网络控制系统及其仿真

1、网络控制系统及其仿真 网络控制系统及其仿真试验的研究 夏需强 控制理论与控制工程 指导教师：于佐军副教授 摘要 网络控制系统是计算机网络与自动化技术交叉发展的产物之一，它是 把网络作为控制的一种手段，可以称之为“网络自动化”。在网络控制系 统中，网络不仅是控制系统的数据传输的一种媒介，同时也是控制系统的 一部分。网络控制系统与传统的控制系统相比可以减少系统的连线，降低 系统的成本，使得结构灵活，易于扩展和维护，还能实现系统资源的共享。 虽然网络控制系统有很多的优点，但是由于网络带来的诱导延时和数据丢 包对控制系统的性能有很大的影响。针对网络延时和数据丢包，在本文中 做了如下的工作： 1 鉴于在

2、网络控制系统中跟踪问题研究很少这个现状，通过设置缓冲 区的方法将随机时变的网络控制系统转化为一确定性系统，然后再利用一 特殊的数学变换将此确定性系统变成一个等效系统，并推导了此等效系统 的最优跟踪控制律，同时还讨论了最优跟踪控制律的存在性。 2 对于网络延时服从确定的概率分布的网络控制系统，本文利用随机 控制的相关知识推导了随机最优控制律，并且讨论了此控制律的存在性和 稳定性。 进行了网络控制系统的仿真和利用自己编写的数据包发送接受程序进行了 试验同时还利用OPC服务器程序进行了试验。仿真和试验都得到了较好的 效果。 4 对于丢包过程服从已知的两点分布的网络控制系统，推导了最优滤 Il 波器。

3、使此滤波器达到丢包幸 偿的作用。 关键字：网络控制系统，最优跟踪控制律，诱导延时，数据丢包，最优滤波器 III onNetworkedControlandItsSimulation Research System and Experiment XIA andControl Theory Engineering Xu-qiang Control AssociateProfessorYU Directed by Zuo-jun Abstraet ofcross ktwecn control isoneofoutcomes Networkedsystem development it network

4、andautomation isonemeansofcontroland computer technologyIt control is canbecallednetworkedautomationInnetworked syst锄，network of betransmitted not medium whichdatacontrol can one through system only also withtraditionalcontrol but one ofcontrol system, part systemComparing control candecreaselineof

5、costof networked system, system system，reduce toextendmaintainItalso flexiableandmake and makestructure systemeasy theresourceof networkedcontrol has Canshare systemAlthough systemmany data iscausednetworkCan and which by advantages，induceddelay dropout of atnetworkanddata affect control delay great

6、lyperformancesystemAiming this the workisdone： dropout,inpaperfollowing theconditionthatinnetworkedcontrol is to systemtrackingproblem 1 Due be and control can system studied,stochastictime叼恤networked rarely deterministic transformedonedeterministic bufferThe by system systemsetting can one mathemat

7、ics becomeone special equivalentsystembyusing transformationThe controllawofthe is optimal equivalentsystem wacking derivedandtheexistence controllawisdiscussed tracking ofoptimal thenetworkedcontrol ofwhichnetwork to 2 For system delaysubjects deterministic controllawisderived optimal probabili姆dis

8、tribution,stochastic this the ofstochasticcontrolin usingrelated paperThe through knowledge and existencestabilizationofcon拉ollaw isdiscussed thesimulationand control 3 For ofnetworked this experiment system，in TrueTimeand SimEventsisusedtosimulate paper networkedcontrol system Data and tD isused co

9、nductnetwork packagesendingreceivingprogram the OPC$el-varisusedtoconduct experimentAnd program simulationand achieve effect experimentgood thenetworkedcontrol ofwhichthe to 4 For system process dropout subjects known filteris two-point derivedThefilterhasthe distribution,optimal function to ofcompe

10、nsation dropout words：Networkedcontrol Key control system，Optimal law Induced tracking delay,Data filter dropout,Optimal V 中国 i油人学 华东 硕十论文 第1章绪论 第1章绪论 11引言 现代计算机网络已经渗透到了科学的各个领域。工业系统中越来越趋 向于将计算机网络和控制集成在一起，利用网络作为连接不同部件的方式 逐步引入到控制系统中，形成不同的层面上的操作和信息处理。系统的模 块性、控制的分散性、系统的自诊断性、快速方便的维护和低成本要求在 控制系统设计中越来越突出。控

