2022年网络控制系统的概述 .pdf

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1、先进控制网络在普适计算时代的机遇和挑战姓名：万金朋学号： 20091302111 专业：交通信息工程及控制学院：自动化学院网络控制系统的概述名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 万金朋(重庆大学自动化学院重庆 400044) 摘 要: 在网络控制系统中 , 由于网络的通讯带宽的限制、信息(包括传感器信号 , 控制器信号 , 等等) 的碰撞等诸多原因 , 不可避免地会使信息在传输过程中存在时延, 称之为网络诱导时延。网络

2、诱导时延是导致控制系统的性能降低, 甚至使得系统不稳定的主要因素。由复杂大系统控制和远程控制系统对网络化控制的客观需求, 从网络控制系统的特点和要求出发, 介绍了网络控制系统的设计及分析方法, 同时阐述了网络控制系统中存在的主要问题, 即延迟和数据包丢失同时存在, 使读者了解目前网络控制系统研究的现状, 为更进一步的研究探索提供参考。关键词 : 网络控制系统 ; 延迟；数据包中图分类号 : TP 393 文献标识码 : A 1 引言通信与控制系统 ICCS ( Integrated Communication and Control Systems) , 又称网络控制系统 NCS (Netwo

3、rked Control Systems) 是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统 , 是指某个区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合, 用以提供设备之间的数据传输, 使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。 网络控制系统中各控制单元通过网络交换信息, 以分时复用的方式共享网络资源. 对于空间分布广、 复杂程度高的 NCS , 网络带宽的限制以及信息调度算法的不当会造成数据包在传输过程中发生时延、 丢失和乱序 , 不仅降低了信息传输的实时性和可靠性, 而且恶化了 NCS 的控制性能 . NCS 中的信息调度策略通过在网络用户层或者网络传输层的上层分配网络各节点的发送的优先级、发

4、送时刻以及时间间隔 , 减少数据传输冲突的发生 , 提高数据的实时性和可靠性. 现代社会 , 网络无处不在 , 它充满了社会的各个领域, 如管理决策、资源共享、自动化制造工厂、电厂、机器人、高级的航天航空器和电气化运输工具等许多高科技领域和大型企业。NCS 的概念自从 20 世纪90 年代初被提出 , 就立刻引起了人们的关注, 同时对传统的控制系统理论和应用提出了新的挑战。本文从网络控制系统的特点和要求出发 , 介绍了网络控制系统的设计及分析方法, 并针对网络控制系统中存在的主要问题 , 即延迟和数据包丢失同时存在, 总结了几种较为常用的模型及分析方法。2网络控制系统的特点名师资料总结 - -

5、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 一个典型的网络控制系统的结构框图如下图1所示：控制器执行器被控对象U(k)网络Y(t)Y(k)图1 典型网路控制的结构框图而一个常用的网络控制系统(有延迟时 ) 的结构如图 2 所示：控制器延迟执行器被控对象传感器延迟YR=0_图2 网络控制系统结构NCS 较集中控制系统和分散控制系统在结构上更加网络化, 并且系统中的节点之间数据及信息的传输是通过网络来完成的。每个节点都是一个独立的单元, 具有独立的

6、分析及计算功能, 这样使网络控制系统在结构上显得较为稳定。网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场设备上执行, 使网络控制系统的功能分散化 , 控制更加现场化 , 从而提高了系统的可靠性和安全性。网络控制系统由于网络的介入 , 不可避免地带来与其他控制系统不同的问题。首先, 由于传感器, 控制器和执行器之间是由网络来连接的, 加之各个节点的触发方式的不同, 所以在各个部分之间的信息传输是有延时的, 而且这种延时呈现出有界或无界, 固定或随机的的特性。其次 , 在传输的过程中信息不可避免地会发生丢失, 重传或冲突的现象 , 这样必然会导致信息的多通道传输。这些问题的存在, 势必会影

7、响整个网络控制系统的性能 , 同时也给网络控制系统的研究指明了方向。3 网络控制系统的基本研究方法由于数据在网络中的传输时间的不确定性, 以及数据出错和丢失等现象, 研究网络控制系统时必须考虑网络控制的独有特性。目前针对NCS 中时延的特性 , 网络控制的研究方向主要有网络体系的构架和控制器设计两大方面。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 1) 基本设计方法：固定性或有界性延迟控制设计方法由于数据在网络传输过程中延迟

