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1、华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘摘 要要网络控制系统是随着控制技术、网络通信技术以及计算机技术的发展逐渐发展起来的一门新兴学科，它是通过控制网络实现闭环控制回路的反馈控制系统。网络控制系统具有系统连线少、可靠性高、结构灵活、易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等优点。然而，由于通信网络的介入，会产生一些新的问题，如网络诱导时延，数据包丢失，网络调度等，都会使得控制系统的分析和综合更为复杂。本文分别对网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统进行了分析和研究。针对网络诱导时延，本文分别对时延小于和大于一个采样周期的系统进行了分析，当
2、时延小于一个采样周期时，建立离散模型，利用鲁棒控制理论对不确定时延网络控制系统的稳定性进行了分析研究，基于 LMI，给出了系统渐进稳定的条件，同时对控制器进行了设计。当时延大于一个采样周期时，利用切换理论知识建立切换控制模型，并分析了系统稳定性，得出了系统渐进稳定的充分条件，并设计了切换控制率，通过数值仿真验证结论的正确性。针对网络控制系统中数据包的丢失，本文利用异步动态系统理论，对系统进行了数学建模，并讨论闭环系统的稳定性，给出了系统指数稳定的充分条件。最后对全文进行了总结，指出了下一步需要研究的工作，对网络控制系统的未来进行了展望。关键词关键词：网络控制系统，切换系统， 鲁棒控制，线形矩阵
3、不等式，网络诱导时延，数据包丢失华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IIAbstractThe network control system is an emerging discipline which along with the controltechnology, the network communication as well as the computer technology development,which is feedback control system wherein the control loops are
4、 closed through a controlnetwork. The advantages of NCSs are reduced system wiring, ease of maintenance anddiagnosis, and increased system agility. However, the insertion of the communicationnetwork in the feedback control loop , some new issue such an networked induced time-delay,network packets dr
5、opping and network scheduling appear, which all make the analysis anddesign of an NCS complex. In this thesis we studied stabilization of NCSs when inducedtime-delay and network packets dropping are considered.Aiming at a class of NCSs with time-delay, we studied short time delay NCS and longtime de
6、lay NCS separately. When time delay shorter than one sample period ，the discretemodel of NCS was given. Based on the Lyapunov function, robust control theory and theLinear Matrix inequalities, the sufficient condition for the uncertain NCS which is subject tothe asymptotic stability was derived. The
7、 design approach of the controller is given. Whentime delay longer than one sample period，based on switched theory, the switched model wasgiven, and stability was investigated. Aiming at a class of NCSs with data packet dropout, themodel as an Asynchronous Dynamical Systems was given, the sufficient
8、 condition for theexponential stability of the NCS with fixed data packet rate is derived.Last, the summary of the thesis, the future work to be investigated, and the prospect ofNCSs are presented.Keywords: NCSs, Switched system, Robust stability, LMI, Networked induced time-delay,Packets dropping.华
