各项期望性能指标相比较 计算出p i d 增益的适合度 利用多参数编码方法 2 8 将p i d 增益编码为一个单独的串 然后利用遗传 操作产生后代 将串解码为p i d 增益 重复 一 步直到符合终止条件或完成预先设置 的迭代次数 文中通过实验验证了在没有对网络延时做出任何假设的情况下该方法的有 效性 1 2 本文的研究工作 圈卜6 网络控制系统结构框图 针对网络控制系统中存在的问题 在较全面查阅国内外文献的基础上 本 文对网络控制系统的建模 稳定性分析以及网络信息调度策略进行了研究 论文 的主要工作如下 1 分析工业控制网络的三层结构及信息层 控制层和设备层网络的主要 功能 详细讨论位于设备层的闭环控制系统的采样技术 节点驱动方式和网络延 时的构成 并从媒体访问控制方式的角度比较三种常用控制网络的延时特性和性 能 2 在前人研究的具有多个独立传感器多个独立执行器的网络控制系统连 第一章绪论 通过与系统各项期望性能指标相比较 计算出p i d 增益的适合度 利用多参数编码方法1 2 将p i d 增益编码为一个单独的串 然后利用遗传 操作产生后代 将串解码为p i d 增益 重复 一 步直到符合终止条件或完成预先设景 的迭代次数 文中通过实验验证了在没有对网络延时做出任何假设的情况下该方法的有 妓性 1 2 本文的研究工作 国1 6 刚络控制系统结构框图 针对网络控制系统中存在的问题 在较全面查阅国内外文献的基础上 本 文坩网络控制系统的建模 稳定性分析以及网络信息调度簧略进行了研究 沦文 的主要工作如下 1 分析工业控制网络的三层结构及信息层 控制层和设备层网络的主要 功能 详绌讨论位于设备层的闭环控制系统的采样技术 节点驱动方式和网络延 时的构成 并从媒体访问控制方式的角度比较三种常用控制网络的延时特性和性 能 2 在前人研究的具有多个独立传感器多个独立执行器的嘲络控制系统连 1 2 在前人研究的具有多个独立传感器多个独立执行器的网络控制系统连 第一章绪论 续时间数学模型的基础上 利用离散时间系统理论 研究网络控制系统的离散时 间数学模型 为系统稳定性分析和控制器的设计提供前提 3 以非等差多时滞离散时间系统稳定性理论为基础 对网络控制系统进 行稳定性分析 给出时滞独立与时滞依赖的稳定性条件 得到 使网络控制系 统口稳定的最大允许网络延时 只要实际网络控制系统的传输延时小于此最大允 许网络延时网络控制系统就是稳定的 使网络控制系统极点分布在d 仁 范 围内网络延时应该满足的关系 4 详述e d f e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t 调度策略的基本原理 并针对 该调度策略应用于网络控制系统信息调度出现的问题 给出信息截止期区间分区 的解决方案 引入m e p m a x i m u m i n d u c e d n o d e e r r o r p r i o r 的概念 提出e d f m e p 网络信息调度策略 保证具有相同截止期节点误差最大的网络信息优先传输 第二章网络控制系统基础 第二章网络控制系统基础 位于工业控制网络设备层的传感器 控制器和执行器都通过共同的通信介 质相连 各设备间可以实现点对点的信息传递 但是 通信网络是分时复用的 在同一时刻 只有一个设备能够发送信息 待发送信息只有等到网络空闲时刊能 发送出去 因此 可以看出网络控制系统是一个存在和网络延时有关的滞后环节 而且采样数据可能丢失的复杂采样控制系统 延时的大小会受到多种不确定因素 的影响 本章详细介绍了网络控制系统的采样技术和节点驱动方式 给出了网络控 制系统的延时分析 为网络控制系统模型的建立奠定了基础 2 j 1 控制网络与网络控制系统的延时分析 2 1 1 控制网络 通过串行通信网络实现闭环控制回路的控制系统为网络控制系统 其中 串行通信网络在实际应用中可以是国际互连网 广域网 城域网 局域网以及各 种现场总线 它们都有各自的特点 由于国际互联网 广域网 城域网 局域网 最初都被设计为数据通信网络 所以应用于控制系统时会给系统稳定性分析 控 制器设计乃至系统的建模造成很大困难 本文重点论述以现场总线为通信网络的 网络控制系统的基础问题 在网络控制系统中 网上设备共享传输线路 为了解决同一时间有几个设备 争用传输介质的问题 需要某种介质访问控制方式 以便协调各设备访问介质的 顺序 在设备之间交换数据 网络的媒体访问控制层 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 简称m a c 负责对媒体的访问以及通信的可靠性和通信质量 因此对信息的传输 时间有很大的影响 下面从媒体访问控制方式的角度比较以太网 控制网和c a n 总线三种控制网络的延时特性和性能 1 以太网 e t h e m e t 以太网采用载波监听多路访问肿突检澳j c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n 简称c s m a c d 的介质访问控制方式 2 9 j 其基本工作原理是 当某节点要发送报文时 首先监听网络 如果网络忙 则等到其空闲时为止 否 则立即发送 如果两个或多个节点监听到网络空闲并同时发送报文时 它们发送 第二章网络控制系统基础 的报文将在网络上发生冲突 因此每个节点在发送时 还必须继续监听网络 当 检测到两个或多个报文发生冲突时 节点立即停止发送 并等待一段随机长度的 时间后重新发送 不坚持退避算法 该随机时间由标准二进制指数补偿算法确 定 十六次冲突后 节点将停止发送并向节点微处理器回报发送失败信息 不坚持c s m a c d 利用随机的重发时间来减少冲突的概率 这种机制的缺点 是即使有多个节点有数据要发送 介质仍然可能处于空闲状态 介质的利用率较 低 因此在网络负载较高时 以太网上存在的这种冲突成了主要问题 冲突使以 太网的数据吞吐量降低并且增加了网络传输延时 最终可能导致无界的网络传输 延时 由于一系列的冲突后 报文可能丢失 节点之间的通信将无法得到保障 从而使控制系统需要的通信确定性和实时性难以保证 不坚持c s m a c d 是一种随机性通信协议 通信延时是随机的 并且可能无 界 但是 在网络负载较低时 几乎没有网络传输延时 2 控制网 c o n t r o l n e t 控制网 3 0 l 采用令牌传递总线 t o k e n p a s s i n gb u s 的介质访问控制方式 此方 式采用总线网络拓扑结构 网络上的节点按一定的顺序形成一个逻辑环 每个节 点在环中均有一个指定的逻辑位置 每个节点都了解先行节点和后继节点的地 址 总线上各节点的物理位置与逻辑位置无关 收到令牌的节点在一段规定的时 间内被授予对介质的控制权 因而该节点可以发送一帧或者多帧信息 当该节点 的传输已经完成或者规定的时间已经用完时 它将令牌传递给逻辑环中的下一个 节点 由于只有收到令牌的节点才能将信息帧发送到总线上 因此与c s m a c d 访问方式不同 令牌传递总线访问方式不可能产生冲突 假如取得令牌的节点有 报文要发送 则发送报文 随后将令牌送至下一个节点 否则 若取得令牌的节 点没有报文要发送 则立即将令牌送到下一个节点 由于节点接收到令牌的过程 是顺序依次进行的 因此对所有节点都有公平的访问权 最坏的情况下 一个节 点等待取得令牌和发送报文的时间等于全部节点令牌传送时间和报文发送时阳j 的总和 控制网采用隐性令牌传递机制 给每个节点分配一个唯一的m a c 标识符 在控制阚中称一个周期的时间为网络更新时间 n e t w o r ku p d a t et i m e 简称 n u t 它可以分为调度段 s c h e d u l e d 非调度段 u n s c h e d u l e d 和保护段 f g u a r d b a n d 分别传送实时性信息 非实时性信息以及问步信号和网络参数 令牌传递总线访问方式是一种确定性协议 可以估算出最大的通信延时 网 上每一个节点都知道信息的来去方向 保证了较高的信息传输的确定性 并且对 网络负载的轻重不敏感 但是在负载较轻时 有很多时间浪费在令牌的传递上 3 c a n 总线 c a nb u s 第二 章网络控制系统基础 c a n c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 1 邓控制器局域网络 最初是为汽车监测 控制 系统而设计的 现在已经在过程工业 机械工业 机器人等工业领域广泛应用 c a n 总线采用载波监听多路访问 避免冲突 c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e 简称c s m a c a 的介质访问控制方式 又称为非破坏仲裁 的c s m a c d 3 1 c s m a c d w i t h n o n d e s t r u c t i v e a r b i t r a t i o n 简称c s m a n d a 实质上c a n 总线采用c s m a c d 协议并引用非破坏性仲裁机制解决媒体共享问 题 c a n 总线上的节点没有地址 而节点信息分成不同的优先级 优先级的编 码被放置在报文的标志字段中 网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其它节点发送信息 而不分主从 要传送信息的节点首先监听总线 如果总线空 闲 该节点就开始发送信息 如果同时有两个或者多个节点发送信息 就会发生 冲突 c a n 总线解决冲突的方法不同于标准的c s m c d 协议 它是采用非破 坏性优先权逐位仲裁规则 优先级较低的节点会主动地退出发送 而最高优先级 的节点可以不受影响地继续传输信息 这样大大节省了总线冲突的仲裁时间 尤 其是在网络负载很重地情况下也不会出现网络瘫痪情况 c a n 总线上的每个信 息都有唯一的标识符 信息帧的发送是以发送标识符的高位开始的 当两个节点 在同一时刻向总线上发送信息时 它们首先将信息帧从标识符高位开始逐位向总 线上发送 然后监听网络 如果其中的一个节点监听到位数据和它发送