（控制理论与控制工程专业论文）随机网络控制系统的性能分析与鲁棒控制.pdf

1 一 嚏 一 p ， a u t h o r ： f a n gx i a o s h e n g m a j o r ：c o n t r o lt h e o r ya n de d e p a r t m e n t ：a u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gj i n g c h e n g s h a n g h a i j i a ot o n gu n i v e r s i t y j u n e ，2 0 0 9 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弓j 遗 日期：弦哆丘“ - 上海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上海交通大学有关保留、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。本人授权上海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。 本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：气寸t 迂 指导教师签名： 日期：中钼妇 乏伽 日期：_ ：7 年彳月彩日 之 一 警 裂 璃 k 、 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 控制理论与控制工程姓名方小生学号0 0 4 0 3 2 2 0 1 7 学科 指导教师 王景成 答辩 2 0 0 9 0 6 2 5 答辩 上海交通大学电信群楼2 4 0 6 同期地，i ( 论文题h 随机网络控制系统的性能分析与鲁棒控制 投票表决结果： 7 7 7 ( 同意票数实到委员数应到委员数)答辩结论：函过 口未通过 节语和决议： 网络系统的鲁棒控制是近年来鲁棒控制领域的重要研究课题。方小生的博士论文重点研 究了数据丢包、时延、通信约束等不确定性因素对网络控制系统性能的影响，以及鲁棒控制 器的设计问题。论文选题具有重要的理论意义和应用价值。 论文针对一类存在随机丢包的离散网络控制系统，提出了一种基于增广系统观测器的控 制策略，并给出了最优保性能控制器的设计方法；针对存在网络通信带宽受限的离散网络控 制系统，给出了具有最优玩性能的带宽分配方案和控制器的设计定理，分析了网络通信约 束与控制系统鼠性能之间的关系：针对存在随机时延的离散网络控制系统，采用按随机时 延进行实时切换的状态反馈控制策略，给出了闭环系统随机稳定的充分条件和最优只。控制 器的译计方法j 此外，论文还针对存在数据丢包的连续网络采样控制系统，通过引入输入时 延方法，将同时存在连续对象、离散传输信号以及数字控制器的网络控制系统转化为一类含 随机参数的连续时滞系统，给出了最优鼠控制器的设计方法。 论文条理清楚，内容充实，分析合理，取得了创新性的研究成果。表明作者已经掌握本 学科坚謇宽广的基础理论和系统深入的专门知识，具有独立科研与创新能力。答辩中叙述清 楚，回答问题正确。答辩委员会经认真讨论并无记名投票，一致同意通过其学位论文答辩， 并建议授予方小生工学博士学位。 d7 年月口j 门 职务姓名耿称 甲化 签名 丰席 顾幸生教授华东理工大学 磁秀易 答 阁斌礁辩 委员周武能教授东华大学 委 委员 席裕庚教授 i - - 海交通大学 扬砍 r 1 贝 。勃乡 会 委员李少远 教授上海交通人学 成 胁 员 委员汪小帆教授 上海交通大学 签 委员杨根科 教授1 ：海交通大学 强睬 名 委员 王景成教授上海变通火：学 王虽也 秘粥 吴沂军 工- u 。一l - ， i ： f i i 。交通火学墨张弘 摘篮 随机网络控制系统的性能分析与鲁棒控制 摘要 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 ) 是以串行通信网络把传感器、 控制器和执行器相连接而构成反馈闭环的特殊分布式控制系统。与传统的点对点的 控制系统相比，这种网络化的控制模式避免了控制节点问专线的敷设，减少布线， 易于系统的诊断和维护，增加系统结构的灵活性，有效的降低了系统成本。目前，网 络控制系统已在工业制造、交通系统、电力、航空航天等领域获得了广泛的应用。 但是，网络传输的介入，也带来了许多新问题，如：网络时延、数据丢包、网络带 宽的波动以及网络的通信约束使得数据必须多包传输、不同的l q 络节点之间系统时 钟的异步等等。这些因素将不可避免的影响到控制系统的性能，甚至使系统不稳定， 这使网络控制系统的分析和设计问题变得复杂。因此，针对网络化控制系统的研究 具有重大的理论和应用价值，正日益成为目前控制理论界研究的热点。本文结合随 机控制和鲁棒控制理论，对存在网络环境因素( 数据丢包、带宽的限制和扰动、网 络时延) 影响的网络控制系统的建模，稳定性分析、鲁棒控制设计等问题进行了深 入的研究。利用l y a p u n o v 稳定性理论以及线性矩阵不等式方法，给出了各个网络因 素影响下闭环系统的稳定性条件和控制器设计方法；通过引入随机网路控制系统的 最优保性能和最优矾性能等鲁棒性能指标，对系统的性能与网络环境之间的关系进 行了分析研究。本文的内容主要包括以下几个方面： 首先，针对一类存在随机数据丢包的离散网络控制系统，研究其保性能控制问 题。设传感器到控制器和控制器到传感器之间存在的两类数据丢包相互独立并满足 伯奴利二项分布。