(控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)優(yōu)秀論文)通信信道受限的網(wǎng)絡(luò)控制系

1、摘要網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，具有低成本、易維護(hù)性、高可靠性等諸多優(yōu)勢(shì)。由于信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 傳輸，其不可避免地會(huì)遇到一些特殊的問(wèn)題。通信信道受限的控制問(wèn) 題是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的有限和噪聲信號(hào)的干擾限制通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳 輸能力而產(chǎn)生的。此類(lèi)問(wèn)題的存在可能會(huì)降低控制系統(tǒng)的控制性能， 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)屮通信信道受限情況下的 控制策略問(wèn)題進(jìn)行研究具有重要意義。論文主要針對(duì)一類(lèi)通信信道受限的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)， 研究在有限通信系統(tǒng)資源下系統(tǒng)的建模、通信序列的選取以及控制器 設(shè)計(jì)等問(wèn)題，并就通信信道受限對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響進(jìn)行仿真分 析。其具體工作如下

2、：針對(duì)任一時(shí)刻只允許部分傳感器和控制器訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的情況，引入 通信序列矩陣描述信道受限問(wèn)題，分別建立了在“零控制”、“前次控 制情況卜的系統(tǒng)模型；在保證系統(tǒng)能控、能觀的前提廠 給出了周 期性可行通信序列的選取原則，并設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的lqg最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)控制 器。仿真實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性及有效性。基于可行通信序列的選収原則，給出了系統(tǒng)最優(yōu)通信序列的選取 標(biāo)準(zhǔn)。并根據(jù)lqg最優(yōu)控制問(wèn)題的特點(diǎn)，將控制性能指標(biāo)定義為不 受限與受限情況下的目標(biāo)代價(jià)函數(shù)的比值。通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)研究 了不同的通信信道受限程度、不同的受限網(wǎng)絡(luò)模型以及通信序列的選 取對(duì)l q g最優(yōu)控制性能的影響。進(jìn)一步提出用預(yù)測(cè)法來(lái)估計(jì)信道受限所丟

3、失的實(shí)時(shí)信息，建立“預(yù)測(cè)控制"情況下的系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)出穩(wěn)泄的最優(yōu)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)控制器， 并通過(guò)仿真數(shù)例對(duì)算法可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，針對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)上搭建的無(wú)耦合二階電路控制系統(tǒng)，將其與n e t c o n網(wǎng)絡(luò)控制黠相連構(gòu)建模擬網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)屮通信信道受限的實(shí) 驗(yàn)環(huán)境，對(duì)設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了設(shè) 計(jì)算法的正確性及可行性。關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通信信道受限，通信序列，l qg最優(yōu)控制，最優(yōu)預(yù)測(cè)控制，性能評(píng)估指標(biāo)，n e t c o n控制器abstractnetwo rk e dco nt r01syste m(nc ；s)i saf !u 11 od i str ib u

4、ted andnetwo rk e dre a1t1m efe e d b a c k c o n t:r o 1syste mw hi chhasse v e r a1advan tagesi n 1 o wc0st ,easy m a1ntenan ce ,h1g hre11a b i 1 ityands 00nduet0th euseo fd1gi ta1netw 0rkstotransm1t in f0rm at10n.nc s sc0mesupagai nsts0mespec ia1p r o i)1e ms bee:a iusethereal-timetran sm1tt i ng

5、capa c1ty0fne tw0rk s arerestr ic tedbynetw 0rkbandw1dth1i mi tati onandno i s esignal di sturbance, communicat ioncha n nelsconstraints controlproblemcomes intobe1ngthepr0b1emdecreasec0ntr01systemperf0rmancewh1c1sa 11 s 0thep0tent1a1fact0rst01nf1uensystemstab111tytheref1s1mp0rtantt0study0nc0ntr01st

6、rategypr0b1em0fnetw0rkedc0ntr01w1th11m1tedc0mmumayhc eore, i ts y s t e m sn icati on c h a n n e 1 s .form u1t1p1ei rl p u t sa ndm u1t1p1eo uitputs n c s s w i th 1 i m i tedc 0m mun1ca ti o n channels, the system mod1 ingthes e1ect10n c)fc 0mmun1ca ti o ns equences ,t h e d e s i g no fthec0nt ro

