（控制理論與控制工程專業(yè)論文）隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能分析與魯棒控制.pdf

1 一 嚏 一 p ， a u t h o r ： f a n gx i a o s h e n g m a j o r ：c o n t r o lt h e o r ya n de d e p a r t m e n t ：a u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gj i n g c h e n g s h a n g h a i j i a ot o n gu n i v e r s i t y j u n e ，2 0 0 9 體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已 在文中以明確方式標(biāo)明。本文完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：弓j 遺 日期：弦哆丘“ - 上海交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解上海交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意 學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 ， 不保密日。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”) 學(xué)位論文作者簽名：氣寸t 迂 指導(dǎo)教師簽名： 日期：中鉬婦 乏伽 日期：_ ：7 年彳月彩日 之 一 警 裂 璃 k 、 上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文答辯決議書 所在 控制理論與控制工程姓名方小生學(xué)號(hào)0 0 4 0 3 2 2 0 1 7 學(xué)科 指導(dǎo)教師 王景成 答辯 2 0 0 9 0 6 2 5 答辯 上海交通大學(xué)電信群樓2 4 0 6 同期地，i ( 論文題h 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能分析與魯棒控制 投票表決結(jié)果： 7 7 7 ( 同意票數(shù)實(shí)到委員數(shù)應(yīng)到委員數(shù))答辯結(jié)論：函過 口未通過 節(jié)語和決議： 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的魯棒控制是近年來魯棒控制領(lǐng)域的重要研究課題。方小生的博士論文重點(diǎn)研 究了數(shù)據(jù)丟包、時(shí)延、通信約束等不確定性因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的影響，以及魯棒控制 器的設(shè)計(jì)問題。論文選題具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 論文針對(duì)一類存在隨機(jī)丟包的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出了一種基于增廣系統(tǒng)觀測(cè)器的控 制策略，并給出了最優(yōu)保性能控制器的設(shè)計(jì)方法；針對(duì)存在網(wǎng)絡(luò)通信帶寬受限的離散網(wǎng)絡(luò)控 制系統(tǒng)，給出了具有最優(yōu)玩性能的帶寬分配方案和控制器的設(shè)計(jì)定理，分析了網(wǎng)絡(luò)通信約 束與控制系統(tǒng)鼠性能之間的關(guān)系：針對(duì)存在隨機(jī)時(shí)延的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，采用按隨機(jī)時(shí) 延進(jìn)行實(shí)時(shí)切換的狀態(tài)反饋控制策略，給出了閉環(huán)系統(tǒng)隨機(jī)穩(wěn)定的充分條件和最優(yōu)只?？刂?器的譯計(jì)方法j 此外，論文還針對(duì)存在數(shù)據(jù)丟包的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)采樣控制系統(tǒng)，通過引入輸入時(shí) 延方法，將同時(shí)存在連續(xù)對(duì)象、離散傳輸信號(hào)以及數(shù)字控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一類含 隨機(jī)參數(shù)的連續(xù)時(shí)滯系統(tǒng)，給出了最優(yōu)鼠控制器的設(shè)計(jì)方法。 論文條理清楚，內(nèi)容充實(shí)，分析合理，取得了創(chuàng)新性的研究成果。表明作者已經(jīng)掌握本 學(xué)科堅(jiān)謇寬廣的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專門知識(shí)，具有獨(dú)立科研與創(chuàng)新能力。答辯中敘述清 楚，回答問題正確。答辯委員會(huì)經(jīng)認(rèn)真討論并無記名投票，一致同意通過其學(xué)位論文答辯， 并建議授予方小生工學(xué)博士學(xué)位。 d7 年月口j 門 職務(wù)姓名耿稱 甲化 簽名 豐席 顧幸生教授華東理工大學(xué) 磁秀易 答 閣斌礁辯 委員周武能教授東華大學(xué) 委 委員 席裕庚教授 i - - 海交通大學(xué) 揚(yáng)砍 r 1 貝 。勃鄉(xiāng) 會(huì) 委員李少遠(yuǎn) 教授上海交通人學(xué) 成 脅 員 委員汪小帆教授 上海交通大學(xué) 簽 委員楊根科 教授1 ：海交通大學(xué) 強(qiáng)睬 名 委員 王景成教授上海變通火：學(xué) 王雖也 秘粥 吳沂軍 工- u 。一l - ， i ： f i i 。交通火學(xué)墨張弘 摘籃 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能分析與魯棒控制 摘要 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s ) 是以串行通信網(wǎng)絡(luò)把傳感器、 控制器和執(zhí)行器相連接而構(gòu)成反饋閉環(huán)的特殊分布式控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的 控制系統(tǒng)相比，這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式避免了控制節(jié)點(diǎn)問專線的敷設(shè)，減少布線， 易于系統(tǒng)的診斷和維護(hù)，增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性，有效的降低了系統(tǒng)成本。目前，網(wǎng) 絡(luò)控制系統(tǒng)已在工業(yè)制造、交通系統(tǒng)、電力、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 但是，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕槿?，也帶來了許多新問題，如：網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包、網(wǎng)絡(luò)帶 寬的波動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò)的通信約束使得數(shù)據(jù)必須多包傳輸、不同的l q 絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間系統(tǒng)時(shí) 鐘的異步等等。這些因素將不可避免的影響到控制系統(tǒng)的性能，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定， 這使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題變得復(fù)雜。因此，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究 具有重大的理論和應(yīng)用價(jià)值，正日益成為目前控制理論界研究的熱點(diǎn)。本文結(jié)合隨 機(jī)控制和魯棒控制理論，對(duì)存在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境因素( 數(shù)據(jù)丟包、帶寬的限制和擾動(dòng)、網(wǎng) 絡(luò)時(shí)延) 影響的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模，穩(wěn)定性分析、魯棒控制設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了深 入的研究。利用l y a p u n o v 穩(wěn)定性理論以及線性矩陣不等式方法，給出了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)因 素影響下閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件和控制器設(shè)計(jì)方法；通過引入隨機(jī)網(wǎng)路控制系統(tǒng)的 最優(yōu)保性能和最優(yōu)礬性能等魯棒性能指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的性能與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn) 行了分析研究。本文的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： 首先，針對(duì)一類存在隨機(jī)數(shù)據(jù)丟包的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，研究其保性能控制問 題。設(shè)傳感器到控制器和控制器到傳感器之間存在的兩類數(shù)據(jù)丟包相互獨(dú)立并滿足 伯奴利二項(xiàng)分布。分別在單、多包傳輸?shù)臈l件下，把被控對(duì)象連同存在數(shù)據(jù)丟包的 通信網(wǎng)絡(luò)建模為一個(gè)增廣系統(tǒng)對(duì)象，其中原被控對(duì)象的控制輸入作為一個(gè)增廣系統(tǒng) 的狀態(tài)。通過設(shè)計(jì)該增廣系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入的同時(shí)估 計(jì)。在此觀測(cè)器基礎(chǔ)上，提出了一種基于觀測(cè)器的保性能控制策略，給出了閉環(huán)系 統(tǒng)隨機(jī)均方指數(shù)穩(wěn)定的充分條件，并用線性矩陣不等式技術(shù)和錐補(bǔ)線性化( c o n e c o m p l e m e n t a r i t yl i n e a r i z a t i o n ，c c l ) 迭代算法給出了最優(yōu)保性能控制器的設(shè)計(jì) 方法。 針對(duì)存在網(wǎng)絡(luò)通信約束的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，研究了基于狀態(tài)觀測(cè)器的也控制 摘拯 問題。設(shè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量有限并且?guī)挼淖兓瘽M足某個(gè)已知的概率分布的條件下 對(duì)單包和多包傳輸情形下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了建模。在不i 可的網(wǎng)絡(luò)通信約束 和帶寬分配條件卜分別給出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)均方穩(wěn)定的充分條件。通過引入最優(yōu) 也性能指標(biāo)，對(duì)通信約束條件和控制系統(tǒng)，性能之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，并 用線性矩陣不等式和c c l 迭代算法給出了具有最優(yōu)以性能的帶寬分配方案和控制 器設(shè)計(jì)方法。 針對(duì)存在隨機(jī)時(shí)延的離散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的狀態(tài)反饋以控 制問題?？紤]只在傳感器到控制器之間存在同絡(luò)時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，用一個(gè)狀態(tài) 有限的馬爾可夫鏈描述該隨機(jī)時(shí)延，并在單、多包傳輸條件下，分別將網(wǎng)絡(luò)控制系 統(tǒng)建模為離散隨機(jī)線性跳變系統(tǒng)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)傳輸采用時(shí)問戳技術(shù)，即在每個(gè)采樣時(shí) 刻控制器可以獲得當(dāng)前時(shí)刻從傳感器到控制器問網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的大小。著眼于減少控制 器設(shè)計(jì)的保守性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用按隨機(jī)時(shí)延進(jìn)行實(shí)時(shí)切換的狀態(tài)反饋控制策 略，給出了閉環(huán)系統(tǒng)隨機(jī)穩(wěn)定的充分條件，并用線性矩陣不等式方法和c c l 迭代算 法給出了單、多包傳輸條件下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)以控制器的設(shè)計(jì)方法。 最后，對(duì)存在數(shù)據(jù)丟包的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣也控制問題進(jìn)行了研 究。