網絡控制系統(tǒng)PPT課件

第十五章網絡控制系統(tǒng),目錄15.1網絡控制系統(tǒng)概述15.2網絡控制系統(tǒng)概念和結構15.3網絡控制系統(tǒng)的時序15.4網絡控制系統(tǒng)模型15.5通信約束下的網絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析15.6網絡控制系統(tǒng)控制器設計,1,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.1網絡控制系統(tǒng)概述21世紀是一個網絡化的時代，網絡的普遍性決定了其在生活中的廣泛應用。對網絡系統(tǒng)的研究最早始于20世紀50年代，如隨機圖ER模型等。隨著國際標準化組織的開放系統(tǒng)互連基本參考模型，即通常提到的七層協(xié)議(1977)問世以來，第三代的計算機網絡得到了學術界的廣泛關注。該網絡使用戶能共享其中的大多數(shù)硬、軟件和數(shù)據(jù)資源、減少計算機的負荷，提高網絡的可靠性并使得計算機具有可擴展性和可換性。在無尺度網絡模型的引入和小世界模型的基礎上，有關復雜網絡的研究得到了進一步深入。比如，通信網絡、計算機網絡、電力網、供水網、食品供應網、交通網、銀行金融系統(tǒng)、油管輸網、輸氣管網、輸油管網以及控制網絡等大量實際復雜網絡中都含有無尺度以及小世界的特性。目前，復雜網絡已經在生物學、社會學和計算機科學等相關領域中發(fā)揮了舉足輕重的作用。李伯虎院士(2008)提出的云計算概念進一步豐富了復雜網絡的應用，云計算將計算任務全部交給網絡化的仿真平臺，用戶通過終端很難感覺到網絡化仿真平臺的存在，仿佛在云霧中一樣，故取名云計算。,2,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),網絡控制系統(tǒng)的結構圖,3,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.2網絡控制系統(tǒng)概念和結構馬里蘭大學的學者G.C.Walsh在其論文中最早提及網絡控制系統(tǒng)“networkedcontrolsystems”2，但是未給出NCSs的明確定義。通常認為NCSs是指某個區(qū)域現(xiàn)場所有傳感器、控制器以及執(zhí)行器和通信網絡全體的集合，為各種設備之間的互聯(lián)提供數(shù)據(jù)傳輸，使得該區(qū)域內不同地點的用戶實現(xiàn)協(xié)調操作及資源共享，是一種網絡化實時和全分布式的反饋系統(tǒng)。網絡控制系統(tǒng)的框圖,4,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),網絡給NCSs帶來的關鍵問題有：執(zhí)行器響應時刻和時延采樣時刻之間存在不可忽略的滯后。在某一時刻間隔內存在的數(shù)據(jù)時序抖動。數(shù)據(jù)丟包。一被動分析方法被動分析方法首先在不考慮網絡情況下對控制器進行設計，然后進一步考慮網絡影響來分析閉環(huán)NCSs的系統(tǒng)性能。涉及的主要方法有：1）網絡攝動法2。2)Lyapunov-Krasovskii方法3-6。3)其他方法。,5,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),二主動分析方法主動分析方法在考慮網絡對NCSs影響的基礎上進行，進而討論相應的系統(tǒng)分析以及控制器設計等問題。顯然，與被動分析方法相比，主動設計方法在控制器設計以及系統(tǒng)分析過程中有效利用了網絡信息，因而所得分析結果的保守性更小，控制策略也更為合理。主要的主動設計方法有：1)時延整形法9。2)多模型控制法10。3)隨機控制方法11。4)Lyapunov-Krasovskii方法7,13。5)切換控制方法14。6)預測控制方法15。7)其他控制算法16。,6,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.3網絡控制系統(tǒng)的時序15.3.1采樣速率分析NCSs中采樣速率由采樣周期間隔以及數(shù)據(jù)的產生速率決定，因此和網絡的服務質量QoS(qualityofservice)有一定的關系。數(shù)據(jù)產生速率采樣周期15.3.2延遲與抖動分析網絡化控制系統(tǒng)中的延遲與抖動如圖所示NCSs中數(shù)據(jù)流程模型,7,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.3.3NCSs的節(jié)點驅動方式NCSs中各節(jié)點的工作方式可以分為時間驅動(time-driven)和事件驅動(event-driven)兩種。以控制器為例，所謂時間驅動的工作方式是指控制器在時鐘的作用下定時從等待隊列中取得反饋的采樣信號，然后開始執(zhí)行控制算法，產生決策信息發(fā)送給執(zhí)行器。而事件驅動即用事件“反饋信號到達”，來驅動控制器執(zhí)行控制算法產生決策信息。同樣在執(zhí)行器結點也存在不同的驅動方式。與控制器和執(zhí)行器不同的是，傳感器節(jié)點通常采用定長時間采樣。15.4網絡控制系統(tǒng)模型15.4.1NCSs中的基本假設由于網絡的引入，使得控制系統(tǒng)的分析變得非常復雜，并往往造成控制系統(tǒng)定常性、完整性、因果性和確定性的喪失等7。,8,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),針對網絡中的可變因素，同時也是NCSs建模的主要參數(shù)，已有的假設主要集中在以下幾方面：關于驅動方式的假設假設傳感器都是采用時間驅動方式，采樣周期為，執(zhí)行器和控制器存在時間和事件兩種不同驅動方式的組合。關于傳輸時延的假設時滯為常數(shù)、隨機分布或符合某確定分布。和滿足或。關于NCSs數(shù)據(jù)傳輸?shù)募僭O在NCSs中傳輸?shù)拿恳粩?shù)據(jù)包都是一個完整的數(shù)據(jù)，或者一個完整的數(shù)據(jù)被分成多個數(shù)據(jù)包，即單包和多包傳輸問題。數(shù)據(jù)單元在傳輸中由于網絡阻塞、連接中斷等原因會導致時序差錯和數(shù)據(jù)包丟失等現(xiàn)象。,9,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.4.2連續(xù)系統(tǒng)模型連續(xù)型NCSs系統(tǒng)模型是指將網絡控制系統(tǒng)看成一個連續(xù)系統(tǒng)進行分析與設計。系統(tǒng)的動力學模型可以表示為其中15.4.3離散系統(tǒng)模型Ray等人9基于各節(jié)點均采用時間驅動方式提出了一種增廣的確定性離散系統(tǒng)模型。,，,，,，,。,10,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.4.3離散系統(tǒng)模型Ray等人9基于各節(jié)點均采用時間驅動方式提出了一種增廣的確定性離散系統(tǒng)模型。NCSs的離散延遲模型假設1)傳感器為時間驅動方式，控制器和執(zhí)行器為事件驅動方式；假設2)網絡延時有界且服從某一確定分布；假設3)不同采樣周期網絡時延互相獨立；,11,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.4.4混合系統(tǒng)模型網絡控制系統(tǒng)的混合系統(tǒng)模型是一個既含有連續(xù)變量又含有離散變量的混合系統(tǒng)。15.4.5有數(shù)據(jù)包丟失時NCSs的模型在NCSs中當節(jié)點故障或信息沖突時會發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。雖然大多數(shù)網絡協(xié)議都有重發(fā)機制，但數(shù)據(jù)僅在有限的時間內重發(fā)，一旦超出這個時限，將發(fā)生丟包現(xiàn)象，將造成數(shù)據(jù)的丟失。數(shù)據(jù)的丟包現(xiàn)象可能會對控制系統(tǒng)的控制品質產生影響，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。文獻8將網絡控制系統(tǒng)中的丟包問題作為異步開關系統(tǒng)(AsynchronousSwitchedSystems)進行建模。15.4.6時滯系統(tǒng)模型在同時考慮隨機長時延和數(shù)據(jù)包丟失的情況下可將網絡控制系統(tǒng)建模成一個具有隨機時延的時滯控制系統(tǒng)。假設傳感器是時間驅動方式，控制器與執(zhí)行器均為事件驅動方式。,12,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.4.8其他模型除了上述的模型外，有不少研究工作還針對網絡控制系統(tǒng)的特性，提出了一些其他的模型和建模方法。15.5通信約束下的網絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析15.5.1網絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定的通信約束網絡控制系統(tǒng)中由于引入網絡作為傳輸介質，同時網絡作為一個公共使用的信息傳輸信道，在控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時難免會存在通信約束問題，這也是網絡控制系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的一個重要特性。在通信約束情形下，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能都會受到影響，因此控制系統(tǒng)在通信約束下的穩(wěn)定性分析是網絡控制系統(tǒng)分析與綜合過程的重要研究內容。,13,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.5.2量化反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析在經典反饋控制理論中，系統(tǒng)反饋輸出直接被引入到控制器產生控制信號，進一步作用于控制對象，然而在網絡控制系統(tǒng)中，模擬信號在通過網絡信道傳輸之前必須要量化后才能傳輸，因此信號量化在網絡控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用。