11、制系统中应用了数十年的传统点对点连接 的通信结果逐渐不能满足这样的要求。因此，研究分布式网络环境下的控 制系统具有积极和重要的现实意义。 12网络控制系统概述 我们传统意义上研究的控制系统是点对点连接的控制系统，如图11 所示。也就是说，控制器和被控对象之间的连接采用专线。 图1-1点对点控制系统结构框图 控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统称为网络控制系统 NetworkedControl System或NCS 。网络控制系统中，传感器、控制器、 执行器等都通过共用的通讯介质如总线或网络相连。各部分之间可以实现 点对点的对等通讯。由于控制网络属于一种彻底的分布式控制结构，因此 具有系统连线

12、少、可靠性高、易于扩展以及信息资源共享等特点。网络控 制系统的特点是信息 对象输出和控制输入等 在控制系统各部件间 传 感器、控制器和执行器等 通过网络进行交换。网络控制系统中每一个直 接与网络连接的系统部件称为节点。和广泛应用的计算机网络相比，网络 中国石油大学 华东 硕十论文 第1章绪论 控制系统主要研究实时可靠控制的质量。由于在控制系统中引入网络。而 网络自身特点造成了网络控制系统的复杂性。主要在于： 1 网络上多用 户共享通信线路且流量变化不规则； 2 传输数据经众多计算机和通信设 备且路径不是唯一的； 3 数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等 原因会导致时序错乱、数据包丢失。因此

13、，网络中传输的信息是处在一个 动态不确定时变环境中。由于网络中信息流存在非线性动力学特性，网络 作为闭环反馈控制的一部分和非线性被控对象组成的闭环系统是一变时延 不确定的复杂非线性系统。网络控制系统设计的主要目标是有效地利用有 限的网络带宽，来维持好的闭环系统性能。下面介绍在全球范围内网络控 制系统的研究现状。 13研究现状 关于网络控制系统的研究可以追溯到上个世纪中后期以后，RayA等人 CommunicationandControl 的关于集成通讯控制系统 Integrated Systems，简 自Ray Control 分析和设计方法而言，主要有基于离散模型的方法和基于连续模型的方法。

14、 另外在基于资源分配的控制、基于速率受限的控制、网络调度、网络诱导 时延的分析与补偿、网络控制系统的设计考虑与实现以及网络控制系统中 的时钟同步等方面也都取得了较丰富的成果，在下面的部分将主要介绍基 于离散模型的方法和基于连续模型的方法这两种方法的研究现状。 131基于离散模型的分析和设计 A等人的关于集成通讯控制系统的早期工作主要基于系统的离散 Ray 模型，文献113-421基于网络控制系统的离散模型对系统进行了分析和设计。 在基于离散模型的分析和设计中，又可分为网络控制系统的确定性分析和 设计以及网络控制系统的随机分析和设计。 1 网络控制系统的确定性分析和设计 2 中国石油大学 华东

15、硕士论文 第1章绪论 在网络控制系统中，由于网络诱导时延是随机时变的，所以网络控制 系统是一个随机系统，对这样的系统可以利用随机的方法进行分析和设计， 但要求网络诱导时延服从某一确定分布，且分布特性已知【18,191，当网络诱 导时延不服从某一确定分布或服从某分布而分布特性未知时，则只能设 计网络控制系统的确定性控制器。文献143删已经证明，对于具有随机传输 时延的系统，若按最大传输时延来设计控制器，则相应的闭环系统不一定 稳定。因此，要采用确定性方法来设计网络控制系统的控制器时，首先应 将随机时变时延转化为确定性时延，然后针对相应的具有确定性时延的网 络控制系统来设计控制器。文献Iojll提

16、出了通过在系统的数据接收端设置 一定长度的缓冲区的方法将ICCS的随机时延转化成一确定性时延，从而将 一随机时变的系统转换成一确定性系统，并基于该确定性模型设计了ICCS 的多步时延补偿器，并检验了系统模型中含有不确定参数时该补偿算法的 鲁棒性。文献【2】提出了一种多输入多输出ICCS的时延补偿算法，并将其使 用于一步预测的标准环路传递再生方法推广到多步预测的情况。文献【13】在 考虑了网络控制系统的噪声的情况下，利用与文献【lUJ类似的方法设计了网 络控制系统的多步时延补偿器。文献【】41利用文献Ilo】提出的网络控制系统确 定性模型，设计了网络控制系统的状态观测器。 2 网络控制系统的随机