7、 i 1 erandtheef fee tsof1 im1tedco m m u n i c a t i onchanne 1 sonthecot r01p erf0rman ce sa restud1e dt hema1nwo rk 1 i e s i n t h ef 0110w1ng iterns：f orn c sswi th 1 i m i tedchannel s w h i chareo n1ypermi tteds 0me0fs ens0rsan dactuatorsaccesstonetworksta nyt1mes ystemm ode1s0ft hezer0co ntro

8、landthelas tavai 1 a b 1 e c ot r01arer espect1v el yb u11tb yi ntr0duci ngc 0mmun1ca tionmatrixes. basedonthecont r011ab11tyan d0bservab111ty0fsystems9these1ect10npr1nc1p1e0fthefeas1b1eper10d1cc0mmun1cat10nsequencesi sgs1tv en .t hen ,theab1el q g(l1n earquadrat icg auss i a n)opti m a 1netw0rk edc

9、 0ntr o 1 1 e r i sdes1gne da ndthes1mu1at i0n resultsverifythefeas1bi 11t yandva11d1t y0f themethods.based0n the se1e c t i o npr1nc1p 1e0f也efea s1b 1ecommunicationsequenc es,these1ecti onpr1nc1p 1e0ft:h e0pt1ma1c0mmuni cat i0nsequenc es1sg1venm ean t1me, a c c o r d i ngt0thefe atu reso f t h el q

10、 g0pt1ma1c0ntr01pr0b1em.th erat10o f c o s tfunctionswithchanne1 sto 11mitedchannelssc0ntro 1perf0rm anc e1ndext0eva1uat eco ntrolactionrunna11the eff ects o f d i f f e r e n tdegrees0f11m1t edc 0m municationcharentsys temm0de1sa ndc0m muni cat i0ni n g s t a n d o rafn n e 1 s . d i f feu n 1 i m

11、i tedi s definedsseeq1u eecn tc1e0sth eno nl q g0pt1ma1c0ntr01ii知識(shí)水壩為您整理perf0rmanceareana1yzedbya10t0fs1mu1at10nexper1mentsthepred1ct1vemeth0disfurthepr0p0sedt0est1matethedr0ppedr e a 1 t i m e1nf0r m at1o n ,an dth esystemm0de10fthepred1ct1vec0ntr011sbu11tthen , thestab0pt1m a1pred1ct1venetwo rkedc

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14、rf0rmi anceeva1uat10n1ndexnetco nc0n t r o 1 1 e ri i i知識(shí)水壩為您整理原創(chuàng)性聲明木人聲明，所呈交的學(xué)位論文是木人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文屮特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文小不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不 包含為獲得屮南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我 共同工作的同志對(duì)木研究所作的貢獻(xiàn)均已在論文屮作了明確的說(shuō)明。 作者簽名：一墀口期：2型卜年上月監(jiān)日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本人了解中南人學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國(guó)家或湖南省有關(guān)部門(mén)規(guī)定送

15、交學(xué)位論文， 允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。h期：4年上月旦n中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論i1課題的提出第一章緒論 弟一早 三百下匕隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、控制等技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)以及在控制網(wǎng) 絡(luò)平臺(tái)上構(gòu)筑而成的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)己成為口動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化 控制系統(tǒng)將自動(dòng)控制技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)筑成分布式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn) 場(chǎng)微觀控制和企業(yè)宏觀決策的一體化，為工業(yè)控制和企業(yè)管理決策帶來(lái)了一種

16、全 新的模式。這種技術(shù)的結(jié)合不僅在實(shí)踐上能為解決遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等已經(jīng)遇到和將 要遇到的諸多技術(shù)難題帶來(lái)新的思路和方法，而h在理論上將促進(jìn)自動(dòng)控制技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等多學(xué)科的相互滲透和交叉發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是計(jì) 算機(jī)控制系統(tǒng)的更高發(fā)展，它具有如下特點(diǎn)112:(1) 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)上，它 支持如總線型、星型、樹(shù)型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與分層控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)相比顯得更 加扁平和穩(wěn)定；(2 )節(jié)點(diǎn)智能化：帶有c p u的智能化節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和功能 協(xié)調(diào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個(gè)細(xì)胞，且具有各自相對(duì)獨(dú)立的功能;(3) 控制現(xiàn)場(chǎng)化和功能分散