分别在单、多包传输的条件下，把被控对象连同存在数据丢包的 通信网络建模为一个增广系统对象，其中原被控对象的控制输入作为一个增广系统 的状态。通过设计该增广系统的状态观测器，实现了系统状态和控制输入的同时估 计。在此观测器基础上，提出了一种基于观测器的保性能控制策略，给出了闭环系 统随机均方指数稳定的充分条件，并用线性矩阵不等式技术和锥补线性化( c o n e c o m p l e m e n t a r i t yl i n e a r i z a t i o n ，c c l ) 迭代算法给出了最优保性能控制器的设计 方法。 针对存在网络通信约束的离散网络控制系统，研究了基于状态观测器的也控制 摘拯 问题。设网络的带宽容量有限并且带宽的变化满足某个已知的概率分布的条件下 对单包和多包传输情形下的网络控制系统分别进行了建模。在不i 可的网络通信约束 和带宽分配条件卜分别给出了网络控制系统均方稳定的充分条件。通过引入最优 也性能指标，对通信约束条件和控制系统，性能之间的关系进行了深入研究，并 用线性矩阵不等式和c c l 迭代算法给出了具有最优以性能的带宽分配方案和控制 器设计方法。 针对存在随机时延的离散网络控制系统，研究了网络控制系统的状态反馈以控 制问题。考虑只在传感器到控制器之间存在同络时延的网络控制系统，用一个状态 有限的马尔可夫链描述该随机时延，并在单、多包传输条件下，分别将网络控制系 统建模为离散随机线性跳变系统。假设网络传输采用时问戳技术，即在每个采样时 刻控制器可以获得当前时刻从传感器到控制器问网络时延的大小。着眼于减少控制 器设计的保守性，对网络控制系统采用按随机时延进行实时切换的状态反馈控制策 略，给出了闭环系统随机稳定的充分条件，并用线性矩阵不等式方法和c c l 迭代算 法给出了单、多包传输条件下的网络控制系统的最优以控制器的设计方法。 最后，对存在数据丢包的连续网络控制系统的数据采样也控制问题进行了研 究。考虑被控对象为连续时间系统，并且传感器到控制器和控制器到传感器两类数 据丢包相互独立并满足伯努力二项分布。通过引入输入时延( i n p u td e l a y ) 方法，将 同时存在连续对象、离散传输信号以及数字控制器的网络控制系统转化为一类含随 机参数的连续时滞系统，给出了闭环网络控制系统随机指数稳定的一个充分条件， 并用线性矩阵不等式方法给出了最优以控制器的设计方法。 关键词：网络控制系统，随机系统，鲁棒控制，网络延时，数据丢包，通信约束， 线性矩阵不等式 ， 气b s t r a c t p e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n dr o b u s tc o n t r o lf o rs t o c h a s t i cn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sf n c s s ) a r es p e c i a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m si nw h i c h f e e d b a c kc o n t r o ll o o p sa r ec l o s e dv i ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s c o m p a r i n gw i t ht h e c o n v e n t i o n a lp o i n t - t o - p o i n tc o n t r o ls y s t e m s , n c s sp r e s e n tan u m b e ro fa d v a n t a g e s ，s u c h a sl o wc o s t ，r e d u c e ds y s t e mw i r i n g , e a s co fs y s t e md i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e , a n d i n c r e a s e ds y s t e ma g i l i t y 1 1 1 et a r g e t e da p p l i c a t i o n sa r ei n d u s t r i a lp l a n t s ，t r a n s p o r t a t i o n ， p o w e rg i r d ，a n du n m a n n e da e r i a lv e h i c l e s ( u a v s ) ，e t c h o w e v e r , t h ei n t r o d u c t i o no f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nf e e d b a c kc o n t r o ll o o p sc o m p l i c a t e st h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i s o fn c s s , b e c a u s et h en e t w o r k - i n d u c e dt r a n s m i s s i o nd e l a y s , d a t ap a c k e td r o p o u t sa n d f l u c t u a t