考慮被控對(duì)象為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，并且傳感器到控制器和控制器到傳感器兩類數(shù) 據(jù)丟包相互獨(dú)立并滿足伯努力二項(xiàng)分布。通過引入輸入時(shí)延( i n p u td e l a y ) 方法，將 同時(shí)存在連續(xù)對(duì)象、離散傳輸信號(hào)以及數(shù)字控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一類含隨 機(jī)參數(shù)的連續(xù)時(shí)滯系統(tǒng)，給出了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)隨機(jī)指數(shù)穩(wěn)定的一個(gè)充分條件， 并用線性矩陣不等式方法給出了最優(yōu)以控制器的設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，隨機(jī)系統(tǒng)，魯棒控制，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，數(shù)據(jù)丟包，通信約束， 線性矩陣不等式 ， 氣b s t r a c t p e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n dr o b u s tc o n t r o lf o rs t o c h a s t i cn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sf n c s s ) a r es p e c i a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m si nw h i c h f e e d b a c kc o n t r o ll o o p sa r ec l o s e dv i ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s c o m p a r i n gw i t ht h e c o n v e n t i o n a lp o i n t - t o - p o i n tc o n t r o ls y s t e m s , n c s sp r e s e n tan u m b e ro fa d v a n t a g e s ，s u c h a sl o wc o s t ，r e d u c e ds y s t e mw i r i n g , e a s co fs y s t e md i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e , a n d i n c r e a s e ds y s t e ma g i l i t y 1 1 1 et a r g e t e da p p l i c a t i o n sa r ei n d u s t r i a lp l a n t s ，t r a n s p o r t a t i o n ， p o w e rg i r d ，a n du n m a n n e da e r i a lv e h i c l e s ( u a v s ) ，e t c h o w e v e r , t h ei n t r o d u c t i o no f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nf e e d b a c kc o n t r o ll o o p sc o m p l i c a t e st h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i s o fn c s s , b e c a u s et h en e t w o r k - i n d u c e dt r a n s m i s s i o nd e l a y s , d a t ap a c k e td r o p o u t sa n d f l u c t u a t i o no rl i m i t a t i o no fb a n d w i d t hw i l li n e v i t a b l yd e g r a d et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo f n c s s ，o re v e nc a u s et h es y s t e mt ob eu n s t a b l e c o n s e q u e n t l y , t h er e s e a r c ho nn c s si so f g r e a tt h e o r e t i c a la n da p p l i c a b l es i g n i f i c a n c ea n dh a sa p p e a r e dt ob eat o p i co fs i g n i f i c a n t i n t e r e s tt ot h ec o n t r o lc o m m u n i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em o d e l i n g ，a n a l y s i s , a n dc o n t r o l o fn c s sw i t hu n c e r t a i nn e t w o r kq u a l i t y , s u c ha sn e t w o r k - i n d u c e dd e l a y , p a c k e dd r o p o u t , a n dl i m i t a t i o no fb a n d w i d t ha r ed e e p l ys t u d i e db ya p p l y i n gt h er o b u s tc o n t r o la n d s t o c h a s t i cc o n t r o lt h e o r y i nt e r m so ft h el y a p u n o va p p r o a c ha n dl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ( l m i ) t e c h n i q u e s ，s t a b i l i t yc o n d i t i o n sa n dd e s i g nm e t h o d so ft h er o b u s tc o n t r o l l e ra r e p r e s e n t e df o rn c s sw i t hu n c e r t a i nn e t w o r kq u a l i t y b yi n t r o d u c i n gk i n d so fo p t i m a l p e r f o r m a n c ei n d e x , t h ei n n e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r