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第十五章网络控制系统 目录15 1网络控制系统概述15 2网络控制系统概念和结构15 3网络控制系统的时序15 4网络控制系统模型15 5通信约束下的网络控制系统稳定性分析15 6网络控制系统控制器设计 第十五章网络控制系统 15 1网络控制系统概述21世纪是一个网络化的时代 网络的普遍性决定了其在生活中的广泛应用 对网络系统的研究最早始于20世纪50年代 如随机图ER模型等 随着国际标准化组织的开放系统互连基本参考模型 即通常提到的七层协议 1977 问世以来 第三代的计算机网络得到了学术界的广泛关注 该网络使用户能共享其中的大多数硬 软件和数据资源 减少计算机的负荷 提高网络的可靠性并使得计算机具有可扩展性和可换性 在无尺度网络模型的引入和小世界模型的基础上 有关复杂网络的研究得到了进一步深入 比如 通信网络 计算机网络 电力网 供水网 食品供应网 交通网 银行金融系统 油管输网 输气管网 输油管网以及控制网络等大量实际复杂网络中都含有无尺度以及小世界的特性 目前 复杂网络已经在生物学 社会学和计算机科学等相关领域中发挥了举足轻重的作用 李伯虎院士 2008 提出的云计算概念进一步丰富了复杂网络的应用 云计算将计算任务全部交给网络化的仿真平台 用户通过终端很难感觉到网络化仿真平台的存在 仿佛在云雾中一样 故取名云计算 第十五章网络控制系统 网络控制系统的结构图 第十五章网络控制系统 15 2网络控制系统概念和结构马里兰大学的学者G C Walsh在其论文中最早提及网络控制系统 networkedcontrolsystems 2 但是未给出NCSs的明确定义 通常认为NCSs是指某个区域现场所有传感器 控制器以及执行器和通信网络全体的集合 为各种设备之间的互联提供数据传输 使得该区域内不同地点的用户实现协调操作及资源共享 是一种网络化实时和全分布式的反馈系统 网络控制系统的框图 第十五章网络控制系统 网络给NCSs带来的关键问题有 执行器响应时刻和时延采样时刻之间存在不可忽略的滞后 在某一时刻间隔内存在的数据时序抖动 数据丢包 一 被动分析方法被动分析方法首先在不考虑网络情况下对控制器进行设计 然后进一步考虑网络影响来分析闭环NCSs的系统性能 涉及的主要方法有 1 网络摄动法 2 2 Lyapunov Krasovskii方法 3 6 3 其他方法 第十五章网络控制系统 二 主动分析方法主动分析方法在考虑网络对NCSs影响的基础上进行 进而讨论相应的系统分析以及控制器设计等问题 显然 与被动分析方法相比 主动设计方法在控制器设计以及系统分析过程中有效利用了网络信息 因而所得分析结果的保守性更小 控制策略也更为合理 主要的主动设计方法有 1 时延整形法 9 2 多模型控制法 10 3 随机控制方法 11 4 Lyapunov Krasovskii方法 7 13 5 切换控制方法 14 6 预测控制方法 15 7 其他控制算法 16 第十五章网络控制系统 15 3网络控制系统的时序15 3 1采样速率分析NCSs中采样速率由采样周期间隔以及数据的产生速率决定 因此和网络的服务质量QoS qualityofservice 有一定的关系 数据产生速率 采样周期15 3 2延迟与抖动分析网络化控制系统中的延迟与抖动如图所示NCSs中数据流程模型 第十五章网络控制系统 15 3 3NCSs的节点驱动方式NCSs中各节点的工作方式可以分为时间驱动 time driven 和事件驱动 event driven 两种 以控制器为例 所谓时间驱动的工作方式是指控制器在时钟的作用下定时从等待队列中取得反馈的采样信号 然后开始执行控制算法 产生决策信息发送给执行器 而事件驱动即用事件 反馈信号到达 来驱动控制器执行控制算法产生决策信息 同样在执行器结点也存在不同的驱动方式 与控制器和执行器不同的是 传感器节点通常采用定长时间采样 15 4网络控制系统模型15 4 1NCSs中的基本假设由于网络的引入 使得控制系统的分析变得非常复杂 并往往造成控制系统定常性 完整性 因果性和确定性的丧失等 7 第十五章网络控制系统 针对网络中的可变因素 同时也是NCSs建模的主要参数 已有的假设主要集中在以下几方面 关于驱动方式的假设假设传感器都是采用时间驱动方式 采样周期为 执行器和控制器存在时间和事件两种不同驱动方式的组合 关于传输时延的假设时滞为常数 随机分布或符合某确定分布 和满足或 关于NCSs数据传输的假设在NCSs中传输的每一数据包都是一个完整的数据 或者一个完整的数据被分成多个数据包 即单包和多包传输问题 数据单元在传输中由于网络阻塞 连接中断等原因会导致时序差错和数据包丢失等现象 第十五章网络控制系统 15 4 2连续系统模型连续型NCSs系统模型是指将网络控制系统看成一个连续系统进行分析与设计 系统的动力学模型可以表示为其中15 4 3离散系统模型Ray等人 9 基于各节点均采用时间驱动方式提出了一种增广的确定性离散系统模型 第十五章网络控制系统 15 4 3离散系统模型Ray等人 9 基于各节点均采用时间驱动方式提出了一种增广的确定性离散系统模型 NCSs的离散延迟模型假设1 