i o no rl i m i t a t i o no fb a n d w i d t hw i l li n e v i t a b l yd e g r a d et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo f n c s s ，o re v e nc a u s et h es y s t e mt ob eu n s t a b l e c o n s e q u e n t l y , t h er e s e a r c ho nn c s si so f g r e a tt h e o r e t i c a la n da p p l i c a b l es i g n i f i c a n c ea n dh a sa p p e a r e dt ob eat o p i co fs i g n i f i c a n t i n t e r e s tt ot h ec o n t r o lc o m m u n i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em o d e l i n g ，a n a l y s i s , a n dc o n t r o l o fn c s sw i t hu n c e r t a i nn e t w o r kq u a l i t y , s u c ha sn e t w o r k - i n d u c e dd e l a y , p a c k e dd r o p o u t , a n dl i m i t a t i o no fb a n d w i d t ha r ed e e p l ys t u d i e db ya p p l y i n gt h er o b u s tc o n t r o la n d s t o c h a s t i cc o n t r o lt h e o r y i nt e r m so ft h el y a p u n o va p p r o a c ha n dl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ( l m i ) t e c h n i q u e s ，s t a b i l i t yc o n d i t i o n sa n dd e s i g nm e t h o d so ft h er o b u s tc o n t r o l l e ra r e p r e s e n t e df o rn c s sw i t hu n c e r t a i nn e t w o r kq u a l i t y b yi n t r o d u c i n gk i n d so fo p t i m a l p e r f o r m a n c ei n d e x , t h ei n n e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r f o r m a n c ei n d e xa n dn e t w o r kq u a l i t y i sa l s oe s t a b l i s h e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h eo b s e r v e r - b a s e dg u a r a n t e e dc o s tc o n t r o lp r o b l e mi sf i r s ts t u d i e df o rac l a s so f n c s sw i t hr a n d o md a t ap a c k e td r o p o u t s t w ok i n d so fp a c k e td r o p o u t s ( t h ep a c k e t d r o p o u tf r o ms e n s o rt oc o n t r o l l e r ( s c ) a n dc o n t r o l l e rt oa c t u a t o r ( c a ) ) a r eb o t hm o d e l e d b y t w o m u t u a l l yi n d e p e n d e n ts t o c h a s t i cv a r i a b l e ss a t i s f y i n gt h eb e r n o u l l ib i n a r y d i s t r i b u t i o n n e wn c sm o d e l sa r cp r o v i d e dc o n s i d e r i n gb o t hs i n g l e a n dm u l t i p l e - p a c k e t i h a b s t r a c t t r a n s m i s s i o n an e wo b s e r v e ri s d e s i g n e d t oe s t i m a t et h es t a t e sa n ds y s t e mi n p u t s i m u l t a n e o u s l ) 7b ) c o n s t r u c t i n ga na u g m e n t