17、化：網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)使原先由屮央控制器實(shí)現(xiàn)的任務(wù) 下放到智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上執(zhí)行，使危險(xiǎn)因素得到分散，從而捉高了系統(tǒng)的可靠性 和安全性；(4) 系統(tǒng)開(kāi)放化和產(chǎn)品集成化：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是遵循一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，是一個(gè)開(kāi)放性的系統(tǒng)，只要不同廠商根據(jù)統(tǒng)-標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品，這些 產(chǎn)品之間便能實(shí)現(xiàn)互操作和集成。以上特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義上的控制系統(tǒng)相比，具有如下突出優(yōu)占【3】 >9、(1)系統(tǒng)的連接線大大減少，控制系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；(2 )實(shí)現(xiàn)資源共享，交互性好；(3 )適于系統(tǒng)安裝、擴(kuò)展和維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的發(fā)展正呈方興未艾z勢(shì)，其應(yīng)用范圍z廣，影響層面z深 已經(jīng)引起越來(lái)越多的關(guān)注和重視

18、，成為控制領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)。它兼具網(wǎng)絡(luò)和控 制的特點(diǎn)，既是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向控制領(lǐng)域的延伸和發(fā)展，又體現(xiàn)了控制系統(tǒng) 向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。盡管網(wǎng)絡(luò)化給控制技術(shù)帶來(lái)了 新的活力和積極而深遠(yuǎn)的影響，但同時(shí)也給控制技術(shù)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。一 方面，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下控制技術(shù)的飛速發(fā)展打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在空間位置上的限中南人學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論制，極人地拓寬了控制系統(tǒng)的活動(dòng)范圍和應(yīng)用場(chǎng)合；另一方面，通信網(wǎng)絡(luò)介入到 控制系統(tǒng)中不僅引發(fā)了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，而且也給控制系統(tǒng)分析與綜合帶來(lái)很多新的問(wèn)題。這些問(wèn)題的存詼際溝么?a id二sogousnap0_62控制策 略和方法的分

19、析與設(shè)計(jì)面臨著諸多的挑戰(zhàn)和困難。本課題來(lái)源于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院口動(dòng)化研究所合 作建立的網(wǎng)絡(luò)化控制實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目。課題立足于口動(dòng)控制理論及算法的實(shí)現(xiàn)，從 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)屮通信信道受限這一基本問(wèn)題出發(fā)，對(duì)受限系統(tǒng)建模、性能影響分 析與控制器設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行研究。同時(shí)，本文的研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金 重點(diǎn)項(xiàng)h ( 6 0 6 3 4 0 2 0 ) “面向節(jié)能降耗的有色冶金過(guò)程控制若干理論與方 法研究”、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)冃(608 0 4 0 3 7 ) “檢測(cè)大時(shí)滯有色冶金配料過(guò)程不確 定實(shí)時(shí)優(yōu)化方法研究教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)1=1 (200805331 103 ) “檢測(cè)大時(shí) 滯

20、氧化鋁配料過(guò)程不確定實(shí)時(shí)優(yōu)化方法研究“、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)冃(nc e t- 0 8 . 0 5 7 6 ) “復(fù)朵有色冶金過(guò)程不確定實(shí)時(shí)優(yōu)化方法研究”的 支持。12網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究背景計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)口動(dòng)化的不斷興起而應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生的綜合控制系統(tǒng)，它緊密依賴(lài)于最新發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù), 在計(jì)算機(jī)參與工業(yè)系統(tǒng)控制的歷史長(zhǎng)河中扮演了重要的角色。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的 發(fā)展主要經(jīng)歷了直接數(shù)字控制系統(tǒng)，集散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò) 化控制系統(tǒng)【4 ' 5 j o6 0年代末期出現(xiàn)了直接數(shù)字控制(d d c )系統(tǒng)，如圖1 . 1所示：圖1

