網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與控制

前言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（netwotked control system，NCS）應(yīng)運(yùn)而生。NCS以其資源共享、分布控制、智能維護(hù)等特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化及節(jié)點(diǎn)智能化的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)今，在發(fā)達(dá)國(guó)家盡管基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平取得。顯著進(jìn)展，但網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的技術(shù)體系和理論基礎(chǔ)還沒(méi)有形成。在我國(guó)，研究網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)體系，既是關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)防安全的戰(zhàn)略性需求，也是提升國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)水平、綜合實(shí)力和自主創(chuàng)新能力的重要舉措。深入、系統(tǒng)地研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的科學(xué)問(wèn)題，有助于建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制理論與控制方法，推進(jìn)控制與通信的一體化設(shè)計(jì)進(jìn)程，形成集通信理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)和控制科學(xué)于一體的綜合學(xué)科體系。目前，國(guó)內(nèi)許多高等學(xué)校、科研院所，在網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域的研究已取得豐碩的研究成果。研究領(lǐng)域包括連續(xù)域、離散域和連續(xù)。離散混合域；研究對(duì)象包括線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和廣義系統(tǒng)等；研究問(wèn)題圍繞QOS、QOP或兼顧QOS和QoP的控制與調(diào)度等綜合問(wèn)題；研究?jī)?nèi)容包括控制網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架、各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、NCS建模、穩(wěn)定性分析與控制器設(shè)計(jì)、魯棒控制、觀測(cè)器設(shè)計(jì)、時(shí)延補(bǔ)償控制、數(shù)據(jù)包丟失控制、應(yīng)用層信息調(diào)度方法等。但仍有下面的問(wèn)題有待于進(jìn)一步深入、系統(tǒng)地研究。1）廣義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性分析與控制廣義系統(tǒng)模型存在于大量的實(shí)際控制系統(tǒng)中，廣義系統(tǒng)涵蓋正常系統(tǒng)，并且具有許多正常系統(tǒng)所沒(méi)有的特性，如脈沖特性、無(wú)因果性等。被控對(duì)象為廣義系統(tǒng)的：NCS的控制理論與控制方法將變得更加復(fù)雜。這種系統(tǒng)中包含著廣義系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的雙重特性，廣義系統(tǒng)的脈沖行為和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延、丟包和擾動(dòng)等不確定性因素的相互滲透和耦合，如何消除脈沖行為、克服時(shí)延和丟包對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使系統(tǒng)的控制性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，將是一極大的挑戰(zhàn)。研究廣義被控對(duì)象的NCS的控制理論與控制方法，對(duì)于豐富和完善系統(tǒng)化的控制理論體系具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

內(nèi)容概要

本書(shū)闡述了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；深入研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失產(chǎn)生的原因；建立了針對(duì)不同控制目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型；深入研究了系統(tǒng)的魯棒控制、保性能控制和H控制方法；針對(duì)同時(shí)存在時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失的情況，建立了狀態(tài)反饋和動(dòng)態(tài)輸出反饋網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一模型，研究了系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性和穩(wěn)定條件；深入研究了被控對(duì)象為奇異系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定性分析與控制方法；進(jìn)一步展望了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)尚待研究的問(wèn)題。    本書(shū)主要適合高等院校與科研院所從事網(wǎng)絡(luò)控制研究的教師、科研人員、碩士與博士研究生等閱讀參考。同時(shí)可作為高等院校控制理論與控制工程、系統(tǒng)工程、檢測(cè)與自動(dòng)化、通信工程、信息與計(jì)算科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)與控制論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生、碩士和博士研究生的專業(yè)參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