e ds y s t e mi nw h i c ht h eo r i g i n a ls y s t e mi n p u ti s r e g a r d e da san e ws t a t e b a s e do nt h i so b s e r v e r , ag u a r a n t e e dc o s tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d s u c ht h a tt h ec l o s e d - l o o ps y s t e mi ss t o c h a s t i c a l l ye x p o n e n t i a l l ym e a n s q u a r es t a b l ea n d t h ec o s tf u n c t i o nv a l u ei sn o tm o r et h a nas p e c i f i e du p p e rb o u n d t h e nt h ed e s i g nm e t h o d o fs u c hc o n t r o l l e ri sf o r m u l a t e di nt e r m so ft h el m ia p p r o a c ha n di t e r a t i v ec o n e c o m p l e m e n t a r i t yl i n e a r i z a t i o n ( c c l ) a l g o r i t h m t h eo b s e r v e r - b a s e dh 。c o n t r o lp r o b l e mi si n v e s t i g a t e df o rac l a s so fd i s c r e t en c s s w i t hc o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t s a s s u m i n gt h a tt h en e t w o r kh a sl i m i t e dc a p a c i t ya n dt h e t o t a lb a n d w i d t hi sr a n d o mf l u c t u a t e ds a t i s f y i n gak n o w np r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n ，t h en c s m o d e l sa r ep r o v i d e dc o n s i d e r i n gb o t hs i n g l e a n dm u l t i p l e p a c k e tt r a n s m i s s i o n t h e s u f t i c i e n tc o n d i t i o n so nt h es t o c h a s t i cs t a b i l i t yo fn c s sa l eo b t a i n e di nt e r m so fd i f i e r e n t b a n d w i d t hd i s t r i b u t i o na n dc o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t s b yi n t r o d u c i n gt h eo p t i m a l 以 p e r f o r m a n c ei n d e x , t h ei n n e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n h tp e r f o r m a n c ea n dc o m m u n i c a t i o n c o n s t r a i n t si se s t a b l i s h e d u s i n gt h ei t e r a t i v el m ia p p r o a c ha n dc c la l g o r i t h m ，t h e 以 c o n t r o l l e ri sd e s i g n e ds u c ht h a tt h ec l o s e d - l o o ps y s t e mi ss t o c h a s t i c a l l ym e a n - s q u a r e s t a b l ea n dt h eo p t i m a l 也d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o ni e v e li sa l s oa c h i e v e d t h es t a t e - f e e d b a c k 以c o n t r o lp r o b l e mi si n v e s t i g a t e df o rac l a s so fn c s si nt h e d i s c r e t e - t i m ed o m a i nw i t hr a n d o mb u tb o u n d e dd e l a y a te a c hs a m p l i n gt i m e ，t h ec u r r e n t s cd e