21、1直接數(shù)字控制系統(tǒng)這種控制系統(tǒng)只通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作處理，因而控制集中，便于各種 運(yùn)算的集中處理，各通道或冋路間的耦合關(guān)系在控制計(jì)算中可以得到很好的反 映。同時(shí)由于系統(tǒng)沒(méi)有分層，所有的控制規(guī)律均可直接實(shí)現(xiàn)。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于當(dāng)時(shí) 的小規(guī)模、自動(dòng)化程度不高的系統(tǒng)，特別是對(duì)具有大量順序控制和邏輯判斷操作 的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)收到了良好的效杲。但是，在生產(chǎn)過(guò)程較復(fù)雜的情況下，在實(shí)現(xiàn) 對(duì)幾十、幾百各個(gè)回路的控制時(shí)，其可靠性將難以保證。系統(tǒng)危險(xiǎn)性的過(guò)于集屮, 2中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論使得一旦計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，這影響了直接數(shù)字控制系統(tǒng)的進(jìn) 一步推廣應(yīng)用。7 0年代中期，隨著電子技術(shù)的飛

22、速發(fā)展，人規(guī)模集成電路的出現(xiàn)為集散控 制系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。集散控制系統(tǒng)(dcs) 乂稱(chēng)為分布式控制系統(tǒng)，是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集屮管理和分散控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 2所示： 控制對(duì)彖申申辛1申甲導(dǎo)卜小一呼1現(xiàn)場(chǎng)控制器1現(xiàn)場(chǎng)控制器n,i i11 f數(shù)據(jù)通道1 7中央控制室操作站圖1. 2集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)整體可分為四個(gè)層次：過(guò)程控制級(jí)，控制管理級(jí)，生產(chǎn)管理級(jí)和經(jīng) 營(yíng)管理級(jí)。它們是以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶聯(lián)系，操作，管理，控制相對(duì)分散，配置靈 活，組態(tài)方便。事實(shí)上，它已經(jīng)是一個(gè)多級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，然而在計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩嗍菆?bào)警信號(hào)，開(kāi)關(guān)量信號(hào)和監(jiān)控信號(hào)等，現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)男盘?hào)仍然是 4

23、” 一一 2 oma的模擬信號(hào)。集散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)使得系統(tǒng)的處理能力大大提 高，很大程度上分散了系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，與集屮式控制系統(tǒng)相比更具有優(yōu)越性。并月.，集 散控制系統(tǒng)從綜合自動(dòng)化的角度，按功能分散、協(xié)調(diào)集中的原則設(shè)計(jì)，有著高可 靠性、高實(shí)時(shí)性。然而，該系統(tǒng)諸如開(kāi)放性差，分散不夠，以4 ” 一 2 0ma作 為系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相互連接等問(wèn)題在很人程度上限制了集散控制技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展， 促使著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)繼續(xù)向著更開(kāi)放化、更分散化、更數(shù)字化的方向發(fā)展。9 0年代，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（fcs）應(yīng)運(yùn)而生。它是指適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的數(shù) 字處理與通信系統(tǒng)，u的是采用數(shù)字多路復(fù)用通信技術(shù)使現(xiàn)場(chǎng)裝置與計(jì)算機(jī)間進(jìn) 行

24、有效的通信，減少現(xiàn)場(chǎng)布線，并實(shí)現(xiàn)變送器的遠(yuǎn)程操作?，F(xiàn)場(chǎng)總線在智能現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備、口動(dòng)化系統(tǒng)之間提供了一個(gè)全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點(diǎn)的通信鏈接，其 基本結(jié)構(gòu)組成如圖1 3所示。作為新一代控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有如下特點(diǎn)：1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全分散 控制；2）系統(tǒng)的開(kāi)放性；3 ）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性；4）互操作與 互用性；5 ）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。這些特點(diǎn)使得現(xiàn)場(chǎng)總線與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的體系 結(jié)構(gòu)相比，具有節(jié)省破件數(shù)量和投資、減少安裝費(fèi)用、降低維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)、用戶(hù)具有屮南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論圖13現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)、較高的系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。但它也有明顯的不 足之處：目前相關(guān)的