f o r m a n c ei n d e xa n dn e t w o r kq u a l i t y i sa l s oe s t a b l i s h e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h eo b s e r v e r - b a s e dg u a r a n t e e dc o s tc o n t r o lp r o b l e mi sf i r s ts t u d i e df o rac l a s so f n c s sw i t hr a n d o md a t ap a c k e td r o p o u t s t w ok i n d so fp a c k e td r o p o u t s ( t h ep a c k e t d r o p o u tf r o ms e n s o rt oc o n t r o l l e r ( s c ) a n dc o n t r o l l e rt oa c t u a t o r ( c a ) ) a r eb o t hm o d e l e d b y t w o m u t u a l l yi n d e p e n d e n ts t o c h a s t i cv a r i a b l e ss a t i s f y i n gt h eb e r n o u l l ib i n a r y d i s t r i b u t i o n n e wn c sm o d e l sa r cp r o v i d e dc o n s i d e r i n gb o t hs i n g l e a n dm u l t i p l e - p a c k e t i h a b s t r a c t t r a n s m i s s i o n an e wo b s e r v e ri s d e s i g n e d t oe s t i m a t et h es t a t e sa n ds y s t e mi n p u t s i m u l t a n e o u s l ) 7b ) c o n s t r u c t i n ga na u g m e n t e ds y s t e mi nw h i c ht h eo r i g i n a ls y s t e mi n p u ti s r e g a r d e da san e ws t a t e b a s e do nt h i so b s e r v e r , ag u a r a n t e e dc o s tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d s u c ht h a tt h ec l o s e d - l o o ps y s t e mi ss t o c h a s t i c a l l ye x p o n e n t i a l l ym e a n s q u a r es t a b l ea n d t h ec o s tf u n c t i o nv a l u ei sn o tm o r et h a nas p e c i f i e du p p e rb o u n d t h e nt h ed e s i g nm e t h o d o fs u c hc o n t r o l l e ri sf o r m u l a t e di nt e r m so ft h el m ia p p r o a c ha n di t e r a t i v ec o n e c o m p l e m e n t a r i t yl i n e a r i z a t i o n ( c c l ) a l g o r i t h m t h eo b s e r v e r - b a s e dh 。c o n t r o lp r o b l e mi si n v e s t i g a t e df o rac l a s so fd i s c r e t en c s s w i t hc o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t s a s s u m i n gt h a tt h en e t w o r kh a sl i m i t e dc a p a c i t ya n dt h e t o t a lb a n d w i d t hi sr a n d o mf l u c t u a t e ds a t i s f y i n gak n o w np r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n ，t h en c s m o d e l sa r ep r o v i d e dc o n s i d e r i n gb o t hs i n g l e a n dm u l t i p l e p a c k e tt r a n s m i s s i o n t h e s u f t i c i e n tc o n d i t i o n so nt h es t o c h a s t i cs t a b i l i t yo fn c s sa l eo b t a i n e di nt e r m so fd i f i e r e n t b a n d w i d t hd i s t r i b u t i o na n dc o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t s b yi n t r o d u c i n gt h eo p t i m a l 以 p e r f o r m a n c ei n d e x , t h ei n n e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n h tp e r f o r m a n c ea n dc o m m u n i c a t i o n c o n s t r a i n t si se s t a b l i s h e d u s i n gt h ei t e r a t i v el m ia p p r o a c ha n dc c la l g o r i t h m ，t h e 以 c o n t r o l l e ri sd e s i g n e ds u c ht h a tt h ec l o s e d - l o o ps y s t e mi ss t o c h a s t i c a l l ym e a n - s q u a r e s t a b l ea n dt h eo p t i m a l 也d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o ni e v e li sa l s oa c h i e v e d t h es t a t e - f e e d b a c k 以c o n t r o lp r o b l e mi si n v e s t i g a t e