通過量化器的作用，使得系統(tǒng)實時輸出信號被轉化為有限長度的數(shù)字信號，因而可能會影響系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。量化器按量化方式分主要有兩大類；均勻量化器和非均勻量化器。15.5.3基于狀態(tài)觀測的量化反饋穩(wěn)定性分析考慮到網絡控制系統(tǒng)中狀態(tài)不一定能測量到，因此分析帶有狀態(tài)觀測器的量化反饋控制穩(wěn)定性具有現(xiàn)實意義。假設帶有狀態(tài)觀測器的量化反饋網絡控制系統(tǒng)如圖所示，其中被控對象的狀態(tài)空間模型為,14,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),量化反饋控制系統(tǒng)結構框圖15.6網絡控制系統(tǒng)控制器設計15.6.1控制器設計方法針對網絡誘導的時延，有不少補償控制設計方法，其中延遲整形技術是其中一種。所謂延遲整形是指將網絡上時變的時延通過“整形器”轉化為固定的時延。系統(tǒng)時延經過整形后，控制律的設計問題就轉化為一般的采樣數(shù)據(jù)控制問題。延遲整形方法是研究可變時延條件下NCSs穩(wěn)定性問題的一種簡便方法。,15,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),基于預測的時延補償控制15.6.2隨機最優(yōu)控制技術假設線性隨機控制系統(tǒng)狀態(tài)方程為：LQG最優(yōu)控制問題的性能指標是最小化如下的二次型函數(shù)：,16,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),其中Q00，Q10為非負定的加權矩陣，Q20為正定矩陣。Q0，Q1和Q2分別表示對終端狀態(tài)，狀態(tài)向量和控制輸入向量的加權。運用動態(tài)規(guī)劃方法獲得的最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律為：15.6.3增廣確定控制技術文獻23針對具有周期性時延特性的網絡控制系統(tǒng)提出增廣狀態(tài)的確定性離散時間網絡控制系統(tǒng)模型。15.6.4基于QoS的控制方法在基于QoS(qualityofservice)的控制方法中，控制器的參數(shù)可以根據(jù)當前網絡的負載情況或者網絡的服務質量(QoS)來動態(tài)調整。,17,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),15.6.5魯棒控制方法在網絡控制系統(tǒng)中由于系統(tǒng)本身以及網絡引入往往帶來各種不確定性，采用魯棒控制方法是可以在一定程度上抑制系統(tǒng)不確定性的影響。15.6.6其他控制方法針對網絡控制系統(tǒng)的特點，不少傳統(tǒng)的控制方法，如廣泛應用的PI/PID控制等，經過改進后仍可以運用到網絡控制的環(huán)境中。根據(jù)調度協(xié)議性質的不同，NCSs的調度協(xié)議可分為靜態(tài)調度協(xié)議和動態(tài)調度協(xié)議。,18,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),1)靜態(tài)調度協(xié)議靜態(tài)調度協(xié)議是指在完全已知調度任務全集及其約束信息情況下設計得到的調度協(xié)議。其中有代表性的工作包括速率單調(ratemonotonic,RM)算法及其改進RM算法。主要思想是為每一個周期任務指定一個優(yōu)先級，該優(yōu)先級按照任務周期的長短順序排列，任務周期越短，優(yōu)先級越高。2)動態(tài)調度協(xié)議在動態(tài)調度協(xié)議中，調度任務全集及其約束信息并非完全已知。動態(tài)調度協(xié)議需要根據(jù)調度任務信息來動態(tài)調整調度策略，其中有代表性的工作包括EDF(earliestdeadlinefirst)算法和FCS(feedbackcontrolscheduling)調度。EDF算法將待發(fā)數(shù)據(jù)按其生命周期來分配優(yōu)先級，擁有最近截止期限的任務具有最高的優(yōu)先級。FCS算法則將反饋控制理論與實時調度理論相結合，通過構造基于反饋控制的調度體系結構來解決不可預測環(huán)境下的實時調度問題。