17、分析和设计 由于网络控制系统的确定性控制方法人为地扩大了网络诱导时延，从 而降低了系统的性能，因此很多学者研究了网络控制系统的随机控制方法 【15删。文献【蝤1分析了ICCS的网络诱导时延，在时延分析中考虑了信号丢失 MessageRejection 和无效采样 VacantSampling ，并基于控制器的离散动态 模型建立了ICCS的离散模型，从而将一无限维连续的时延系统转化为一有 限维离散系统，且分析了具有周期性的随机网络诱导时延情况下ICCS的稳 5J的建模方法与文献四的建模方法的关系。 定性。文献【16】用图示说明了文献【1 文献【18】给出了ICCS的随机LQ最优控制律和状态估计器

18、的结构形式，文献 119分析了文献【18】的控制律并基于飞机的动态模型对该控制律进行了仿真验 证。文献【201在考虑了ICCS的传感器和控制器的时钟差异的情况下，利用类 似于最小方差的估计准则设计了网络诱导时延小于一个采样周期时系统状 态滤波器，并分析了该滤波器的稳定性。文献12JJ基于最小方差估计准则和 3 中国4i油人学 华东 硕十论文 第1章绪论 动态规划的原理设计了ICCS的时延补偿线性二次高斯控制器一 Linear DCLQG DelayCompensatedQuadraticGaussian ，也即输出反馈控制 最优控制器。文献【z副在考虑了ICCS的传感器和控制器的时钟差异的情况

19、 下，设计了网络诱导时延小于一个采样周期时ICCS的线性二次耦合时延补 Quadratic 偿器-LQCDC LinearCoupledDelay 考虑了系统噪声和观测噪声，在设计系统的随机控制器时，利用Lagrangian 方程，并指出分离原理在DCLQG控制器中也不再成立。文献231建立了控 制器和执行器全为事件驱动网络诱导时延小于一个采样周期时的网络控制 系统数学模型，设计了网络控制系统的LQG随机最优控制器和网络控制系 统的状态估计器，并证明分离原理在这样的网络控制系统中依然成立。文 献124，251基于控制器的离散动态模型，建立了网络诱导时延小于一个采样周 期并由一Markov链决定

20、网络时延概率分布的网络控制系统闭环模型，分析 了该闭环系统的稳定性，讨论了该闭环模型中增广的状态向量的方差阵的 链决定网络时延概率分布的网络控制系统的随机最优控制问题，设计了此 时网络控制系统的LQG随机最优控制器和状态估计器。文献聊2s提出了一 种多模式的状态预测方案，即通过在传感器端设置一定长度的先入先出缓 冲器，传感器在每个将要发送的数据后面加上一时间戳，该时间戳表明传 感器的发送队列中待发数据的长度，根据该时间戳，控制器可以对接受信 息的产生时刻作出较准确的判定，从而可以较为准确地估计当前时刻的被 控对象的状态。文献【29在与文献127】同样的假设下，建立了网络控制系统的 数学模型，并

21、用跳跃线性系统的方法设计了此时网络控制系统控制器。但 文献【27-29都没有考虑网络控制系统中的控制器到执行器时延，为此，文献301 建立了传感器、控制器和执行器全为时钟驱动的长时延网络控制系统数学 模型，并用混杂系统的方法、Lyapunov函数的方法及跳跃线性系统状态方 差矩阵的计算方法分析了网络控制系统稳定性。文献【3l】建立了传感器和控 制器全为时钟驱动，执行器为事件驱动多传感器和多执行器的网络控制系 统数学模型。文献132J也建立了传感器、控制器和执行器全为时钟驱动长时 4 中国石油大学 华东 硕士论文 第1章绪论 延网络控制系统数学模型，并利用跳跃线性系统的方法分析了系统的稳定 性，

22、且介绍了一种用于设计系统的反馈控制律的V墩迭代算法。文献田】也 建立了网络控制系统的离散模型，并利用跳跃线性系统的方法分析了反馈 通路中存在非线性时网络控制系统的稳定性。文献唧l将离散时变系统的稳 定性分析方法用于分析网络控制系统的稳定性，给出了检验网络控制系统 稳定性的条件。文献【36】讨论了具有积分对象的网络控制系统的设计，并 给出了相应的网络控制系统稳定的充分条件。文献t37,38分别讨论了由两维 和一维被控对象组成的网络控制系统的稳定性问题。文献391研究了网络诱 导时延具有Markov特性的网络控制系统的随机最优控制问题。文献I柏网 控制器的网络控制系统镇定问题。文献【4ll基于线性