8、的时变性和数据到达的随机性 , 所以网络控制系统是具有随机传输延迟的闭环控制系统, 若按最大传输延迟来设计控制器, 会引起所得闭环控制系统不稳定, 同时给研究也带来一定的难度。因此, 采用确定性方法设计闭环网络控制系统, 首先要将随机的时变延迟转化为固定延迟, 然后针对转化后的固定延迟设计网络控制器, 这样就可以用已有的确定性系统的设计方法和分析方法去研究闭环网络控制系统。随机性延迟控制设计方法由于随机性延迟的复杂性 , 所以研究方法也随之多样化。 常用的方法有从随即控制和动态规划的角度对系统进行设计, 或基于最小方差滤波器和最优控制原理方法等。2) 基于网络控制系统稳定性的研究较常用的处理方

9、法Lyapunov 函数方法是对于连续或离散或者是混合的网络控制系统, 通过选择适当的李雅普诺夫函数 , 来解决系统的稳定性问题。 这种方法是目前最为普遍应用的方法。D-Partition 方法这种方法是通过把网络控制系统的参数平面进行划分, 从而得到系统的稳定性区域的方法。4 网络控制系统中的反馈控制问题网络控制系统是通过网络来实现反馈以构成闭环控制系统的。网络控制系统中引入的干扰可分成两部分。 一部分是由被控对象引入的。 另一部分是由网络引入的。我们假设主要体现在网络延迟、多包传输及丢包等方面。在以上的假设下，网络控制系统是一个带有延迟且引入干扰的采样控制系统。反馈闭环控制系统的性能主要取

10、决于被控对象的特性和传输网络的特性两个方面。在构造反馈闭环控制系统的过程中，对被控对象的特性的研究是线性系统的主要内容，已得到充分的研究，而对网络特性应用的研究虽已取得了一些结果，但仍有许多内容需要研究。例如，网络控制系统的鲁棒性，网络控制系统的实时调度等。为了更加深入的讨论网络传输特性对闭环系统的影响，将网络控制系统分为静态状态反馈和动态输出反馈两种类型，对每一种类型分别针对单包传输、多包传输、单包传输有丢包、多包传输有丢包四种情况来讨论。为方便起见，对网络的延迟，也分为两种情况来讨论。一种简单的情况是延迟小于等于采样周期，而另一种是名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

11、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 延迟超过采样周期的情况。网络控制系统的模型分为连续时间模型，离散时间模型及混合系统模型三种，按实际情况来说，在网络控制系统中，被控对象是连续时间的，而控制器及反馈控制回路是离散时间的，整个闭环控制系统是一个混合控制系统，为了简化问题的处理，我们采用等价的离散采样系统模型，这种模型简化了系统的分析与设计，同时便于利用矩阵不等式的方法以现有的MATLAB 软件进行分析和设计，便于就每一个具体问题给出定量数据结果。5 结语本文从网络控制系统的特

12、点和要求出发, 介绍了网络控制系统的设计及分析方法，并针对网络控制系统中存在的主要问题, 即: 延迟和数据包丢失同时存在。在实际的网络运行过程中 , 极易出现许多不确定的状态, 如网络断线、误码、网络阻塞等, 而且一些模型或研究策略仅有简单的数值模拟, 所以更符合实际需要的网络控制系统的建模和分析还需要不断的探索。针对状态不可直接测量的时延网络控制系统, 本文讨论了网络时延小于网络更新时间的条件下, 网络控制系统的稳定性 , 对于时延大于更新时间和网络存在丢包等情况下的稳定性还有待于进一步的探讨. 参考文献1 刘丽丽、张庆灵、刘国义. 网络控制系统的概述及其研究策略J.控制工程.2006.1

13、，13.12 Zhong Q C. Robust stability analysis of simple systems controlled over communication networks J . Automatica , 2003 ,39 :130921312.The Overview of Networked Control Systems Li Yongfu 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - (

14、College of Automation in Chong Qing University ，ChongQing 400044 , China) Abstract : The network control system, due to the communication network bandwidth constraints, and information (including sensor signal, signal controllers, etc.) collisions, and many other reasons, the information will inevit

15、ably in the course of transmission delay, called network-induced delay. Network-induced delay is the result of the performance of control systems to reduce, or even make the system unstable factors. The complex large-scale systems control and remote control of networked control system the objective

16、needs of the network control system from the characteristics and requirements based on network control system design and analysis methods, and network control system described in the main problem that delay and packet loss exist, so that readers understand the current network control system on the status quo, for further study and explore reference. Key words : networked control system; time delay ; data packet 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -