網絡控制系統分析、建模與穩定性.pdf

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

2、控制系統后，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生，不可避免地產生了網絡誘導延時。這些受網絡通信協議、網絡節點驅動方式、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性能，甚至導致系統失穩，給網絡控制系統的分析和設計帶來很大困難。雖然對于延時系統的分析、建模與穩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中。具體而言，就是要在網絡控制系統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，要使網絡控制系統能夠穩定運行并且具有良好的動態性能，就必須建立網絡控制系統的數學模型，同時發展與網絡控制系統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、統分析、建模以及穩定性的影響，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，繼續對網絡控制系統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自身特點的理論和方法。
　　 第三，研究了網絡控制系統中的網絡誘導延時問題，這是網絡控制系統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、對于系統穩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，并給出了網絡協議、節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的穩定性進行了分析和設計。
　　 第四，研究了網絡控制系統的建模問題。首先給出了單輸入單輸出網絡控制系統連續數學模型，在此基礎上，建立了帶有系統噪聲和觀測噪聲的多傳感器多執行器網絡控制系統連續數學模型，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的任意有界延時的多輸入多輸出閉環網絡控制系統離散數學模型；建立了網絡控制系統在

7、四種不同節點驅動方式下的開環離散數學模型和統一離散數學模型，模型拓展了原有延時小于一個采樣周期的假設條件，并考慮了系統噪聲和觀測噪聲以及控制器的動態特性；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離散時間模型。
　　 第五，提出了利用區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進行建模和穩定性研究。

8、該方法把原始時變的閉環系統模型穩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建模和穩定性問題，主要從理論上推導出了使系統漸近穩定的條件，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綜合被控對象離散數學模型和閉環系統離散數學模型。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連續數學模型。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漸近穩定條件：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漸進穩定條件。
　　 最后，通過在節點的發送端或接收端設置隊列型緩沖區的辦法將隨機延時確定化，并針對狀態不可測的系統設計了三種延時狀態觀測器，從理論上證明了只要原系統可觀，則觀測誤差漸近