基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)分析與綜合

內(nèi)容概要

　　本書系統(tǒng)地介紹作者和國內(nèi)外學(xué)者在基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)分析與綜合方面的研究成果。全書共7章，內(nèi)容涉及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，控制理論、圖論和區(qū)間系統(tǒng)的相關(guān)理淪知識，基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)能控性與能觀性分析，基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)建模、分析與控制，以及基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)分析與控制的圖論方法。
　　本書主要讀者對象為高等院校和科研院所從事網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的教師、科研人員、博士和碩士研究生等。本書同時(shí)可作為高等院?？刂评碚撆c控制工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、系統(tǒng)工程、機(jī)械工程與自動化、信息與計(jì)算科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)與控制論等相關(guān)專業(yè)的高年級本科生、碩士和博士研究生的專業(yè)參考書。

書籍目錄

前言
第1章 緒論
1.1 引言
1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
1.2.2 輸入受限
1.2.3 控制方法
1.2.4 能控性與能觀性
1.2.5 多輸人多輸出
1.2.6 有限傳輸
1.2.7 變采樣
1.2.8 量化問題
1.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的重要問題
1.3.1 具有時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失的NCSs的分析與控制
1.3.2 具有時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失補(bǔ)償?shù)腘CSs優(yōu)化控制
1.3.3 具有錯(cuò)序的NCSs優(yōu)化控制
1.3.4 NCSs的能控性與能觀性
1.3.5 輸入受限的NCSs控制與優(yōu)化
1.3.6 非線性NCSs的穩(wěn)定性分析與控制
1.3.7 多輸人多輸出NCSs
1.3.8 NCSs的有限傳輸
1.3.9 NCSs的仿真
1.4 本書主要研究成果
參考文獻(xiàn)
第2章 預(yù)備知識
2.1 控制理論基本概念
2.2 圖論基本概念及符號說明
2.3 區(qū)間系統(tǒng)基本概念及符號說明
2.4 引理
2.5 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第3章 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)能控性與能觀性分析
3.1 問題描述
3.2 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)能控性分析
3.3 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)能觀性分析
3.4 算例仿真
3.5 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第4章 具有時(shí)延和丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模與控制
4.1 具有時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失的NCSs建模
4.1.1 問題描述
4.1.2 系統(tǒng)建模
4.1.3 算例仿真
4.2 具有飽和非線性約束的NCSs魯棒H∞控制
4.2.1 問題描述
4.2.2 穩(wěn)定性分析與控制器設(shè)計(jì)
4.2.3 算例仿真
4.3 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第5章 具有丟包補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)H∞控制
5.1 具有任意時(shí)延和丟包補(bǔ)償?shù)腘CSsH∞控制
5.1.1 問題描述
5.1.2 H∞控制
5.1.3 算例仿真
5.2 具有丟包補(bǔ)償和markov跳變參數(shù)的NCSsH∞控制
5.2.1 問題描述
5.2.2 H∞控制
5.2.3 算例仿真
5.3 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第6章 具有數(shù)據(jù)包錯(cuò)序的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)H∞控制
6.1 具有錯(cuò)序和長時(shí)延的NCSs建模與鎮(zhèn)定
6.1.1 問題描述
6.1.2 穩(wěn)定性分析與控制器設(shè)計(jì)
6.1.3 算例仿真
6.2 具有錯(cuò)序的NCSsH∞控制
6.2.1 問題描述
6.2.2 H∞控制器設(shè)計(jì)
6.2.3 算例仿真
6.3 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第7章 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制：圖論理論
7.1 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的圖理論
7.1.1 問題描述
7.1.2 穩(wěn)定性判據(jù)及控制器設(shè)計(jì)
7.1.3 算例仿真
7.2 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的控制系統(tǒng)區(qū)間穩(wěn)定的圖理論
7.2.1 問題描述
7.2.2 穩(wěn)定性判據(jù)及控制器設(shè)計(jì)
7.2.3 算例仿真
7.3 基于網(wǎng)絡(luò)QoS的一類網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)區(qū)間穩(wěn)定的圖理論
7.3.1 問題描述
7.3.2 穩(wěn)定性判據(jù)及控制器設(shè)計(jì)
7.3.3 算例仿真
7.4 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
附錄 符號描述