,19,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),參考文獻R.S.Rail.Smartnetworksforcontrol.IEEESpectrum,1994,31(6):49-55.G.C.Walsh,Y.Hong,L.G.Bushnell.StabilityAnalysisofNetworkedControlSystems.IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2002,10(3):483-446.D.S.Kim,Y.S.LEE,W.H.KWON,etal.Maximumallowabledelayboundsofnetworkedcontrolsystems.ControlEngineeringPractice,2003,11(11):1301-1313.LingQ,LemmonMD.Softreal-timeschedulingofnetworkedcontrolsystemswithdropoutsgovernedbyaMarkovchain.ProceedingsoftheAmericanControlConference,2003:4845-4850.P.Seiler,R.Sengupta.Anapproachtonetworkedcontrol.IEEETransactionsonAutomaticControl,2005,50(3):356-364.,20,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),A.Sadjadi.Stabilityofnetworkedcontrolsystemsinthepresenceofpacketlosses.ProceedingsofIEEEConferenceonDecisionandControl,2003,1:676-681.岳東,彭晨.HanQL.網絡控制系統(tǒng)的分析與綜合.北京:科學出版社,2007.W.Zhang.StabilityanalysisofnetworkedcontrolsystemD.Cleveland:DepartmentofElectricalEngineeringandComputerScience,CaseWesternReserveUniversity,2001.R.Luck,A.Ray.Anobserver-basedcompensatorfordistributeddelays.Automatica,1900,26(5):903-908.L.A.Montestruque,P.J.Antsaklis.Onthemodel-basedcontrolofnetworkedsystems.Automatica,2003,39(10):1837-1843.,21,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),J.Nilsson.Real-timeControlSystemswithDelaysPh.D.dissertation.Sweden:LundInstituteofTechnology,1998.S.S.HU,Q.X.Zhu.Stochasticoptimalcontrolandanalysisofstabilityofnetworkedcontrolsystemswithlongdelay.Automatica,2003,39(11):1877-1884.H.J.GAO,T.W.CHEN.Network-basedHoutputtrackingcontrol.IEEETransactionsonAutomaticControl,2008,53(3):655-667.W.A.Zhang,L.YU.Outputfeedbackstabilizationofnetworkedcontrolsystemswithpacketdropouts.IEEETransactionsonAutomaticControl,2007,52(9):1705-1710.W.Zhang,M.SBranicky,S.M.Phillips.Stabilityofnetworkedcontrolsystems.IEEEControlSystemMagazine,2001,21(1):84-99.,22,.,第十五章網絡控制系統(tǒng),Y.Tipsuwan,M.Y.Chow.Network-basedcontrolleradaptationbasedonQoSnegotiationanddeterioration.IEEEPress,2001,1794-1799.G.C.Walsh,Y.HongandL,G.Bushenll.Stabilityanalysisofnetworkedcontrolsystems.IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2002,10(3):438-446.J.Nilsson,B.Bemhardsson,B.Wittenmark.Stochasticanalysisandcontrolofreal-timesystemswithrandomtimedelays.Automatica,1998,34(1):57-64.H.Lin,G.S.Zhai,P.Jantasalis.Robuststabilityanddisturbanceanalysisofaclassofnetworkedcontrolsystem.Proceedingsofthe42ndIEEEConferenceonDecisionandControlHawaii,USA:Maui,2003,pp.1182-1187.D.Liberzon.Hybridfeedbackstabilizationofsy