網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析、建模與穩(wěn)定性.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Networked Control Systems, NCS）是指在某個區(qū)域現(xiàn)場傳感器、控制器以及執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)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)的用戶實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作，是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時反饋系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)因其具有高診斷能力、安裝與維護(hù)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(diǎn)，正成為控制領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)，也是未來工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的新方向。但是將網(wǎng)絡(luò)引入

2、控制系統(tǒng)后，由于帶寬有限、信道分時復(fù)用、數(shù)據(jù)傳輸路徑不確定等因素的存在會導(dǎo)致信息傳輸中的等待、阻塞、時序錯亂及丟包等現(xiàn)象的發(fā)生，不可避免地產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時。這些受網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動方式、數(shù)據(jù)采樣技術(shù)等因素影響的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)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(jīng)取得了很大進(jìn)展，

3、但是由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和復(fù)雜性，已有的控制理論與方法必須要重新分析和設(shè)計(jì)才能應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。具體而言，就是要在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的過程中要考慮控制與通信耦合的情形。因此，要使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行并且具有良好的動態(tài)性能，就必須建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，同時發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相適應(yīng)的分析和設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用價值。
　　 本文的主要目的是研究網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時對網(wǎng)絡(luò)控制系

4、統(tǒng)分析、建模以及穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)一步探索有效的解決方法，對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)，另一方面，對于今后網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究工作有所借鑒。
　　 其次，較為詳細(xì)地分析了網(wǎng)絡(luò)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(shè)定了

5、目標(biāo)，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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行理論和實(shí)際應(yīng)用研究，進(jìn)而形成一套完整的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自身特點(diǎn)的理論和方法。
　　 第三，研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時問題，這是網(wǎng)絡(luò)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(biāo)的影響、網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和影響延時的因素等，并給出了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)驅(qū)動方式和采樣周期的選擇標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對具有定常延時且

6、延時小于一個采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。
　　 第四，研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模問題。首先給出了單輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連續(xù)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連續(xù)數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)包丟失情況下的離散數(shù)學(xué)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)離散數(shù)學(xué)模型；建立了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在

7、四種不同節(jié)點(diǎn)驅(qū)動方式下的開環(huán)離散數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)一離散數(shù)學(xué)模型，模型拓展了原有延時小于一個采樣周期的假設(shè)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(jī)時變網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時分解成恒定延時（采樣周期的整數(shù)倍）和隨機(jī)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(jié)構(gòu)不確定性的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)離散時間模型。
　　 第五，提出了利用區(qū)間代數(shù)理論來對具有時變采樣周期和時變延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)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(jié)論雖然有些保守，但其分析簡單方便。
　　 第六，研究了具有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模和穩(wěn)定性問題，主要從理論上推導(dǎo)出了使系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的條件，所得結(jié)論還有待于在工程實(shí)踐中加以檢驗(yàn)。首先，在給出了單包傳輸有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)離散數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了多包傳輸有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合被控對象離散數(shù)學(xué)模型和閉環(huán)系統(tǒng)離散數(shù)學(xué)模型。接著，考慮網(wǎng)絡(luò)

9、誘導(dǎo)延時與數(shù)據(jù)包丟失同時存在的情況，分別建立了單包傳輸和多包傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連續(xù)數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)信息單包傳輸時設(shè)計(jì)了延時無界和延時有界情況下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)漸近穩(wěn)定條件：在多包傳輸時設(shè)計(jì)了延時變化率在小于1和小于0情況下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定條件。
　　 最后，通過在節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端或接收端設(shè)置隊(duì)列型緩沖區(qū)的辦法將隨機(jī)延時確定化，并針對狀態(tài)不可測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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