網絡控制系統(tǒng)分析、建模與穩(wěn)定性.pdf

1、網絡控制系統(tǒng)（Networked Control Systems, NCS）是指在某個區(qū)域現場傳感器、控制器以及執(zhí)行器和通信網絡的集合，用以提供設備之間的數據傳輸，使該區(qū)域內不同地點的用戶實現資源共享和協(xié)調操作，是一種全分布式、網絡化的實時反饋系統(tǒng)。網絡控制系統(tǒng)因其具有高診斷能力、安裝與維護簡便、能有效地減少系統(tǒng)的重量和體積、增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性等諸多優(yōu)點，正成為控制領域研究的新熱點，也是未來工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的新方向。但是將網絡引入

2、控制系統(tǒng)后，由于帶寬有限、信道分時復用、數據傳輸路徑不確定等因素的存在會導致信息傳輸中的等待、阻塞、時序錯亂及丟包等現象的發(fā)生，不可避免地產生了網絡誘導延時。這些受網絡通信協(xié)議、網絡節(jié)點驅動方式、數據采樣技術等因素影響的網絡誘導延時，無論是固定的還是時變的，也無論是有界的還是無界的，都會不同程度地影響控制系統(tǒng)性能，甚至導致系統(tǒng)失穩(wěn)，給網絡控制系統(tǒng)的分析和設計帶來很大困難。雖然對于延時系統(tǒng)的分析、建模與穩(wěn)定性研究近年來已經取得了很大進展，

3、但是由于網絡控制系統(tǒng)自身的特點和復雜性，已有的控制理論與方法必須要重新分析和設計才能應用于網絡控制系統(tǒng)中。具體而言，就是要在網絡控制系統(tǒng)的分析和設計的過程中要考慮控制與通信耦合的情形。因此，要使網絡控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行并且具有良好的動態(tài)性能，就必須建立網絡控制系統(tǒng)的數學模型，同時發(fā)展與網絡控制系統(tǒng)相適應的分析和設計方法，所以本課題的研究具有積極重要的理論研究意義和實際應用價值。
　　 本文的主要目的是研究網絡誘導延時對網絡控制系

4、統(tǒng)分析、建模以及穩(wěn)定性的影響，并進一步探索有效的解決方法，對于網絡控制系統(tǒng)的理論研究和實際應用提供了有意借鑒。具體研究成果如下：
　　 首先，分析了近年來網絡控制系統(tǒng)研究中的一些典型研究方法。一方面，這些研究方法中的某些方法已在本論文的研究過程中有所體現，另一方面，對于今后網絡控制系統(tǒng)的研究工作有所借鑒。
　　 其次，較為詳細地分析了網絡控制系統(tǒng)研究中的基本問題，從中挖掘出本文所感興趣的研究方向，也為以后的研究工作設定了

5、目標，同時也希望這些基本研究問題能夠引起更多同行的重視，繼續(xù)對網絡控制系統(tǒng)進行理論和實際應用研究，進而形成一套完整的適用于網絡控制系統(tǒng)自身特點的理論和方法。
　　 第三，研究了網絡控制系統(tǒng)中的網絡誘導延時問題，這是網絡控制系統(tǒng)研究中的一個基本而又非常重要的問題。具體分析了延時的組成、對于系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能指標的影響、網絡傳輸數據的特點和影響延時的因素等，并給出了網絡協(xié)議、節(jié)點驅動方式和采樣周期的選擇標準，在此基礎上對具有定常延時且

6、延時小于一個采樣周期的網絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析和設計。
　　 第四，研究了網絡控制系統(tǒng)的建模問題。首先給出了單輸入單輸出網絡控制系統(tǒng)連續(xù)數學模型，在此基礎上，建立了帶有系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲的多傳感器多執(zhí)行器網絡控制系統(tǒng)連續(xù)數學模型，得到一個存在多個延時的微分方程；建立了短延時、單包傳輸和多包傳輸且無數據包丟失情況下的離散數學模型；建立了基于增廣狀態(tài)的任意有界延時的多輸入多輸出閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)離散數學模型；建立了網絡控制系統(tǒng)在

7、四種不同節(jié)點驅動方式下的開環(huán)離散數學模型和統(tǒng)一離散數學模型，模型拓展了原有延時小于一個采樣周期的假設條件，并考慮了系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲以及控制器的動態(tài)特性；將大于一個采樣周期的隨機時變網絡誘導延時分解成恒定延時（采樣周期的整數倍）和隨機時變延時（小于一個采樣周期）兩部分來研究，從而建立了具有結構不確定性的網絡控制系統(tǒng)離散時間模型。
　　 第五，提出了利用區(qū)間代數理論來對具有時變采樣周期和時變延時的網絡控制系統(tǒng)進行建模和穩(wěn)定性研究。

8、該方法把原始時變的閉環(huán)系統(tǒng)模型穩(wěn)定性分析問題簡化為一個時不變矩陣來研究，得出的結論雖然有些保守，但其分析簡單方便。
　　 第六，研究了具有數據包丟失的網絡控制系統(tǒng)建模和穩(wěn)定性問題，主要從理論上推導出了使系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的條件，所得結論還有待于在工程實踐中加以檢驗。首先，在給出了單包傳輸有數據包丟失的網絡控制系統(tǒng)離散數學模型的基礎上，建立了多包傳輸有數據包丟失的網絡控制系統(tǒng)綜合被控對象離散數學模型和閉環(huán)系統(tǒng)離散數學模型。接著，考慮網絡

9、誘導延時與數據包丟失同時存在的情況，分別建立了單包傳輸和多包傳輸的網絡控制系統(tǒng)連續(xù)數學模型。在此基礎上，對網絡信息單包傳輸時設計了延時無界和延時有界情況下的網絡控制系統(tǒng)漸近穩(wěn)定條件：在多包傳輸時設計了延時變化率在小于1和小于0情況下的網絡控制系統(tǒng)漸進穩(wěn)定條件。
　　 最后，通過在節(jié)點的發(fā)送端或接收端設置隊列型緩沖區(qū)的辦法將隨機延時確定化，并針對狀態(tài)不可測的系統(tǒng)設計了三種延時狀態(tài)觀測器，從理論上證明了只要原系統(tǒng)可觀，則觀測誤差漸近