章節(jié)摘錄

第1 章 緒  論 1.1  引  言 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（networked control systems ， NCSs）是通過一系列的通信信道構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，同時(shí)具備信號處理、優(yōu)化決策和控制操作的功能［1 ， 2］ 。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸能力和負(fù)載能力的飛速提高及網(wǎng)絡(luò)共享資源的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)迎合了工業(yè)、醫(yī)療和交通等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低成本、節(jié)能、高效和智能化發(fā)展的迫切需要，被迅速應(yīng)用到上述領(lǐng)域［ 1 ］ 。鑒于網(wǎng)絡(luò)QoS 不可避免會對控制系統(tǒng)性能造成影響，為保證可靠、實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信，降低能耗，獲得較高的控制性能指標(biāo)，有必要采用先進(jìn)的控制理論方法，研究基于網(wǎng)絡(luò)QoS 的控制系統(tǒng)分析與綜合。 早在Walsh［3 ］ 的論著中就已經(jīng)出現(xiàn)了NCSs 的圖示，隨后Murray 和Astrom等［4］ 提出了NCSs 的概念。我國NCSs 的研究開始于21 世紀(jì)初現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用［5］ 。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以其良好的性能優(yōu)點(diǎn)，被迅速應(yīng)用到復(fù)雜的工業(yè)控制域，如直流電（direct current ，DC）控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)、機(jī)器人遙控操作、裝備制造業(yè)、智能交通系統(tǒng)和虛擬制造等領(lǐng)域［6］ 。近年來，P roceedings o f theIEEE［7］ 、I EEE T ransactions on A utomatic Control［8］ 和.信息與控制.［ 9］ 等國內(nèi)外各大雜志相繼出版了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)專刊。.信息與控制.?？到y(tǒng)、全面地刊登了國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的新成果，內(nèi)容涵蓋模糊卡爾曼濾波、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、PID 控制、廣義預(yù)測控制、多包傳輸和性能優(yōu)化等。科學(xué)出版社于2007 年出版了普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).［5］ 以及.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與綜合.［1］ 專著。東北大學(xué)張慶靈教授編著的.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).一書，系統(tǒng)地介紹了NCSs 的發(fā)展歷程、系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)以及性能優(yōu)化等問題。國內(nèi)外重要的學(xué)術(shù)雜志（如A utomatica 、I EEE T ransaction on A utomaticControl 、International Journal o f Control 、自動化學(xué)報(bào)、控制理論與應(yīng)用等）和會議（如The International Federation of Automatic Control 、IEEE World Congresson Intelligent Control and Automation 等）報(bào)告了大量網(wǎng)絡(luò)控制方面的研究成果。Tipsuwan 和Chow［10］ 于2003 年總結(jié)了NCSs 的控制方法。Yang［1 1］ 于2006 年對文獻(xiàn)［10］給予了更新和補(bǔ)充，給出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一般框架，同時(shí)評論了NCSs 對大系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域的影響。文獻(xiàn)［6］的內(nèi)容是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、采樣和系統(tǒng)構(gòu)造等問題，就NCSs 的估計(jì)、分析、控制綜合等方面，總結(jié)最新研究成果?？傊?，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外控制界研究的熱點(diǎn)。 與正常系統(tǒng) x? ＝ f（ x ，u ，t） y ＝ g（ x ，u ，t）（1.1） 相比，NCSs 中增加了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包錯(cuò)序、抖動和網(wǎng)絡(luò)擁塞等不確定因素，這使得系統(tǒng)的分析與控制較正常系統(tǒng)復(fù)雜，由此增加了研究的困難。關(guān)于正常系統(tǒng)的一些結(jié)果已經(jīng)不適用于NCSs ，需要重新研究NCSs 的分析與控制，保證并提高網(wǎng)絡(luò)QoS ，優(yōu)化系統(tǒng)性能。在研究NCSs 的初始階段，一般分開考慮網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失。往往假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延變化率很小或?yàn)槌r(shí)延［12 ，13 ］ 。然而，NCSs 的實(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延常常是時(shí)變的、不確定的［ 2］ ，很多學(xué)者開始研究具有時(shí)變或不確定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCSs 的分析與控制。由假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延為時(shí)變短時(shí)延（網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延小于一個(gè)采樣周期）［2 ，14～17］ 發(fā)展到任意時(shí)延（網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延大于等于或小于一個(gè)采樣周期）［18～20］ 。