df o rac l a s so fn c s si nt h e d i s c r e t e - t i m ed o m a i nw i t hr a n d o mb u tb o u n d e dd e l a y a te a c hs a m p l i n gt i m e ，t h ec u r r e n t s cd e l a yi sk n o w nf o rc o n t r o l l e rb y , e g ，t h et i m e s t a m p i n gt e c h n i q u e c o n s i d e r i n gb o t h s i n g l e - a n dm u l t i p l e - p a c k e tt r a n s m i s s i o n ，t h ec l o s e d - l o o pn c s s a r em o d e l e d 私s t o c h a s t i c d i s c r e t e - t i m ej u m pl i n e a ls y s t e m sw i t ht h es ct i m ed e l a y sa r em o d e l e da sam a r k o vc h a i n i no r d e rt or e d u c et h ec o n s e r v a t i v e n e s so ft h er e s u l t s ，t h es t a t e - f e e d b a c kc o n t r o l l e rg a i n s a l es w i t c h e dd e p e n d i n go nt h ev a l u eo ft h es ct i m ed e l a y s t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n so n t h ee x i s t e n c eo f 以c o n t r o l l e r 礬o b t a i n e d t h ei t e r a t i v el m ia p p r o a c ha n dc c l a l g o r i t h ma l ee m p l o y e dt oc a l c u l a t et h es t a t e - f e e d b a c kg a i n s f i n a l l y , t h es a m p l e d d a t ah 。c o n t r o lp r o b l e mf o rac l a s so fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( n c s s ) w i t hr a n d o mp a c k e td r o p o u t si si n v e s t i g a t e d t h en c si sm o d e l e da sa s a m p l e d - d a t as y s t e mw h i c hi n v o l v e sac o n t i n u o u sp l a n t ，d i g i t a lc o n t r o l l e r , e v e n t - d r i v e n h o l d e r , a n dn e t w o r kc h a n n e l s i nt h i sm o d e l ，t w ot y p e so fp a c k e td r o p o u t si nt h es ca n d i v a b s t r a c t c l as i d e sa r cb o t hc o n s i d e r e d ，w h i c ha r ed e s c r i b e db yt w om u t u a l l yi n d e p e n d e n t s t o c h a s t i cv a r i a b l e ss a t i s f y i n gb e r n o u l l ib i n a d d i s t r i b u t i o n b ya p p l y i n ga ni n p u td e l a y a p p r o a c h 。t h es a m p l e d d a t an c s i st r a n s f o r m e di n t oac o n t i n u o u st i m e - d e l a ys y s t e mhi t h s t o c h a s t i cp a r a m e t e r s a no b s e r v e r - b a s e dc o n t r o ls c h e m ei sd e s i g n e ds u c ht h a tt h e c l o s e d l o o pn c si ss t o c h a s t i c a l l ye x p o n e n t i a l l ym e a n s q u a r es t a b l ea n dt h ep r e s c r i b e d h 。d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o nl e v e li s a l s oa c h i e v e d t h ec o n t r o l l e rd e s i g np r o b l e mi s t r a n s f o r m e dt oaf e a s i b i l i t yp r o b l e mf o ras e to fl m i s k e y w o r d ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s , s t o c h a s t i cs y s t e m s , g u a r a n t e e dc o s tc o n t r o l ，。 c o n t r o l ，n e t w o r k e dt i m ed e l a y , p a c k e td r o p o u t , c o m m u n i c a t i o nc o n s t r a i n t s , l i n e a rm a t r i x i n e q u a l i t y v a b s t r a c t 目錄 目錄 摘要1 a b s t r a c t 。i i i 目錄1 0 r i i 第l 章緒論1 1 i 弓l 言l 1 2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)概述2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 1 2 1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不確定影響因素4 1 2 2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的確定性影響因素。6 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀8 1 3 1 基于q o s 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法研究8 1 3 2 基于q o a 的網(wǎng)絡(luò)控制研究9 論文的主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)1 2 存在數(shù)據(jù)丟包的離散網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保性能控制1 5 引言1 5 存在數(shù)據(jù)丟包的單包傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保性能控制1 6 2 2 1 模型描述：1 6 2 2 2 穩(wěn)定性分析2 0 2 2 3 保性能控制器設(shè)計(jì)2 4 存在數(shù)據(jù)丟包的多包傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保性能控制2 9 2 3 1模型描述。2 9 2 3 2 穩(wěn)定性分析3 2 2 3 3 保性能控制設(shè)計(jì)3 6 數(shù)值仿真4 0 2 4 1 例2 1 ：?jiǎn)伟鼈鬏斍樾? 0 2 4 2 例2 2 ：多包傳輸情形。4 4 結(jié)論4 5 存在通信約束的離散網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的h 控制4 7 引言4 7 存在通信約束的單包傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的h 控制4 8 3 2 1 系統(tǒng)模型描述。4 8 3 2 2 穩(wěn)定性和h o o 性能分析5 l 3 2 3 帶寬約束條件下的最優(yōu)h 控制設(shè)計(jì)5 5 3 2 4 數(shù)值仿真5 7 存在通信約束的多包傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的h 控制6 0 3 3 1 系統(tǒng)模型描述6 0 3 3 2 穩(wěn)定性和h 性能分析6 3 i 口錄 3 3 3 通信約束條件下的最優(yōu)h 控制設(shè)計(jì)6 7 3 3 4 數(shù)值仿真6 9 3 4結(jié)論7 3 第4 幸離散隨機(jī)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的h 控制7 5 4 1 引言7 5 4 2網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)時(shí)延的m a r k o v 性7 6 4 3 單包傳輸?shù)碾S機(jī)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的h ?？刂? 7 4 3 1 問題描述7 7 4 3 2 穩(wěn)定性分析8 0 4 3 3 h o o 控制器設(shè)計(jì)8 2 4 4 多包傳輸時(shí)延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的h 控制8 4 4 4 1 問題描述8 4 4 4 2 穩(wěn)定性分析8 7 4 4 3h o o 狀態(tài)反饋控制設(shè)計(jì)。8 9 4 5 仿真研究9 2 4 5 1 例4 1 ：?jiǎn)伟鼈鬏斍樾? 2 4 5 2 例4 2 ：多包傳輸情形。9 3 4 6 結(jié)論9 5 第5 章 存在數(shù)據(jù)丟包的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的h 采樣控制9 7 5 1 引言9 7 5 2 問題描述9 8 5 3 穩(wěn)定性分析。1 0 3 5 4 h 控制器設(shè)計(jì)。1 0 8 5 5 仿真研究1 l4 5 6 結(jié)論。l1 6 第6 章總結(jié)與展望1 1 7 6 i 本文總結(jié)l l7 6 2 研究展望1 l8 參考文獻(xiàn)l l9 致謝12 7 攻讀學(xué)位論文期間的主要學(xué)術(shù)成果。1 2 9 第一章緒論 1 1 引言 第1 章緒論 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式，在工業(yè)中成功的應(yīng)用了幾十年。這種控制 模式通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專線將傳感器信號(hào)傳送到控制器，然后再通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專線將控 制信號(hào)傳送到執(zhí)行器，以此構(gòu)成控制系統(tǒng)的閉環(huán)。此類結(jié)構(gòu)模式下的控制系統(tǒng)往往 布線復(fù)雜，使得系統(tǒng)成本增加，降低了系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性和靈活性，擴(kuò)辰不 方便。而且隨著控制系統(tǒng)的地域分散，規(guī)模日益擴(kuò)大，復(fù)雜程度不斷提高，系統(tǒng)的 物理設(shè)備和系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)充，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式在控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中 已經(jīng)達(dá)到了它的極限，無法滿足系統(tǒng)功能不斷增長(zhǎng)的需求。為了解決這些問題，人 們開始將網(wǎng)絡(luò)引入到控制系統(tǒng)中，采用分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專線連接， 使得眾多的傳感器、執(zhí)行器和控制器等系統(tǒng)的主要功能部件通過網(wǎng)絡(luò)相連接，相關(guān) 的信號(hào)和數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換。這種通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)的反饋控制系 統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s , n c s ) 。這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式與傳 統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的控制結(jié)構(gòu)棚比，避免了控制節(jié)點(diǎn)間專線的敷設(shè)，方便安裝與維護(hù)， 提高系統(tǒng)的診斷能力、增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性，并能夠?qū)崿F(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，使系 統(tǒng)資源通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)反映了復(fù)雜控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客觀需求，是計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。近十幾年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，特別是高速以太網(wǎng)和 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和成熟為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)更深層次的應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基 礎(chǔ)，使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、航空航天、無線通信、機(jī)器人( 王 慶鵬等，2 0 0 1 ；彭剛，2 0 0 2 ) 、交通系統(tǒng)、智能建筑、國防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，既有基于專用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，如： d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、l o n w o r k s 等現(xiàn)場(chǎng)總線( 甘永梅等，2 0 0 4 ；陽憲惠，1 9 9 8 ) ， 又有在i n t e m e ! t 等公用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)( y a n g ，c h e n & a i t y ，2 0 0 3 ：j a m a h l & a n t h o n y ， 1 9 9 9 ) 上構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。前者是指在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的一些現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、控制及操 作設(shè)備和通信線路的集成，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 設(shè)備和用戶實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作。而后者則是一種完全分布式的控制方式，它 不僅可以對(duì)控制系統(tǒng)本身進(jìn)行調(diào)控和檢測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠車間、生產(chǎn)過程的監(jiān) 卜海幺通大掌儕r ：- i 二：2 之 控調(diào)變、決策優(yōu)化等功能。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受到普遍關(guān)注，從技術(shù)上 來說也比較成熟，它較好解決了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中媒體訪問控制子層問題以及 設(shè)備的接入問題，得到了廣泛的心用。 盡管網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕槿胍苍谙到y(tǒng) 的控制上引起了諸多問題，如：網(wǎng)絡(luò)的不可靠傳輸和帶寬資源的有限性將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng) 絡(luò)的通信時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂和誤碼等問題。另外，由 于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)帶寬等條件的限制，數(shù)據(jù)傳輸中還存在著單包傳輸和多包傳輸、 傳感器的同步采樣和異步采樣，以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不同驅(qū)動(dòng)方式( 如事件驅(qū)動(dòng)和時(shí)鐘 驅(qū)動(dòng)) 等引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)控制問題。這些問題征傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線連接的控制系統(tǒng)中是 不存在或是可以忽略的。因此針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的這些新問題，必須相應(yīng)地采用 新方法、新理論來分析和研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的控制策略。 1 2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)概述 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種空間分布式系統(tǒng)，被控對(duì)象、傳感器、控制器以及執(zhí)行器 由一個(gè)有限帶寬的通信網(wǎng)絡(luò)連接。第一代將賭絡(luò)化環(huán)境與控制功能相結(jié)合的系統(tǒng)形 式為所謂的分布式控制系統(tǒng)( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 。分布式控制系統(tǒng)的一 般結(jié)構(gòu)如圖1 1 ( 楊業(yè)，2 0 0 6 ) 所示。最早的出現(xiàn)d c s 系統(tǒng)是h o n e y w e l l 公司1 9 7 5 年開發(fā)的t d c 2 0 0 0 ( a s t r o m ，1 9 9 7 ) 系統(tǒng)。在d c s 系統(tǒng)中，絕大部分基本的控制 任務(wù)( 如：傳感器采集、控制律計(jì)算、控制輸出執(zhí)行等) 均在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作站上獨(dú) 立完成，僅有一些開關(guān)信號(hào)、檢測(cè)信息以及預(yù)警信息是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)?。上?紀(jì)9 0 年代開始各類芯片的發(fā)展日新月異，其價(jià)格也逐日降低。