传感器为时间驱动方式 控制器和执行器为事件驱动方式 假设2 网络延时有界且服从某一确定分布 假设3 不同采样周期网络时延互相独立 第十五章网络控制系统 15 4 4混合系统模型网络控制系统的混合系统模型是一个既含有连续变量又含有离散变量的混合系统 15 4 5有数据包丢失时NCSs的模型在NCSs中当节点故障或信息冲突时会发生数据丢包现象 虽然大多数网络协议都有重发机制 但数据仅在有限的时间内重发 一旦超出这个时限 将发生丢包现象 将造成数据的丢失 数据的丢包现象可能会对控制系统的控制品质产生影响 甚至造成闭环系统的不稳定 文献 8 将网络控制系统中的丢包问题作为异步开关系统 AsynchronousSwitchedSystems 进行建模 15 4 6时滞系统模型在同时考虑随机长时延和数据包丢失的情况下可将网络控制系统建模成一个具有随机时延的时滞控制系统 假设传感器是时间驱动方式 控制器与执行器均为事件驱动方式 第十五章网络控制系统 15 4 8其他模型除了上述的模型外 有不少研究工作还针对网络控制系统的特性 提出了一些其他的模型和建模方法 15 5通信约束下的网络控制系统稳定性分析15 5 1网络控制系统稳定的通信约束网络控制系统中由于引入网络作为传输介质 同时网络作为一个公共使用的信息传输信道 在控制系统数据传输时难免会存在通信约束问题 这也是网络控制系统区别于传统控制系统的一个重要特性 在通信约束情形下 控制系统的稳定性和性能都会受到影响 因此控制系统在通信约束下的稳定性分析是网络控制系统分析与综合过程的重要研究内容 第十五章网络控制系统 15 5 2量化反馈系统的稳定性分析在经典反馈控制理论中 系统反馈输出直接被引入到控制器产生控制信号 进一步作用于控制对象 然而在网络控制系统中 模拟信号在通过网络信道传输之前必须要量化后才能传输 因此信号量化在网络控制系统中有着广泛的应用 通过量化器的作用 使得系统实时输出信号被转化为有限长度的数字信号 因而可能会影响系统的控制精度和稳定性 量化器按量化方式分主要有两大类 均匀量化器和非均匀量化器 15 5 3基于状态观测的量化反馈稳定性分析考虑到网络控制系统中状态不一定能测量到 因此分析带有状态观测器的量化反馈控制稳定性具有现实意义 假设带有状态观测器的量化反馈网络控制系统如图所示 其中被控对象的状态空间模型为 第十五章网络控制系统 量化反馈控制系统结构框图15 6网络控制系统控制器设计15 6 1控制器设计方法针对网络诱导的时延 有不少补偿控制设计方法 其中延迟整形技术是其中一种 所谓延迟整形是指将网络上时变的时延通过 整形器 转化为固定的时延 系统时延经过整形后 控制律的设计问题就转化为一般的采样数据控制问题 延迟整形方法是研究可变时延条件下NCSs稳定性问题的一种简便方法 第十五章网络控制系统 基于预测的时延补偿控制15 6 2随机最优控制技术假设线性随机控制系统状态方程为 LQG最优控制问题的性能指标是最小化如下的二次型函数 第十五章网络控制系统 其中Q0 0 Q1 0为非负定的加权矩阵 Q2 0为正定矩阵 Q0 Q1和Q2分别表示对终端状态 状态向量和控制输入向量的加权 运用动态规划方法获得的最优状态反馈控制律为 15 6 3增广确定控制技术文献 23 针对具有周期性时延特性的网络控制系统提出增广状态的确定性离散时间网络控制系统模型 15 6 4基于QoS的控制方法在基于QoS qualityofservice 的控制方法中 控制器的参数可以根据当前网络的负载情况或者网络的服务质量 QoS 来动态调整 第十五章网络控制系统 15 6 5鲁棒控制方法在网络控制系统中由于系统本身以及网络引入往往带来各种不确定性 采用鲁棒控制方法是可以在一定程度上抑制系统不确定性的影响 15 6 6其他控制方法针对网络控制系统的特点 不少传统的控制方法 如广泛应用的PI PID控制等 经过改进后仍可以运用到网络控制的环境中 根据调度协议性质的不同 NCSs的调度协议可分为静态调度协议和动态调度协议 第十五章网络控制系统 1 静态调度协议静态调度协议是指在完全已知调度任务全集及其约束信息情况下设计得到的调度协议 其中有代表性的工作包括速率单调 ratemonotonic RM 算法及其改进RM算法 主要思想是为每一个周期任务指定一个优先级 该优先级按照任务周期的长短顺序排列 任务周期越短 优先级越高 2 动态调度协议在动态调度协议中 调度任务全集及其约束信息并非完全已知 动态调度协议需要根据调度任务信息来动态调整调度策略 其中有代表性的工作包括EDF earliestdeadlinefirst 算法和FCS feedbackcontrolscheduling 调度 EDF算法将待发数据按其生命周期来分配优先级 拥有最近截止期限的任务具有最高的优先级 FCS算法则将反馈控制理论与实时调度理论相结合 通过构造基于反馈控制的调度体系结构来解决不可预测环境下的实时调度问题 第十五章网络控制系统 参考文献R S Rail Smartnetworksforcontrol IEEESpectrum 1994 31 6 49 55 G C Walsh Y Hong L G Bushnell StabilityAnalysisofNetworkedControlSystems