l a yi sk n o w nf o rc o n t r o l l e rb y , e g ，t h et i m e s t a m p i n gt e c h n i q u e c o n s i d e r i n gb o t h s i n g l e - a n dm u l t i p l e - p a c k e tt r a n s m i s s i o n ，t h ec l o s e d - l o o pn c s s a r em o d e l e d 私s t o c h a s t i c d i s c r e t e - t i m ej u m pl i n e a ls y s t e m sw i t ht h es ct i m ed e l a y sa r em o d e l e da sam a r k o vc h a i n i no r d e rt or e d u c et h ec o n s e r v a t i v e n e s so ft h er e s u l t s ，t h es t a t e - f e e d b a c kc o n t r o l l e rg a i n s a l es w i t c h e dd e p e n d i n go nt h ev a l u eo ft h es ct i m ed e l a y s t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n so n t h ee x i s t e n c eo f 以c o n t r o l l e r 矾o b t a i n e d t h ei t e r a t i v el m ia p p r o a c ha n dc c l a l g o r i t h ma l ee m p l o y e dt oc a l c u l a t et h es t a t e - f e e d b a c kg a i n s f i n a l l y , t h es a m p l e d d a t ah 。c o n t r o lp r o b l e mf o rac l a s so fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( n c s s ) w i t hr a n d o mp a c k e td r o p o u t si si n v e s t i g a t e d t h en c si sm o d e l e da sa s a m p l e d - d a t as y s t e mw h i c hi n v o l v e sac o n t i n u o u sp l a n t ，d i g i t a lc o n t r o l l e r , e v e n t - d r i v e n h o l d e r , a n dn e t w o r kc h a n n e l s i nt h i sm o d e l ，t w ot y p e so fp a c k e td r o p o u t si nt h es ca n d i v a b s t r a c t c l as i d e sa r cb o t hc o n s i d e r e d ，w h i c ha r ed e s c r i b e db yt w om u t u a l l yi n d e p e n d e n t s t o c h a s t i cv a r i a b l e ss a t i s f y i n gb e r n o u l l ib i n a d d i s t r i b u t i o n b ya p p l y i n ga ni n p u td e l a y a p p r o a c h 。t h es a m p l e d d a t an c s i st r a n s f o r m e di n t oac o n t i n u o u st i m e - d e l a ys y s t e mhi t h s t o c h a s t i cp a r a m e t e r s a no b s e r v e r - b a s e dc o n t r o ls c h e m ei sd e s i g n e ds u c ht h a tt h e c l o s e d l o o pn c si ss t o c h a s t i c a l l ye x p o n e n t i a l l ym e a n s q u a r es t a b l ea n dt h ep r e s c r i b e d h 。d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o nl e v e li s a l s oa c h i e v e d t h ec o n t r o l l e rd e s i g np r o b l e mi s t r a n s f o r m e dt oaf e a s i b i l i t yp r o b l e mf o ras e to fl m i s k e y w o r d ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s , s t o c h a s t i cs y s t e m s , g u a r a n t e e dc o s tc o n t r o l ，。 