基于网络QoS的控制系统分析与综合
2012-4
科学出版社
李金娜，张庆灵，袁德成 著
119
本书系统地介绍作者和国内外学者在基于网络QoS的控制系统分析与综合方面的研究成果。全书共7章，内容涉及网络控制系统的国内外研究现状，控制理论、图论和区间系统的相关理沦知识，基于网络QoS的控制系统能控性与能观性分析，基于网络QoS的控制系统建模、分析与控制，以及基于网络QoS的控制系统分析与控制的图论方法。
本书主要读者对象为高等院校和科研院所从事网络控制系统研究的教师、科研人员、博士和硕士研究生等。本书同时可作为高等院校控制理论与控制工程、计算机应用技术、系统工程、机械工程与自动化、信息与计算科学、运筹学与控制论等相关专业的高年级本科生、硕士和博士研究生的专业参考书。
前言
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 网络控制系统的国内外研究现状
1.2.1 基于网络QoS的网络控制系统研究现状
1.2.2 输入受限
1.2.3 控制方法
1.2.4 能控性与能观性
1.2.5 多输人多输出
1.2.6 有限传输
1.2.7 变采样
1.2.8 量化问题
1.3 网络控制系统研究的重要问题
1.3.1 具有时延和数据包丢失的NCSs的分析与控制
1.3.2 具有时延和数据包丢失补偿的NCSs优化控制
1.3.3 具有错序的NCSs优化控制
1.3.4 NCSs的能控性与能观性
1.3.5 输入受限的NCSs控制与优化
1.3.6 非线性NCSs的稳定性分析与控制
1.3.7 多输人多输出NCSs
1.3.8 NCSs的有限传输
1.3.9 NCSs的仿真
1.4 本书主要研究成果
参考文献
第2章 预备知识
2.1 控制理论基本概念
2.2 图论基本概念及符号说明
2.3 区间系统基本概念及符号说明
2.4 引理
2.5 本章小结
参考文献
第3章 基于网络QoS的控制系统能控性与能观性分析
3.1 问题描述
3.2 基于网络QoS的控制系统能控性分析
3.3 基于网络QoS的控制系统能观性分析
3.4 算例仿真
3.5 本章小结
参考文献
第4章 具有时延和丢包的网络控制系统建模与控制
4.1 具有时延和数据包丢失的NCSs建模
4.1.1 问题描述
4.1.2 系统建模
4.1.3 算例仿真
4.2 具有饱和非线性约束的NCSs鲁棒H∞控制
4.2.1 问题描述
4.2.2 稳定性分析与控制器设计
4.2.3 算例仿真
4.3 本章小结
参考文献
第5章 具有丢包补偿的网络控制系统H∞控制
5.1 具有任意时延和丢包补偿的NCSsH∞控制
5.1.1 问题描述
5.1.2 H∞控制
5.1.3 算例仿真
5.2 具有丢包补偿和markov跳变参数的NCSsH∞控制
5.2.1 问题描述
5.2.2 H∞控制
5.2.3 算例仿真
5.3 本章小结
参考文献
第6章 具有数据包错序的网络控制系统H∞控制
6.1 具有错序和长时延的NCSs建模与镇定
6.1.1 问题描述
6.1.2 稳定性分析与控制器设计
6.1.3 算例仿真
6.2 具有错序的NCSsH∞控制
6.2.1 问题描述
6.2.2 H∞控制器设计
6.2.3 算例仿真
6.3 本章小结
参考文献
第7章 基于网络QoS的控制系统稳定性分析与控制：图论理论
7.1 基于网络QoS的非线性网络控制系统的图理论
7.1.1 问题描述
7.1.2 稳定性判据及控制器设计
7.1.3 算例仿真
7.2 基于网络QoS的控制系统区间稳定的图理论
7.2.1 问题描述
7.2.2 稳定性判据及控制器设计
7.2.3 算例仿真
7.3 基于网络QoS的一类网络控制系统区间稳定的图理论
7.3.1 问题描述
7.3.2 稳定性判据及控制器设计
7.3.3 算例仿真
7.4 本章小结
参考文献
附录 符号描述