9、 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文11 绪绪 论论1.1 引言引言人类社会是不断向前发展的，促使这种发展最大的动力莫过于人类的创造力，人类利用自己这种特有的能力在改造着自然，同时也在不断改变着人类社会和人们的思维方式。正是由于人类在自身发展过程中不断的创造和探索，特别是随着科学技术的不断发展，这种变革的速度也越来越快。现在科技的进步日新月异，各种新技术不断涌现1-3，网络控制系统(NetworkedControl Systems, NCS)4-7是最近几年随着控制技术、计算机技术、通信网络技术发展起来的，是控制系统新的发展方向，是复杂大系
10、统控制和远程控制系统的客观需求。传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智能化为通信网络在控制系统更深层次的应用提供了必需的物质基础，同时通信网络的管理和控制也要求更多地采用控制理论技术和策略，而高速以太网和现场总线技术的发展和成熟解决了网络控制系统自身的可靠性和开放性问题，这都使得网络控制系统发展更具有现实性。使用专用或公用计算机网络代替传统控制系统的点对点控制结构，实现传感器、控制器、执行器等系统组件之间的控制信息互相传递。在这样的控制系统中，检测、控制、协调和指令等各种信息都可通过公用数据网络进行传输，而估计、控制和诊断等功能也可以在不同的网络节点中分布执行。NCS 广泛应用于汽车工业、制
11、造业、交通管理与控制、机器人远程操作8-10 、高级的航天航空器和电气化运输工具11等各种应用中。网络控制系统是在控制回路中嵌入了网络，使系统中的各种信息通过网络来进行传输，从而使得控制系统有了新的特性。与传统的控制系统相比，在网络控制系统中嵌入了网络，实现了资源共享，使各种远程操作和控制成为可能，减少了系统的连接，降低了成本12，使系统容易诊断维护，增加了系统的灵活性和可靠性。另外，使用无线网络技术还可以实现控制系统的无线网络控制，这都是传统控制系统无法实现的。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2然而，在网络控制系统中由于通信网络的介
12、入，使得控制系统的分析和综合更为复杂。首先，由于控制系统的信息在网络中传输，网络调度是一个很重要的问题，怎么让时间同步，避免网络堵塞，减少网络中的冲突，能有效的利用网络。其次，由于网络控制系统中存在网络诱导时延，它是随机的，可能是定长的，也可能是时变的，这种时延可能会降低系统的性能，甚至导致系统的不稳定，其次，在网络中传输的数据包还可能在传输中丢失，在多包传输中可能有数据包乱序等问题，这也是导致系统性能下降甚至不稳定的因素。1.2 网络控制系统发展概述网络控制系统发展概述1.2.1 网络控制系统的发展背景网络控制系统的发展背景网络控制系统随着计算机控制和网络技术的发展而成长起来的。电子计算机和
13、网络通信技术的发展以及控制和管理要求的不断提高，使得控制系统正由 封闭的集中式体系向开放分布式体系发展。控制系统就是通过系统中各部分元件的信息传输与反馈来达到控制效果的。在控制系统发展初期，由于技术上的限制，控制系统采用一种封闭结构。20 世纪 80 年代后期与 90 年代，计算机网络广泛进入自动控制领域。一般而言，这是大型的、复杂的系统，除了实现最基本的控制功能外，它往往还具有信息处理、管理 、决策等功能，故统称为网络化系统。当前网络化系统已成为国内外控制领域中的研究热点。可以预计，未来的几十年中，网络化控制系统必将深刻的影响和推动着控制理论及其应用的发展。第一代将网络化环境与控制功能相结合
14、的系统形式称谓的分布式控制系统（DCS）。DCS 的一般结构概图如图 1.1 所示华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3图 1.1 分布式控制系统结构示意图最早出现的 DCS系统是 Honeywell 公司 1975年开发的 TDC-2000系统。在 DCS系统中，现地工作站、操作员站以及一些其它辅助工作站等功能不同的计算机通过通信网络实现互连，共同分担系统的工作。其中现地工作站主要用于过程控制，操作员站用于操作员监视过程控制的情况，其它辅助工作站主要用于数据记录、系统优化等功能。然而，在 DCS 系统中各个控制单元之间只是一种“松散”的
15、连接关系，这是因为绝大部分基本的控制任务(传感器采集、控制律计算、控制输出执行等)均在各个现地工作站上独立完成，用于控制的实时信号并未经过网络进行传输。在 DCS 系统中，仅仅只有一些简单的开关信号、报警信息、监视信息等通过网络共享。上世纪 90 年代以来，微芯片的发展日新月异，其价格也逐日降低，同时网络技术在人们的生产、生活中广为使用，这一切都为发展网络化的控制系统提供了良好的契机。时至今天，基于现场总线等控制网络的网络控制系统(Networked Control Systems简称 NCSs)已在各行各业得到了广泛的应用。网络控制系统的典型结构与信息流一般如下图所示(其中虚线表示实时控制信
16、息的传输)：传感器被控对象执行器传感器执行器现地工作站现地工作站操作员站辅助工作站华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4图 1.2 网络控制系统典型结构图由上图可以看出，网络控制系统在结构上与分布式控制系统的最大区别是：传感器、执行器和控制器离散地分布于广阔的空间之中，它们之间的信息交流通过控制网络(Control Network)实现，而在 DCS 系统中，使用一个现地控制站管理所有这些内容。NCSs 中用以传递实时控制信息的纽带为控制网络，一般认为控制网络具有不同于通常的数据网络的特点，为适应控制任务的需求它们的实时性要大大强于普通的数据网络。1.2.2 控制网络控制网络在网络控制系统中，用于各种数据与控制信息传递的通信网络，我们称之为控制网络（Control Network），它是网络控制系统中的桥梁和枢纽，使系统间各部件成为一个有机整体。而一般用于数据信息的传送的网络称为数据网络。控制网络与数据网络相比，控制网络主要用于生产生活设备的控制，对生产过程进行状态检测，监视和控制