c o n t r o l ，n e t w o r k e dt i m ed e l a y , p a c k e td r o p o u t , c o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t s , l i n e a rm a t r i x i n e q u a l i t y v a b s t r a c t 目录 目录 摘要1 a b s t r a c t 。i i i 目录1 0 r i i 第l 章绪论1 1 i 弓l 言l 1 2 网络控制系统概述2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 1 2 1 网络环境不确定影响因素4 1 2 2 网络环境的确定性影响因素。6 网络控制系统国内外研究现状8 1 3 1 基于q o s 网络调度方法研究8 1 3 2 基于q o a 的网络控制研究9 论文的主要内容与结构1 2 存在数据丢包的离散网络系统的保性能控制1 5 引言1 5 存在数据丢包的单包传输网络系统的保性能控制1 6 2 2 1 模型描述：1 6 2 2 2 稳定性分析2 0 2 2 3 保性能控制器设计2 4 存在数据丢包的多包传输网络系统的保性能控制2 9 2 3 1模型描述。2 9 2 3 2 稳定性分析3 2 2 3 3 保性能控制设计3 6 数值仿真4 0 2 4 1 例2 1 ：单包传输情形4 0 2 4 2 例2 2 ：多包传输情形。4 4 结论4 5 存在通信约束的离散网络系统的h 控制4 7 引言4 7 存在通信约束的单包传输网络系统的h 控制4 8 3 2 1 系统模型描述。4 8 3 2 2 稳定性和h o o 性能分析5 l 3 2 3 带宽约束条件下的最优h 控制设计5 5 3 2 4 数值仿真5 7 存在通信约束的多包传输网络系统的h 控制6 0 3 3 1 系统模型描述6 0 3 3 2 稳定性和h 性能分析6 3 i 口录 3 3 3 通信约束条件下的最优h 控制设计6 7 3 3 4 数值仿真6 9 3 4结论7 3 第4 幸离散随机时延网络系统的h 控制7 5 4 1 引言7 5 4 2网络随机时延的m a r k o v 性7 6 4 3 单包传输的随机时延网络系统的h 。控制7 7 4 3 1 问题描述7 7 4 3 2 稳定性分析8 0 4 3 3 h o o 控制器设计8 2 4 4 多包传输时延网络系统的h 控制8 4 4 4 1 问题描述8 4 4 4 2 稳定性分析8 7 4 4 3h o o 状态反馈控制设计。8 9 4 5 仿真研究9 2 4 5 1 例4 1 ：单包传输情形9 2 4 5 2 例4 2 ：多包传输情形。9 3 4 6 结论9 5 第5 章 存在数据丢包的连续网络系统的h 采样控制9 7 5 1 引言9 7 5 2 问题描述9 8 5 3 稳定性分析。1 0 3 5 4 h 控制器设计。1 0 8 5 5 仿真研究1 l4 5 6 结论。l1 6 第6 章总结与展望1 1 7 6 i 本文总结l l7 6 2 研究展望1 l8 参考文献l l9 致谢12 7 攻读学位论文期间的主要学术成果。1 2 9 第一章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 传统控制系统中点对点的通信模式，在工业中成功的应用了几十年。这种控制 模式通过点对点的专线将传感器信号传送到控制器，然后再通过点对点的专线将控 制信号传送到执行器，以此构成控制系统的闭环。此类结构模式下的控制系统往往 布线复杂，使得系统成本增加，降低了系统的可靠性、抗干扰性和灵活性，扩辰不 方便。而且随着控制系统的地域分散，规模日益扩大，复杂程度不断提高，系统的 物理设备和系统功能不断扩充，传统的点对点的通信模式在控制系统的信号传输中 已经达到了它的极限，无法满足系统功能不断增长的需求。为了解决这些问题，人 们开始将网络引入到控制系统中，采用分布式的网络结构来取代点对点的专线连接， 使得众多的传感器、执行器和控制器等系统的主要功能部件通过网络相连接，相关 的信号和数据通过通信网络进行传输和交换。这种通过网络构成闭环的反馈控制系 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 s , n c s ) 。这种网络化的控制模式与传 统的点对点连接的控制结构棚比，避免了控制节点间专线的敷设，方便安装与维护， 提高系统的诊断能力、增加系统的灵活性和可靠性，并能够实现了远程控制，使系 统资源通过网络实现共享。 网络控制系统的出现反映了复杂控制系统和远程控制系统的客观需求，是计算 机控制系统发展的必然趋势。近十几年来网络技术飞速发展，特别是高速以太网和 现场总线技术的发展和成熟为网络控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基 础，使网络控制系统在过程自动化、制造自动化、航空航天、无线通信、机器人( 王 庆鹏等，2 0 0 1 ；彭刚，2 0 0 2 ) 、交通系统、智能建筑、国防等领域获得了广泛的应用。 