25、現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還局限于過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，過(guò)于集中于過(guò) 程控制的低速總線，不能很好地用于分布式控制和混合控制等方式；系統(tǒng)的可擴(kuò) 展性不強(qiáng)；且其應(yīng)用和裝置的類(lèi)型也不完善，因此離實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放性還有很長(zhǎng) 的一段距離。盡管，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化控制能夠解決獨(dú)立的控制系統(tǒng)中的問(wèn) 題，但是它在網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信媒介的使用方面都面臨著許 多限制和約束。進(jìn)入21世紀(jì)，自動(dòng)化與工業(yè)控制技術(shù)需要更深層次的滲透通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 一方血，現(xiàn)代工廠與智能設(shè)備傳感器、控制器、執(zhí)行器分布在不同的空間，而它 們之間的通信需要數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一方面，通信網(wǎng)絡(luò)的管理與控制也要 求更多的采用控制理論與策略。隨

26、著控制、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的發(fā)展和相互滲透， 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，空間分布越來(lái)越廣，對(duì)系統(tǒng)控制性能的要求也越來(lái)越 嚴(yán)格【61。綜合通訊和控制系統(tǒng)iccs (integratedc o m m u n i cat i onandcont r o 1system),又稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(ne two r k e dc o n t r o 1system, n c s ),最早于 1998年出現(xiàn)在馬里蘭大學(xué)wa 1 s h g c t o 7的文章中，但其并沒(méi)有給出確切的 定義，只是用圖說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，指岀在該系統(tǒng)屮，控制器與傳感器通過(guò)串 行通信線路形成閉環(huán)。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)的顧洪軍給出

27、了明確的定義8】：網(wǎng) 絡(luò)控制系統(tǒng)，又稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卜實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)。是指在某 個(gè)區(qū)域內(nèi)一些現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、控制及操作設(shè)備和通信線路的集合，用以提供設(shè)備之間 的數(shù)據(jù)傳輸，使該區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的設(shè)備和用戶(hù)實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作。廣義 的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包括狹義的在內(nèi)，而且述包括通過(guò)企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)以及i n t e r n c t實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠車(chē)間、生產(chǎn)線甚至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)視與控制等。另外，同濟(jì)大學(xué)的于z訓(xùn)【9】、中國(guó)科學(xué)院的王飛躍【10】等用了“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”，重慶大學(xué)的張結(jié) 斌【1 1】用了“分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”這樣的術(shù)語(yǔ)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基木特點(diǎn)就是反饋控制系統(tǒng)中的控制回路是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接 而形成

28、系統(tǒng)閉環(huán)的，其典型結(jié)構(gòu)如圖14所示。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)控制 系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)并沒(méi)有區(qū)別，都是總線網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享信道，用來(lái)傳 輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；但從定義上看，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)側(cè)重的是節(jié)點(diǎn)z間實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)的傳輸和共享，而網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)則強(qiáng)調(diào)在通信網(wǎng)絡(luò)上建立閉環(huán)控制回路。從 這一點(diǎn)上看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)屮的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣義的范疇，其還可以包括工業(yè)以太 4屮南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論圖1 4網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)甚至i n t eme t ,這也是與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的。 從技術(shù)的角度上來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)兼具有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和口動(dòng)控制技術(shù)的特點(diǎn)：(1 )要求有高實(shí)時(shí)性及快響應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸：(

29、2 )傳送的信息既有控制型 的短幀信息也有監(jiān)控或決策信息，且信息交換頻繁；(3)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用，工作 效率高；(4)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有高度分散性，易于實(shí)現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，安全性好;(5) 具有控制設(shè)備的智能化和控制功能的自治性特點(diǎn)。目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主 要應(yīng)用于兩個(gè)方面1 2 ' 13： 一是復(fù)雜控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般由多個(gè)子系 統(tǒng)構(gòu)成，如&機(jī)高度控制系統(tǒng)。二是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，如衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，以及其它航天 器，艦船，高性能汽車(chē)等。另外，使用無(wú)限網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)用大量廣泛散布 的廉價(jià)傳感器與遠(yuǎn)距離的控制器，執(zhí)行器構(gòu)成某些特殊用途的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，這 些都是傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系

30、統(tǒng)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。13網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要問(wèn)題及研究現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化領(lǐng)域又一次深刻的變革，它順應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸地向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比有許多的 優(yōu)點(diǎn)，如低成本、低重量、低功耗、易維護(hù)性、高可靠性等。但是，由于網(wǎng)絡(luò)的 介入，信息乂是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)?。因此，不可避免地帶?lái)了不同于其他控制 系統(tǒng)的問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失或順序混亂、單包和多包傳輸、通信 受限以及網(wǎng)絡(luò)調(diào)度等問(wèn)題1 1扣1 6 j。13 .1網(wǎng)絡(luò)時(shí)延在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，時(shí)延是普遍存在的現(xiàn)象。它來(lái)源于控制對(duì)象本身的時(shí)滯， 控制算法的復(fù)雜程度，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸以及外界干擾等。在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制

31、系統(tǒng)中, 時(shí)延可以分為控制算法時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延兩人類(lèi)。由于控制算法時(shí)延是指節(jié)點(diǎn) 完成自身功能所用的時(shí)間，在實(shí)際情況中相對(duì)采樣周期較小甚至可以忽略，所以屮南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)屮主要存在的是網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延。如在調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在等待 令牌或時(shí)間槽時(shí)就會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，這會(huì)降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)的不 穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在著多種不同性質(zhì)的時(shí)延，近年來(lái)對(duì)于確定性時(shí)延系統(tǒng)、隨機(jī)時(shí)延系統(tǒng)的分析和建模【17 7 9】都取得了很大的進(jìn)展。當(dāng)前，對(duì)于時(shí)延 控制系統(tǒng)的控制方法主要分為以下兒種：()狀態(tài)增廣方法網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)爺控制屮，狀態(tài)增廣方法是被廣泛采用的策略也是許多先進(jìn) 控制策略的基

32、礎(chǔ)，這種方法是將帶有時(shí)延信息的増廣狀態(tài)與原有的系統(tǒng)狀態(tài)空間 方程整合。nilsson 20以狀態(tài)増廣法為基礎(chǔ)，分析了具有相互獨(dú)立 延時(shí)和馬爾可夫鏈特征延時(shí)的系統(tǒng)。但是，由于增廣狀態(tài)空間模型具有隨機(jī)特性，所以很難在 不改變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上給出通用穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。(2) 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方法【2 1 增益自適應(yīng)方法是利用增益的白適應(yīng)調(diào)整來(lái)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)控制屮服務(wù)品質(zhì)(qos) 的變化與下降，并根據(jù)給定的網(wǎng)絡(luò)q o s自調(diào)整控制器參數(shù)，以提供最好的控制 性能，以克服擾動(dòng)方法存在的不足。這種方法有效解決了控制系統(tǒng)的不確定性時(shí)延 問(wèn)題，并在快速響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中驗(yàn)證了有效性，較以往的控制策略具更廣 的適用

33、范圍。但控制器參數(shù)的口適應(yīng)調(diào)整力度有限，不適用于長(zhǎng)時(shí)延控制系統(tǒng)。(3) 先入先出的隊(duì)列補(bǔ)償方法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的隨機(jī)時(shí)延，利用先入先出的隊(duì)列進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償方式較于狀態(tài)增廣法更為有效，其主要分為兩類(lèi)t定值預(yù)測(cè)和概率預(yù)測(cè)。a. lueknrayl22提出了基于確定性預(yù)估器的時(shí)延補(bǔ)償方法，該方 法是基于定值預(yù)測(cè)的時(shí)延補(bǔ)償方法，其基木思想是使用觀測(cè)器估計(jì)被控對(duì)象的狀態(tài)，根據(jù) 已有的輸出量，利用預(yù)測(cè)算法計(jì)算出預(yù)估的控制輸入量。在此預(yù)測(cè)補(bǔ)償法方法中, 觀測(cè)器和預(yù)估器的性能好壞主要依賴(lài)于模型的精確度，被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型需要 相當(dāng)準(zhǔn)確，月由于隊(duì)列的存在和模型的不確定性，人為增長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。b. chan 23】

34、利用隊(duì)列和一個(gè)概率預(yù)報(bào)器來(lái)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償。這種方法利 用概率算法提高了隨機(jī)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制性能，但由于隊(duì)列的存在，依然沒(méi)能解決網(wǎng) 絡(luò)時(shí)延不必要増長(zhǎng)的問(wèn)題，且僅僅考察了傳感器到控制器時(shí)延，而忽略了控制器 到執(zhí)行器時(shí)延的影響。另外，bauer 241等人分析了帶有隨機(jī)延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，提岀在離散情 況下使用smit h預(yù)佔(zhàn)器來(lái)消除由于網(wǎng)絡(luò)所引起的延遲。(4 )隨機(jī)時(shí)延優(yōu)化控制方法【2 5，2 6 1針對(duì)隊(duì)列方式、規(guī)劃方式存在的不足，隨機(jī)優(yōu)化控制方法提出了新的解決方6中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論案，將系統(tǒng)的隨機(jī)時(shí)延影響看作是lqgi'.題，以控制器和執(zhí)行器采用事 件驅(qū)動(dòng)、傳感器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的

35、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象。與隊(duì)列方式和比，該方法的控 制性能要好于基于定值預(yù)測(cè)的時(shí)延補(bǔ)償方法，基于lqg策略，與sm i t h預(yù) 估方法結(jié)合也可使系統(tǒng)性能指標(biāo)不受時(shí)延影響。但不足在于：需要占用大量的控制器記 憶單元來(lái)存儲(chǔ)大量的先前信息，而使得該方法對(duì)快速響應(yīng)系統(tǒng)并不十分有效。(5)模糊p i時(shí)延補(bǔ)償算法1 27 j現(xiàn)有的時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償手段主要采用傳統(tǒng)的控制理論，冃假定的理想化條件較多，如假設(shè)單包傳送、通訊無(wú)誤等，因此應(yīng)用于實(shí)際的控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)難 以獲得理想控制效果。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的隨機(jī)時(shí)變特性，模糊pi時(shí)延補(bǔ)償算法就 是將模糊邏輯補(bǔ)償算法引入到傳統(tǒng)的pi控制器設(shè)計(jì)屮，以消除閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

36、中由時(shí)延引起的控制性能卜降、系統(tǒng)不穩(wěn)定等不利影響。該算法充分利用了模糊控制理論規(guī)則少、應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，有效地削弱了 控制系統(tǒng)中由不確定性時(shí)延造成的脈動(dòng)與振蕩，在改善遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的動(dòng)、 靜態(tài)性能方面表現(xiàn)出了較傳統(tǒng)pi控制更強(qiáng)的功能特性。13. 2數(shù)據(jù)包丟失在網(wǎng)絡(luò)中由于不可避免地存在網(wǎng)絡(luò)阻塞和連接中斷，這必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失問(wèn)題的產(chǎn)生。雖然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都具有重新傳輸?shù)臋C(jī)制，但它們也只能在一個(gè)有 限的時(shí)間內(nèi)傳輸，當(dāng)超出這個(gè)時(shí)間后，數(shù)據(jù)也會(huì)丟失。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)控制系 統(tǒng)基本上都是同步和定時(shí)的系統(tǒng)，它可以對(duì)系統(tǒng)中參數(shù)或者未建模動(dòng)態(tài)具有較強(qiáng) 的魯棒性，但可能完全不能容忍數(shù)據(jù)

37、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變(網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包丟 失可以看成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變)。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠承受一定量 的數(shù)據(jù)包丟失，但是必須確定一個(gè)可以接受的丟失量來(lái)確保其穩(wěn)定性。1=1前，對(duì)于數(shù)據(jù)包丟失問(wèn)題已有的研究有：z h a n gw 2 8用具有速率約 束的異步動(dòng)態(tài)系統(tǒng)方法建立了具有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，并給出了此種情況 卜使系統(tǒng)穩(wěn)定的保寸條件；n i 1 s son 20】把網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包 丟失處理為具有兩個(gè)狀態(tài)的馬爾可夫(ma r k o v )鏈，并分析與設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)l q控制器；q i a n g “四川 j等假定數(shù)據(jù)包丟失過(guò)程服從獨(dú)立分布，采用功率譜密度法分析了包丟