第1 章 绪 论 1.1 引 言 网络控制系统（networked control systems ， NCSs）是通过一系列的通信信道构成一个或多个闭环实时反馈控制系统，同时具备信号处理、优化决策和控制操作的功能［1 ， 2］ 。进入21 世纪以来，随着控制、计算机和通信技术的飞速发展，特别是网络中数据传输能力和负载能力的飞速提高及网络共享资源的不断丰富，网络控制系统迎合了工业、医疗和交通等领域实现低成本、节能、高效和智能化发展的迫切需要，被迅速应用到上述领域［ 1 ］ 。鉴于网络QoS 不可避免会对控制系统性能造成影响，为保证可靠、实时的网络通信，降低能耗，获得较高的控制性能指标，有必要采用先进的控制理论方法，研究基于网络QoS 的控制系统分析与综合。 早在Walsh［3 ］ 的论著中就已经出现了NCSs 的图示，随后Murray 和Astrom等［4］ 提出了NCSs 的概念。我国NCSs 的研究开始于21 世纪初现场总线控制系统的应用［5］ 。网络控制系统以其良好的性能优点，被迅速应用到复杂的工业控制域，如直流电（direct current ，DC）控制系统、远程医疗、远程教学、机器人遥控操作、装备制造业、智能交通系统和虚拟制造等领域［6］ 。近年来，P roceedings o f theIEEE［7］ 、I EEE T ransactions on A utomatic Control［8］ 和.信息与控制.［ 9］ 等国内外各大杂志相继出版了网络控制系统专刊。.信息与控制.专刊系统、全面地刊登了国内网络控制系统研究的新成果，内容涵盖模糊卡尔曼滤波、网络调度、PID 控制、广义预测控制、多包传输和性能优化等。科学出版社于2007 年出版了普通高等教育“十一五”国家级规划教材.网络控制系统.［5］ 以及.网络控制系统的分析与综合.［1］ 专著。东北大学张庆灵教授编著的.网络控制系统.一书，系统地介绍了NCSs 的发展历程、系统组成、结构特点、稳定性分析、控制器设计以及性能优化等问题。国内外重要的学术杂志（如A utomatica 、I EEE T ransaction on A utomaticControl 、International Journal o f Control 、自动化学报、控制理论与应用等）和会议（如The International Federation of Automatic Control 、IEEE World Congresson Intelligent Control and Automation 等）报告了大量网络控制方面的研究成果。Tipsuwan 和Chow［10］ 于2003 年总结了NCSs 的控制方法。Yang［1 1］ 于2006 年对文献［10］给予了更新和补充，给出网络控制系统的一般框架，同时评论了NCSs 对大系统以及其他领域的影响。文献［6］的内容是关于网络诱导时延、数据包丢失、采样和系统构造等问题，就NCSs 的估计、分析、控制综合等方面，总结最新研究成果。总之，网络控制系统的研究已经成为国内外控制界研究的热点。 与正常系统 x・ ＝ f（ x ，u ，t） y ＝ g（ x ，u ，t）（1.1） 相比，NCSs 中增加了网络诱导时延、数据包丢失、数据包错序、抖动和网络拥塞等不确定因素，这使得系统的分析与控制较正常系统复杂，由此增加了研究的困难。关于正常系统的一些结果已经不适用于NCSs ，需要重新研究NCSs 的分析与控制，保证并提高网络QoS ，优化系统性能。在研究NCSs 的初始阶段，一般分开考虑网络诱导时延和数据包丢失。往往假定网络诱导时延变化率很小或为常时延［12 ，13 ］ 。然而，NCSs 的实际应用中网络诱导时延常常是时变的、不确定的［ 2］ ，很多学者开始研究具有时变或不确定网络诱导时延的NCSs 的分析与控制。