前言符號(hào)說(shuō)明第1章  緒論　1.1　研究的目的與意義　1.2　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本問(wèn)題　　1.2.1　通信媒體類型及通信協(xié)議　　1.2.2　節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式　　1.2.3　節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步方式　　1.2.4　多采樣率　　1.2.5　網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延　　1.2.6　單包傳輸和多包傳輸　　1.2.7　數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂　　1.2.8　數(shù)據(jù)包丟失　　1.2.9　數(shù)據(jù)濾除和空采樣　　1.2.10　網(wǎng)絡(luò)調(diào)度　　1.2.11  網(wǎng)絡(luò)擁塞　　1.2.12　網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)和服務(wù)質(zhì)量　1.3  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的問(wèn)題、方法與現(xiàn)狀　　1.3.1　控制網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架　　1.3.2　網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法的研究　　1.3.3　NCS建模、穩(wěn)定性與控制器設(shè)計(jì)　　1.3.4　魯棒控制與H2/IH。控制　　1.3.5　觀測(cè)器設(shè)計(jì)　　1.3.6　多包傳輸、數(shù)據(jù)包丟失的研究　　1.3.7　容錯(cuò)控制與故障診斷　　1.3.8　其他問(wèn)題研究　　1.3.9　NCS仿真研究　1.4　NCS需要研究的問(wèn)題　1.5　本書(shū)主要研究成果　參考文獻(xiàn)第2章　控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與時(shí)延特性　2.1　控制網(wǎng)絡(luò)及其分類　2.2　NCS中典型控制網(wǎng)絡(luò)　　2.2.1  以太網(wǎng)　　2.2.2  CAN bus　　2.2.3　TP bus　　2.2.4　工業(yè)以太網(wǎng)　　2.2.5　ATM交換網(wǎng)絡(luò)  2.3　時(shí)延特性　　2.3.1　時(shí)延產(chǎn)生的原因　　2.3.2　時(shí)延特性分析　　2.3.3　時(shí)延對(duì)系統(tǒng)性能的影響  2.4　章末小結(jié)  參考文獻(xiàn)第3章　動(dòng)態(tài)輸出反饋NCS的穩(wěn)定性分析  3.1　動(dòng)態(tài)輸出反饋NCS建?！　?.1.1　NCS描述　　3.1.2　系統(tǒng)建模  3.2　系統(tǒng)穩(wěn)定性分析　　3.2.1　定常時(shí)延NCS穩(wěn)定性　　3.2.2　不確定時(shí)延NCS的魯棒穩(wěn)定性　3.2.　3魯棒控制律存在的條件　3.3  H控制　　3.3.1　H次優(yōu)控制　　3.3.2　H最優(yōu)控制  3.4　基于觀測(cè)器的NCS控制　　3.4.1　狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)　　3.4.2  H狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)　　3.4.3　基于觀測(cè)器的NCS魯棒穩(wěn)定性　3.5  章末小結(jié)　參考文獻(xiàn)第4章　具有控制約束的NCS分析與控制　4.1  有界時(shí)延多輸入多輸出NCS分析與建?！　?.1.1　狀態(tài)反饋　　4.1.2　動(dòng)態(tài)輸出反饋  4.2　時(shí)延相關(guān)穩(wěn)定性  4.3  時(shí)延無(wú)關(guān)穩(wěn)定性  4.4　不確定時(shí)延NCS……第5章　數(shù)據(jù)包丟失NCS分析與控制　第6章　廣義被控對(duì)象的NCS分析與控制　第7章　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論1.1　研究的目的與意義隨著電子、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，智能化傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的誕生奠定了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（networked control system，NCS）的物質(zhì)基礎(chǔ)，高速以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展和成功應(yīng)用解決了NCS的可靠性和開(kāi)放性問(wèn)題，推動(dòng)了NCS在航空航天、設(shè)備制造、過(guò)程控制、交通控制、經(jīng)濟(jì)管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及危險(xiǎn)、特殊環(huán)境等控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用.NCS是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將分布于不同地理位置的傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，形成的一種全分布實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng).控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交換信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程被控對(duì)象的控制.NCS的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程分布控制，系統(tǒng)構(gòu)建模塊化、集成化、成本低，故障診斷和維護(hù)方便、易擴(kuò)展、靈活性強(qiáng).NCS充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化及節(jié)點(diǎn)智能化的發(fā)展趨勢(shì).然而，由于通信機(jī)制與通信協(xié)議的原因，以及網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限且為系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)所共享，當(dāng)傳感器、控制器和執(zhí)行器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時(shí)，往往出現(xiàn)數(shù)據(jù)多路徑傳輸、多包傳輸、數(shù)據(jù)碰撞、網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)連接中斷等現(xiàn)象，這使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不可避免地產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂、數(shù)據(jù)包丟失等問(wèn)題。時(shí)延會(huì)降低控制系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)將使系統(tǒng)失穩(wěn).此外，在NCS中，時(shí)變傳輸周期、多率采樣、節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式、時(shí)鐘同步方式、信息調(diào)度算法、空采樣等，將使閉環(huán)系統(tǒng)的性能結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這些問(wèn)題往往使得NCS喪失定常性、完整性、因果性和確定性，傳統(tǒng)的控制理論和控制方法已不能直接應(yīng)用于NCS的分析和設(shè)計(jì)。必須針對(duì)NCS的不同特性，重新評(píng)估和建立網(wǎng)控制系統(tǒng)的控制理論和控制方法。

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《網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與控制》由科學(xué)出版社出版。

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