23、时不变的被控对象，设 计了网络控制系统中的控制器和观测器问题，所设计的控制器带有一个开 关，该开关的闭合决定了网络控制系统的开环与闭环。文献142J在研究了分 稚式线性变参数的控制器的设计闯题。 132基于连续模型的分析和设计 上一小节所提到的文献均采用离散模型对网络控制系统进行了分析和 设计，也有部分研究人员基于连续模型对网络控制系统进行了研究45-52， 文献f45】基于线性肘不变的被控对象，建立了网络控制系统的连续模型，并 设计了网络控制系统预测器。文献1461基于网络控制系统的连续模型，针对 本来稳定的系统，证明了只要网络数据的传输间隔小于某一确定值，通过 网络闭环的网络控制系统便依然

24、稳定。文献471基于非线性被控对象，提出 了种网络控制系统两步设计法，第一步按没有网络存在时用常规的方法 设计控制器，第二步当网络加到系统中之后，只要选择合适的网络协议和 带宽便可以保证网络控制系统稳定。文献148J基于网络控制系统的连续模型 分析了扰动对系统稳定性的影响，指出只要扰动有界，则系统的状态最终 有界。文献149,501提出了两种网络误差编码方案：静态编码和动态编码，并 基于网络控制系统的连续模型分析了两种编码方案情况下网络误差的界以 及对系统稳定性的影响。文献【引1提出了一种停留时间 DwellTune 方案用以 5 中国干i油大学 华东 硕士论文 第1章绪论 提高网络中数据的传

25、输速率，并分析了网络控制系统的稳定性，且强调指 出利用划分状态空间的方法可以减少系统设计的复杂性。文献【52】基于连续 的被控对象模型，研究了一组线性时不变的被控对象组成的网络控制系统 的同时镇定问题。 14网络控制系统中的基本问题 网络控制系统已成为国际控制界的一个研究热点，虽然关于网络控制 系统的研究已经取得了很多成果，但网络控制系统还没有一套成熟的理论 与方法。网络控制系统中的很多基本问题还有待于人们进一步研究。例如 公用数据网络中除传送闭环控制系统的控制信息之外，还需要传送许多与 控制任务无关的其它数据，资源竞争和网络拥塞等现象不可避免的会造成 数据传输的时延以及数据包丢失等问题，且采

26、用不同的网络协议会使时延 具有不同的性质。同时由于网络控制系统本身所具有的网络诱导时延、数 据包的时序错乱以及数据包丢失等特点，使得传统的控制理论在网络控制 系统中无法使用，要研究网络控制系统就必须发展与网络控制系统相适应 的控制理论与方法，而要发展与网络控制系统相适应的控制理论与方法就 必须研究网络控制系统中的一些基本问题。这些基本问题包括：时变传输 周期、网络调度、网络诱导时延、单包传输和多包传输、数据包时序错乱、 数据包丢失和节点的驱动方式等。这些基本问题在文献【53J中进行了详细的 介绍。 l。5主要的研究工作和内容安排以及创新点 本文讨论的对象为线性时不变对象，主要研究了网络控制系统

27、的控制 方法，仿真方法以及其实验，同时还对网络控制系统的丢包问题进行了初 步的理论研究。全文的内容安排如下： 第l章为全文的绪论部分。在其中介绍了本文的研究目的与意义以及 研究现状，同时还简要介绍了网络控制系统的基本问题以及本文的主要工 作。 第2章主要介绍了网络控制系统的确定性研究方法。在该章主要研究 6 中国石油人学 华东 硕士论文 第1章绪论 了确定性网络控制系统的跟踪闯题，首先利用一个特殊的数学变换将系统 进行等价变换，然后推导了最优跟踪控制律并且证明了系统的稳定性，最 后通过仿真来验证了最优控制律的有效性。 第3章研究了事件驱动的随机控制的网络控制系统，引入了网络控制 系统的能控性和

28、可镇定性等概念，推导了随机控制的最优控制律。并且给 出了一种简便的计算随机最优控制矩阵的方法，还给出了其证明过程。最 后利用最新仿真工具SimEvents进行了仿真验证。 第4章主要介绍了网络控制系统的仿真方法及其实验。在该章中介绍 据发送接收程序进行的局域网实验和利用本人导师于佐军老师编写的OPC 服务器进行的局域网实验这两种实验方法。并且与常规的最优控制相比较， 取得了较好的结果。 第5章主要介绍了网络控制系统中的丢包问题的初步理论研究。在本 章中利用随机过程的有关知识，推导了基于丢包过程的最优滤波器。 第6章对论文所做的工作进行了总结，并提出了网络控制系统中有待 进一步解决的问题以及有关