IEEETransactionsonControlSystemsTechnology 2002 10 3 483 446 D S Kim Y S LEE W H KWON etal Maximumallowabledelayboundsofnetworkedcontrolsystems ControlEngineeringPractice 2003 11 11 1301 1313 LingQ LemmonMD Softreal timeschedulingofnetworkedcontrolsystemswithdropoutsgovernedbyaMarkovchain ProceedingsoftheAmericanControlConference 2003 4845 4850 P Seiler R Sengupta Anapproachtonetworkedcontrol IEEETransactionsonAutomaticControl 2005 50 3 356 364 第十五章网络控制系统 A Sadjadi Stabilityofnetworkedcontrolsystemsinthepresenceofpacketlosses ProceedingsofIEEEConferenceonDecisionandControl 2003 1 676 681 岳东 彭晨 HanQL 网络控制系统的分析与综合 北京 科学出版社 2007 W Zhang Stabilityanalysisofnetworkedcontrolsystem D Cleveland DepartmentofElectricalEngineeringandComputerScience CaseWesternReserveUniversity 2001 R Luck A Ray Anobserver basedcompensatorfordistributeddelays Automatica 1900 26 5 903 908 L A Montestruque P J Antsaklis Onthemodel basedcontrolofnetworkedsystems Automatica 2003 39 10 1837 1843 第十五章网络控制系统 J Nilsson Real timeControlSystemswithDelaysPh D dissertation Sweden LundInstituteofTechnology 1998 S S HU Q X Zhu Stochasticoptimalcontrolandanalysisofstabilityofnetworkedcontrolsystemswithlongdelay Automatica 2003 39 11 1877 1884 H J GAO T W CHEN Network basedH outputtrackingcontrol IEEETransactionsonAutomaticControl 2008 53 3 655 667 W A Zhang L YU Outputfeedbackstabilizationofnetworkedcontrolsystemswithpacketdropouts IEEETransactionsonAutomaticControl 2007 52 9 1705 1710 W Zhang M SBranicky S M Phillips Stabilityofnetworkedcontrolsystems IEEEControlSystemMagazine 2001 21 1 84 99 第十五章网络控制系统 Y Tipsuwan M Y Chow Network basedcontrolleradaptationbasedonQoSnegotiationanddeterioration IEEEPress 2001 1794 1799 G C Walsh Y HongandL G Bushenll Stabilityanalysisofnetworkedcontrolsystems IEEETransactionsonControlSystemsTechnology 2002 10 3 438 446 J Nilsson B Bemhardsson B Wittenmark Stochasticanalysisandcontrolofreal timesystemswithrandomtimedelays Automatica 1998 34 1 57 64 H Lin G S Zhai P Jantasalis Robuststabilityanddisturbanceanalysisofaclassofnetworkedcontrolsystem Proceedingsofthe42ndIEEEConferenceonDecisionandControlHawaii USA Maui 2003 pp 1182 1187 D Liberzon Hybridfeedbackstabilizationofsystemswithquantizedsignals