目前已经得到广泛应用的网络控制系统，既有基于专用网络的网络控制系统，如： d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、l o n w o r k s 等现场总线( 甘永梅等，2 0 0 4 ；阳宪惠，1 9 9 8 ) ， 又有在i n t e m e ! t 等公用计算机网络( y a n g ，c h e n & a i t y ，2 0 0 3 ：j a m a h l & a n t h o n y ， 1 9 9 9 ) 上构建的网络控制系统。前者是指在某个区域内的一些现场检测、控制及操 作设备和通信线路的集成，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的 设备和用户实现资源共享和协调操作。而后者则是一种完全分布式的控制方式，它 不仅可以对控制系统本身进行调控和检测，还可以实现对工厂车间、生产过程的监 卜海幺通大掌侪r ：- i 二：2 之 控调变、决策优化等功能。目前，现场总线控制网络发展受到普遍关注，从技术上 来说也比较成熟，它较好解决了物理层和数据链路层中媒体访问控制子层问题以及 设备的接入问题，得到了广泛的心用。 尽管网络控制系统相比传统控制系统有许多优点，但网络传输的介入也在系统 的控制上引起了诸多问题，如：网络的不可靠传输和带宽资源的有限性将会导致网 络的通信时延、网络拥塞、数据包丢失、数据包时序错乱和误码等问题。另外，由 于网络协议和网络带宽等条件的限制，数据传输中还存在着单包传输和多包传输、 传感器的同步采样和异步采样，以及网络节点的不同驱动方式( 如事件驱动和时钟 驱动) 等引发的网络控制问题。这些问题征传统的点对点专线连接的控制系统中是 不存在或是可以忽略的。因此针对网络控制系统中的这些新问题，必须相应地采用 新方法、新理论来分析和研究网络控制系统研究适合于网络环境的控制策略。 1 2 网络控制系统概述 网络控制系统是一种空间分布式系统，被控对象、传感器、控制器以及执行器 由一个有限带宽的通信网络连接。第一代将赌络化环境与控制功能相结合的系统形 式为所谓的分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 。分布式控制系统的一 般结构如图1 1 ( 杨业，2 0 0 6 ) 所示。最早的出现d c s 系统是h o n e y w e l l 公司1 9 7 5 年开发的t d c 2 0 0 0 ( a s t r o m ，1 9 9 7 ) 系统。在d c s 系统中，绝大部分基本的控制 任务( 如：传感器采集、控制律计算、控制输出执行等) 均在各个现场工作站上独 立完成，仅有一些开关信号、检测信息以及预警信息是通过网络进行传输的。上世 纪9 0 年代开始各类芯片的发展日新月异，其价格也逐日降低。同时网络技术在 人们的生产、生活中广为使用，使得传感器和执行器可以实现网络的连接，并在网 络环境中处于相互独立的节点位置。目前的网络控制系统的典型结构如图1 2 所示。 2 ， 第一章绪论 广一 管理曼 图l - 1 分布式控制系统( d c s ) 的结构罔 f i g 1 ls y s t e ms t r u c t u r eo fd c s 图1 2 网络控制系统的结构 f i g 1 - 2s y s t e ms i n t c t u r eo f n c s 从图1 2 可以看出，网络控制系统在结构上与d c s 系统的最大区别是：传感器、 执行器和控制器可以分布在不同的物理位置，它们之间的信息交换由一个公共网络 平台实现。而在d c s 系统中，使用一个现场控制站管理所有这些内容，控制器、传 感器和执行器必须同时处于一个现场工作站附近，它们之间仍然通过点对点专线连 接。因此网络控制系统相比d c s 能支持更加灵活复杂的拓扑结构，它的其结构层次 3 上海交通大学博十拳位论文 少，易于实现远程控制和资源共享，并大幅降低布线成本。 传统点对点控制系统中，通常假设信号传输环境是理想的，信号在传输过程中 一i 受外界影响，或其影响可以忽略彳i 计。而在i 四络控制系统中，i q 络环境的影响通 常是无法忽略的。网络环境的影响通常因素可以分为两大类：一类是网络的不可靠 传输和带宽资源的限制引发的不确定或随机因素，如网络时延、数据丢包、网络拥 塞或者带宽限制、数据包时序错乱和误码等：另一类是由于网络结构、网络协议以 及相关参数的选择等确定性的或可知的因素，包括网络节点的驱动方式( 时钟驱动 或事件驱动) 、每个数据包所允许的数据包长度( 单多包传输) 、控制节点的同步与 异步，以及数据量化参数等。以下对这些因素分别作简要的介绍和分析。 1 2 1网络环境不确定影响因素 ( 1 ) 网络时延 网络中的信息源很多，当系统各个节点通过网络传输信息时，要分时共享网络 通信信道。由于网络带宽有限且网络中的数据流量变化不规则，当多个节点通过网 络交换数据时，常常出现信息交换时间延迟。这种由网络引起的时间延迟称为网络 诱导时延( n e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ) 。网络诱导时延包括传感器到控制器之间的时延、 控制器的计算时延、控制器到执行器之间的时延。造成网络诱导时延的原因主要有： 数据包在发送端将待发信和封装成数据包所需的时间、数据包等待网络空闲所用的 时间、数据包在实际传输媒介上传输所需时间等。另外，有些网络协议在发生数据 包丢失或出错时允许重发数据包，也会增加数据的网络传输时延。 在网络控制系统中，通常根据网络诱导时延与采样周期之间