由假定网络诱导时延为时变短时延（网络诱导时延小于一个采样周期）［2 ，14～17］ 发展到任意时延（网络诱导时延大于等于或小于一个采样周期）［18～20］ 。Zhang［2］ 开始用开关表示数据包丢失与否，将具有数据包丢失的网络控制系统建模为异步动态系统（asynchronous dynamic systems ，ADS） ，给出系统指数稳定的条件，讨论系统的衰减率。随后，掀起了关于同时考虑网络诱导时延和数据包丢失、以及对时延和数据包丢失补偿的网络控制系统分析与控制的研究的高潮［21～24］ 。这些理论成果为后继的研究奠定了理论基础，使网络控制系统理论初现轮廓。网络控制系统的研究日益细化，很多文献假定网络诱导时延、数据包丢失服从Markov 链或某种概率分布，基于随机理论设计控制器［25～30］ 。近年来，网络控制系统研究呈现多元化、复杂化、实际化发展趋势，更多学者开始研究网络QoS 、量化、有限传输、变采样周期等问题。 目前，关于网络控制系统的研究日益深入，研究对象包括连续系统［2 ，15～1 7］ 、离散系统［31～34］ 和混杂动态系统［2 ，18～22 ，35］ 等，但对于非线性系统、区间系统的研究还鲜见报道；研究内容包括系统建模［3 6～39］ 、稳定性分析［40～42］ 、保性能控制［43～45］ 、H ∞控制［19 ，20 ，27］ 和故障诊断［23 ，46～49］ 等，但具有错序的网络控制系统建模以及性能优化的研究还不成熟；研究方法包括确定性控制、随机控制、智能控制和切换系统控制等，上述方法一般应用Lyapunov 函数，得到保证系统稳定或具有一定性能指标的线性矩阵不等式（linear matrix inequalities ，LMIs） 条件，而应用图论方法设计NCSs 控制器的文献还未见报道。NCSs 的研究一般包括两类，一类是基于网络环境的系统分析与控制；另一类是系统对网络的控制［10］ 。本书研究的是前者。由于网络作为控制系统的传输媒介，一些非理想因素，如网络诱导时延、数据包丢失、数据包错序等现象不可避免，这使得控制系统的分析、设计变得非常复杂。那么在网络存在非理想因素的环境下，网络控制系统的研究重点为：一是在现存网络环境下，设计合理的控制器保持系统稳定并且具有较好的性能指标；二是设计补偿控制器，降低网络时延、丢包、错序等因素对系统性能的影响，不仅镇定系统而且使系统具有较好的性能指标。本书正是在上述思想的指导下，研究NCSs 的控制与优化的，因此具有一定的理论和实际意义。 1.2 网络控制系统的国内外研究现状 目前，国内外学者对具有网络诱导时延、数据包丢失、数据包丢失补偿、数据包错序、控制输入受限的网络控制系统，以及非线性网络控制系统的研究已取得了一系列的成果。下面具体介绍。 1.2.1 基于网络QoS 的网络控制系统研究现状 1. 网络诱导时延和数据包丢失 1） 网络诱导时延 多种信息源共享网络资源，而网络的传输能力和通信带宽有限，信息的冲撞、重传等现象不可避免，这使得网络诱导时延和数据包丢失必然存在。如图1.1 所示，网络诱导时延包括传感器唱控制器时延τksc 、控制器唱执行器时延τkca 以及控制器执行运算产生的时延τkc 。一般情况下，τkc 远小于τksc 和τkca ，所以经常并入τksc 和τkca中［5］ 。网络诱导时延与网络的传输协议相关，可能是固定的，也可能是时变的，甚至是任意的［2］ ；可能是短时延，也可能是长时延。针对网络中存在时延的情况，对系统进行分析与控制，一般需要对传感器、控制器以及执行器的驱动方式做假定。文献［50］ 、［51］考虑传感器和控制器均为时钟驱动，执行器为事件驱动；文献［52］ 、［53］建立了节点对象全为时钟驱动的长时延NCSs 闭环模型；文献［54］中假定传感器为时钟驱动，控制器和执行器均为事件驱动，建立了连续+ 离散的NCSs闭环模型。文献［25］～［27］提出时间、事件驱动方式。长时延的NCSs 中执行器最好为事件驱动，控制器最好为事件驱动，以便被控对象能够获得更多的控制信息，系统具有良好的性能指标。下面介绍几种处理网络诱导时延的方法。 （1） 固定时延方法 在实际控制系统中，网络诱导时延通常是时变的、不确定的。在现存的文献中，将时变时延转化为固定时延是处理网络诱导时延的一种方法［24 ，55～57］ ，即通过设置缓冲区的方法，将不确定时延转化为固定时延。该方法容易系统建模与分析，但是这种做法可能使网络诱导时延加大，从而降低NCSs 的性能，增加结果的保守性。 （2） 随机方法 针对时变或不确定网络诱导时延，Nilsson 等［ 58］ 采用随机控制方法，即假定网络诱导时延服从某种概率分布，将NCSs 建为随机系统模型，进行分析与控制。针对状态信息完全能观和部分能观两种情况，文献［28］给出网络诱导时延长于一个采样周期的优化控制器设计方案。但是，文献［28］ 、［58］没有讨论控制输入变化时刻的概率分布，很难推导优化控制律。Ma 和Fang［25］ 讨论了网络诱导时延的Markov 特征，设计优化控制器。文献［59］引入区间划分的伯努利分布序列，基于随机理论，研究了NCSs 的均方稳定性。 （3） 鲁棒方法 目前很多文献采用鲁棒方法处理网络诱导时延问题。根据矩阵理论，文献［14］针对网络诱导时延小于一个采样周期的情况，将NCSs 建模成参数不确定时滞系统，进而研究了系统的稳定性。文献［60］考虑时延的影响，通过等效变换将时延和采样周期的不确定性转化为系统参数的不确定性，从而将NCSs 建模为一类具有参数不确定性的离散时滞系统，并给出系统D唱稳定的控制器设计方法，实现NCSs 的控制与调度协同设计。分解网络诱导时延为固定和时变两个部分［31 ，61 ，62］ ，或假定网络诱导时延属于某个区间［34］ ，建模NCSs 为参数不确定系统。 很明显，由于网络诱导时延受限，文献［31］ 、［34］ 、［61］ 、［62］的方法存在一定的保守性。 （4） 时滞方式 研究具有任意网络诱导时延的NCSs ，文献［18］～［20］ 、［35］考虑连续系统和离散控制器，将NCSs 建成连续+ 离散系统模型，基于先进的时滞理论研究系统的稳定性和H ∞ 控制问题。 （5） 时延切换方法 假定网络诱导时延属于某个区间，将区间等划分，把NCSs 建成切换系统［63 ，64 ］ ，进而研究系统的稳定性和性能指标。但此种方法随着划分区间的增多，计算复杂性会增大。 最大允许网络诱导时延界（ MADB） ，即保证系统稳定的信号从传感器采样时刻至执行器将信号输出到被控对象时刻的最大时间间隔［17 ，65］ 。文献［2］ 、［17］ 、［65］给出短时延的NCSs 的最大MADB 计算方法；文献［27］ 、［54］研究了具有多步时滞的NCSs 的MADB 问题。 2） 数据包丢失 NCSs 中数据包的丢失可能有以下几种情况［ 5］ ：在网络传输过程中由于存在数据传输冲突和节点失败，导致数据包丢失；大多数网络具有重新传输的机制，但因为有时间限制，若超过限定的时间，数据包仍然会丢失；数据包在发送过程中发生错误，则被控制器节点丢弃；传感器节点竞争数据发送权时，超过了协议允许的重发次数（时间）或者采样周期，传感器节点放弃本次发送。近年来，对于NCSs 数据包丢失的研究已有一些成果。处理NCSs 中数据包丢失的问题，一般采用ADS方法和Markov 跳变系统方法。文献［2］在考虑状态反馈以及网络仅存在于传感器和控制器之间的情况下，将有数据包丢失的NCSs 建模为异步动态系统，研究了系统指数稳定的最大数据包丢失率和系统开环状态及闭环结构的关系，但没有考虑网络诱导时延。文献［66］考虑传感器唱控制器、控制器唱执行器之间均存在网络的情况，将有数据包丢失的NCSs 建模为有事件率约束的异步动态系统，研究了由系统结构事件率约束的指数稳定性，并结合线性矩阵不等式和遗传算法，提出系统二次稳定的方案。文献［67］分析了具有数据包丢失的NCSs 稳定性。