29、网络控制系统发展方向的个人的一些看法。 本文的刨新点为： 1 对于确定性的网络控制系统，利用一个特殊的 变换将其变为一个等价系统，推导了变换后的系统最优跟踪控制律以及控 制律的存在性和稳定性问题； 2 首次提出了一种计算随机控制的网络控 制系统的最优矩阵的简便方法，并且给出了具体的证明过程； 3 首次将 利用自己编写的在Matlab环境下的数据包发送接受程序来做网络控制系统 的网络传输试验来验证已推导控制律的正确性。 7 中国石油大学 华东 硕士论文 第2章网络控制系统的确定性研究方法 第2章网络控制系统的确定性研究方法 2。1引言 在网络控制系统中，由于实际的网络诱导时延是随机的，所以网络控

30、 制系统是一个随机系统，对于随机系统，可以采用随机控制的方法进行状 态估计和控制。但该方法要求网络诱导时延必须服从某一确定的分布且其 统计特性必须已知，但当网络控制系统的网络诱导时延的统计特性是时变 的时候，用随机控制的方法就无法实现对网络控制系统的控制。在本文中 采用的方法是通过在控制器和执行器的接收端设置一定长度的缓冲区，将 网络控制系统中的随机时延转化为确定性时延，从而将随机的闭环系统转 化为确定性的闭环系统。 22确定性网络控制系统的结构组成 如图21所示，其中的f。表示传感器一控制器时延，乇表示控制器一 执行器时延，这两种时延都可以分为三部分：源节点时延、网络通道中的 时延和目标节点

31、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。由于k和乇都是随机的，为了控制的方便， 做如下的假设： 假设1： 通道时延相比于器件时延来说很小，可以忽略通道时延 假设2： 在本章内容中不考虑时序错乱问题，即发送接收的次序不变。 J下如上文所提及的。若传感器、控制器和执行器全为时钟驱动且在网 络控制系统的传感器的发送端和控制器的接收端分别设置一定长度的先入 先出队列型缓冲区，在控制器的发送端和执行器的接收端也设置一定长度 的先入先出队列型缓冲区，则可以将网络控制系统中的随机时延转化为确 定性时延。将随机的网络控制系统转化为一确定性系统。 8 中国石油大学 华东

32、硕士论文 第2章网络控制系统的确定性研究方法 图2一I网络控制系统的结构框图 缓冲区设置的长度是与时延的最大值有关，假设传感器一控制器时延 和控制器一执行器时延的最大值分别为m，T，m，T，脚，m，为正整数，r为系 统的采样周期，则传感器的发送端和控制器的接收端设置的缓冲区的长度 为m+1，控制器的发送端和执行器的接收端设置的缓冲区的长度为 m，+l。对于缓冲区的设置，有以下几点需要说明： 1 在源节点和目标节点设置缓冲区的目的一方面是为了防止数据丢失， 另一方面也将随机时延转化为最大时延。 一 2 当缓冲区的长度小于上面所述的长度时，便会出现信息丢失，此时不 能将随机时延转化为确定性时延。

33、3 当目标节点的工作方式是事件驱动时，不能将随机时延转化为确定性 时延。 有了上面的叙述，可以得到确定性网络控制系统的实现框图如图22 所示： 圈2-2确定性网络控制系统的实现原理图 9 中国石油大学 华东 硕士论文 第2章网络控制系统的确定性研究方法 图2-3确定性网络控制系统的示意图 图2-4确定性网络控制系统的等价框图 上面框图的等价关系由控制理论的有关知识可以得到。 23确定性网络控制系统的最优跟踪控制1 本节基于线性时不变被控对象，利用一个特殊的数学变换和最优控制 的相关知识，推导了最优跟踪控制器的表达式。 在图2-4中，假设被控对象为线性时不变系统，令其被离散化之后的数学模 蛳 蒜嚣篆邶“妁 协t， 其中x R”，甜 的R9，y 幻R9，A，反C为适维矩阵 由于是系统离散化之后的系统，由控制理论的相关知识可知，系统矩阵A是 可逆的。令m +rf，由图2-4所示的网络控制系统，其模型的数学表 达式为：x k+I Ax 七 +B甜 七一脚 2-2 本节内客已被控制工程录用，于2007年发表 10 中国石油火学 华东 硕十论文 第2章网络控制系统的确定性研究方法 接下来做如下的数学交换： J-“-IBu k-0， 23 z t x 女 +A J11 2