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在 人們的生產(chǎn)、生活中廣為使用，使得傳感器和執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接，并在網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境中處于相互獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)位置。目前的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1 2 所示。 2 ， 第一章緒論 廣一 管理曼 圖l - 1 分布式控制系統(tǒng)( d c s ) 的結(jié)構(gòu)罔 f i g 1 ls y s t e ms t r u c t u r eo fd c s 圖1 2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) f i g 1 - 2s y s t e ms i n t c t u r eo f n c s 從圖1 2 可以看出，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與d c s 系統(tǒng)的最大區(qū)別是：傳感器、 執(zhí)行器和控制器可以分布在不同的物理位置，它們之間的信息交換由一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò) 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。而在d c s 系統(tǒng)中，使用一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站管理所有這些內(nèi)容，控制器、傳 感器和執(zhí)行器必須同時(shí)處于一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作站附近，它們之間仍然通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線連 接。因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相比d c s 能支持更加靈活復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的其結(jié)構(gòu)層次 3 上海交通大學(xué)博十拳位論文 少，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和資源共享，并大幅降低布線成本。 傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)中，通常假設(shè)信號(hào)傳輸環(huán)境是理想的，信號(hào)在傳輸過程中 一i 受外界影響，或其影響可以忽略彳i 計(jì)。而在i 四絡(luò)控制系統(tǒng)中，i q 絡(luò)環(huán)境的影響通 常是無法忽略的。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響通常因素可以分為兩大類：一類是網(wǎng)絡(luò)的不可靠 傳輸和帶寬資源的限制引發(fā)的不確定或隨機(jī)因素，如網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包、網(wǎng)絡(luò)擁 塞或者帶寬限制、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂和誤碼等：另一類是由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以 及相關(guān)參數(shù)的選擇等確定性的或可知的因素，包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式( 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng) 或事件驅(qū)動(dòng)) 、每個(gè)數(shù)據(jù)包所允許的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度( 單多包傳輸) 、控制節(jié)點(diǎn)的同步與 異步，以及數(shù)據(jù)量化參數(shù)等。以下對(duì)這些因素分別作簡(jiǎn)要的介紹和分析。 1 2 1網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不確定影響因素 ( 1 ) 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延 網(wǎng)絡(luò)中的信息源很多，當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息時(shí)，要分時(shí)共享網(wǎng)絡(luò) 通信信道。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限且網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量變化不規(guī)則，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng) 絡(luò)交換數(shù)據(jù)時(shí)，常常出現(xiàn)信息交換時(shí)間延遲。這種由網(wǎng)絡(luò)引起的時(shí)間延遲稱為網(wǎng)絡(luò) 誘導(dǎo)時(shí)延( n e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ) 。網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延包括傳感器到控制器之間的時(shí)延、 控制器的計(jì)算時(shí)延、控制器到執(zhí)行器之間的時(shí)延。造成網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的原因主要有： 數(shù)據(jù)包在發(fā)送端將待發(fā)信和封裝成數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間、數(shù)據(jù)包等待網(wǎng)絡(luò)空閑所用的 時(shí)間、數(shù)據(jù)包在實(shí)際傳輸媒介上傳輸所需時(shí)間等。另外，有些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在發(fā)生數(shù)據(jù) 包丟失或出錯(cuò)時(shí)允許重發(fā)數(shù)據(jù)包，也會(huì)增加數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。 在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，通常根據(jù)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延與采樣周期之間