Ishii［6 8］考虑传输渠道具有任意数据包丢失的情况，研究保证系统稳定的最大丢包率。文献［29］ 、［69］将具有数据包丢失的NCSs 建成Markov 跳变系统，给出系统稳定的充分条件。文献［70］考虑数据包丢失，把NCSs 建模为两个事件的异步动态系统。 然而，上述文献中，网络诱导时延和数据包丢失是分离的。在实际的NCSs 中，网络诱导时延和数据包丢失常常是共同存在的。文献［65］ 、［71］同时考虑网络诱导时延和数据包丢失问题，提出新的NCSs 模型，目的是设计控制器。 2. 网络诱导时延和丢包补偿 网络传输中时延和数据包的丢失对系统的性能产生重大影响，会降低系统性能指标。为解决这一问题，在现有文献中一般采用估计和预测方法。 （1） 状态观测器估计方法 文献［72］设计了一种可以对随机时延进行补偿的状态观测器，该状态观测器可以实现对噪声的滤波处理，研究了闭环系统的稳定性。文献［73］在执行器接收端设置寄存器，以整数倍的传感器采样速率读取采样信号，并计算控制量，从而使采样信号得到最优利用，进而在一定程度上减小了网络诱导时延。文献［74］针对任意网络诱导时延，提出补偿方案，给出系统稳定的条件。文献［75］为数据包丢失提出补偿方案，根据是否丢包设计开环估计和闭环估计，并且分析了稳定性。文献［76］通过运用被控系统的近似模型，提出对网络诱导时延和数据包丢失的联合估计和补偿方法，进而分析了这一系统的指数稳定性。然而，文献［76］假定网络诱导时延小于一个采样周期。其他参见文献［77］ 、［78］ 。 （2） 预测器方法 文献［79］提出提前p 步预测方法，允许系统有连续p-1 个数据包丢失。文献［80］提出基于预测控制器和时延补偿器的控制方法，对系统进行分析与控制。随后，文献［81］提出切换预测系统，基于随机理论分析系统的稳定性。文献［82］引入基于网络的预测模型控制策略，将时延序列包封包同时传输给被控对象。文献［83］提出事件驱动方式的NCSs 预测模型，根据系统输出设计预测方案，改进文献［82］中的方法。文献［84］给出具有任意有界时延的NCSs 预测控制方法，进而给出稳定性判据。文献［85］采用多信道传输方式，弥补网络诱导时延和数据包丢失对系统性能的影响，并给出H ∞ 控制器设计方案。 3. 数据包错序 数据传输错序已经是现代工业、商业网络化应用中的一个普遍现象。数据包错序对端对端的用户性能有着严重的影响，导致用户终端和网络无效资源的利用［86］ 。文献［87］给出基于网络辨识的自适应控制系统，针对实际工业模型仿真，表明辨识器端的错序会导致无错序情况下设计的控制器失效，控制输出不收敛。因此，有必要研究网络控制系统中的错序问题。目前，对网络传输中错序问题的研究刚刚起步。在文献［87］中，控制单元与整定单元地理上分离，控制系统的整定回路是通过网络（或总线）闭环，为解决错序问题，通过设置缓存将时延放大到最大时延以便消除错序。但是，此方法具有很大的保守性，并且未考虑传感器唱控制器、控制器唱执行器的时延。在文献［88］中，引入数据包的有效到达时刻和等效到达时刻的概念，通过对数据包的实际到达时刻等效化处理，建立数据包错序情况下的NCSs 模型。然而，没有在建立模型的基础上进一步研究系统稳定性和控制器设计方案。文献［62］ 、［65］ 、［89］在传感器端设置时间戳，执行器接收端根据时间戳抛弃错序包，以便使系统获得最新数据信息。文献［65］ 、［89］又给出丢包的补偿方案，进一步研究了系统的H ∞ 控制问题。但是，文献［62］ 、［65］ 、［89］并未对网络中存在数据包错序现象给予明确描述，并且文献［62］假定网络诱导时延由固定和时变两个部分组成，每个采样周期最多两个控制输入作用被控对象。显然，此方法存在一定的保守性。文献［54］ 、［90］综合考虑了网络传输过程中的网络诱导时延，有无数据包丢失和错序等问题，研究时延与采样周期的选择、丢包率等控制与调度协作问题。