38、失率對(duì)單輸 入單輸出控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的彫響，并給出了維持一定動(dòng)態(tài)特性的數(shù)據(jù)丟失率的 上界。魏道穩(wěn)【31】研究了數(shù)據(jù)包丟失與控制調(diào)度的協(xié)同設(shè)計(jì)。1 3 . 3通信約束由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的有限和噪聲信號(hào)的干擾限制了通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸能力，而 導(dǎo)致了帶通信約束的控制問(wèn)題。它涉及到研究如何在保證系統(tǒng)穩(wěn)定或一些其它性 7中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論能的情況下得到系統(tǒng)的傳輸速率上界，以及如何在通信有限的情況下進(jìn)行狀態(tài)估 計(jì)、控制器設(shè)計(jì)等等。h前，主要將此類(lèi)問(wèn)題分為三類(lèi)：位速率約束、信息速率 約束和通信信道約束，具國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀如下：(1 )位速率約束它是指物理網(wǎng)絡(luò)屮有比特率約束的問(wèn)題。wong和brocket

39、t 32 研究了有帶寬約束的控制系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，給岀了網(wǎng)絡(luò)屮信息遞歸編碼和解碼的機(jī)制。tati k o n d a t剜在經(jīng)典的l qg最優(yōu)控制框架里研究了帶位速率約束的 控制問(wèn)題。在對(duì)象輸出和控制黠輸入之間假設(shè)了噪聲模擬反饋鏈路，并給出了模型的編碼器和 解碼器，得出了當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的比特率小于某個(gè)閾值時(shí)系統(tǒng)無(wú)法鎮(zhèn)定的結(jié)論。p h a t 3 4 等研究了帶位速率約束的線性不確泄離散控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性問(wèn)題。(2)信息速率約束它是從信息包傳送的級(jí)別上來(lái)考慮通信約束問(wèn)題，是在假定網(wǎng)絡(luò)無(wú)限精確以 及忽略由有限字長(zhǎng)導(dǎo)致的量化誤差前提f提出的。walsh掣3 5】在信息率 約束的條件下，研究了連續(xù)的時(shí)不

40、變系統(tǒng)，提出了一種新的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議tod(try on c e d i s c a r d )概念。z h a ngw 2 8在信息率約束的條件下，研究了傳輸周期為時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，推導(dǎo)了能保證系統(tǒng)穩(wěn)定的傳輸周期的充分條 件，并使用窮舉法來(lái)確定傳輸周期上界的數(shù)值。(3)通信信道約朿對(duì)于一個(gè)多輸入多輸出的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由丁系統(tǒng)資源的有限，在同一 時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)可能只能傳送該系統(tǒng)的部分輸入輸出信號(hào)，即只能有部分的傳感器信號(hào) 或控制器輸岀信號(hào)能夠用于控制系統(tǒng)的分析與綜合。由此產(chǎn)生的通信信道約束問(wèn) 題是從介質(zhì)訪問(wèn)的級(jí)別來(lái)考慮通信約束問(wèn)題的，也稱(chēng)為通信信道受限問(wèn)題。u r i s t u 3 6

41、】給岀了通信信道受限情況下保證通信序列穩(wěn)定的充分條件。 宗群37】八等對(duì)此類(lèi)受限控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并給出控制器的設(shè)計(jì)方法。宋洪波和俞立【38】等對(duì)具有通信信道約束的線性時(shí)不變系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究。 上述文獻(xiàn)側(cè)重于穩(wěn)定性分析，且沒(méi)有考慮噪聲信號(hào)的影響。rehbinder39研究了此類(lèi)受限系統(tǒng)的最優(yōu)離線調(diào)度方法。但是， 其僅僅只考八慮了;彖輸入端存在約束的情況。z h a n g l 4 0針對(duì)有通信信道受限的 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，給出了控制和調(diào)度協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。并在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)4 1 1提出了用 切換系統(tǒng)中的凸組合方法來(lái)解決控制器和動(dòng)態(tài)調(diào)度算法的聯(lián)合設(shè)計(jì)問(wèn)題。以上研究側(cè) 重于調(diào)度與控制方法的設(shè)計(jì)，尚未討論通信受限問(wèn)題對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。13 . 4網(wǎng)絡(luò)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)屮的調(diào)度可分為基于共享c p u資源的控制任務(wù)可搶優(yōu)的實(shí)時(shí)屮南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論任務(wù)調(diào)度和基于共享傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸不可