Zhang［2］ 開始用開關(guān)表示數(shù)據(jù)包丟失與否，將具有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模為異步動態(tài)系統(tǒng)（asynchronous dynamic systems ，ADS） ，給出系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的條件，討論系統(tǒng)的衰減率。隨后，掀起了關(guān)于同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失、以及對時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與控制的研究的高潮［21～24］ 。這些理論成果為后繼的研究奠定了理論基礎(chǔ)，使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)理論初現(xiàn)輪廓。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究日益細(xì)化，很多文獻(xiàn)假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失服從Markov 鏈或某種概率分布，基于隨機(jī)理論設(shè)計(jì)控制器［25～30］ 。近年來，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究呈現(xiàn)多元化、復(fù)雜化、實(shí)際化發(fā)展趨勢，更多學(xué)者開始研究網(wǎng)絡(luò)QoS 、量化、有限傳輸、變采樣周期等問題。 目前，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究日益深入，研究對象包括連續(xù)系統(tǒng)［2 ，15～1 7］ 、離散系統(tǒng)［31～34］ 和混雜動態(tài)系統(tǒng)［2 ，18～22 ，35］ 等，但對于非線性系統(tǒng)、區(qū)間系統(tǒng)的研究還鮮見報(bào)道；研究內(nèi)容包括系統(tǒng)建模［3 6～39］ 、穩(wěn)定性分析［40～42］ 、保性能控制［43～45］ 、H ∞控制［19 ，20 ，27］ 和故障診斷［23 ，46～49］ 等，但具有錯(cuò)序的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模以及性能優(yōu)化的研究還不成熟；研究方法包括確定性控制、隨機(jī)控制、智能控制和切換系統(tǒng)控制等，上述方法一般應(yīng)用Lyapunov 函數(shù)，得到保證系統(tǒng)穩(wěn)定或具有一定性能指標(biāo)的線性矩陣不等式（linear matrix inequalities ，LMIs） 條件，而應(yīng)用圖論方法設(shè)計(jì)NCSs 控制器的文獻(xiàn)還未見報(bào)道。NCSs 的研究一般包括兩類，一類是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的系統(tǒng)分析與控制；另一類是系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的控制［10］ 。本書研究的是前者。由于網(wǎng)絡(luò)作為控制系統(tǒng)的傳輸媒介，一些非理想因素，如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包錯(cuò)序等現(xiàn)象不可避免，這使得控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。那么在網(wǎng)絡(luò)存在非理想因素的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究重點(diǎn)為：一是在現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)計(jì)合理的控制器保持系統(tǒng)穩(wěn)定并且具有較好的性能指標(biāo)；二是設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、丟包、錯(cuò)序等因素對系統(tǒng)性能的影響，不僅鎮(zhèn)定系統(tǒng)而且使系統(tǒng)具有較好的性能指標(biāo)。本書正是在上述思想的指導(dǎo)下，研究NCSs 的控制與優(yōu)化的，因此具有一定的理論和實(shí)際意義。 1.2  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)外學(xué)者對具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包丟失補(bǔ)償、數(shù)據(jù)包錯(cuò)序、控制輸入受限的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，以及非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究已取得了一系列的成果。下面具體介紹。 1.2.1  基于網(wǎng)絡(luò)QoS 的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 1. 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失 1） 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延 多種信息源共享網(wǎng)絡(luò)資源，而網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力和通信帶寬有限，信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象不可避免，這使得網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失必然存在。如圖1.1 所示，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延包括傳感器唱控制器時(shí)延τksc 、控制器唱執(zhí)行器時(shí)延τkca 以及控制器執(zhí)行運(yùn)算產(chǎn)生的時(shí)延τkc 。一般情況下，τkc 遠(yuǎn)小于τksc 和τkca ，所以經(jīng)常并入τksc 和τkca中［5］ 。網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議相關(guān)，可能是固定的，也可能是時(shí)變的，甚至是任意的［2］ ；可能是短時(shí)延，也可能是長時(shí)延。針對網(wǎng)絡(luò)中存在時(shí)延的情況，對系統(tǒng)進(jìn)行分析與控制，一般需要對傳感器、控制器以及執(zhí)行器的驅(qū)動方式做假定。文獻(xiàn)［50］ 、［51］考慮傳感器和控制器均為時(shí)鐘驅(qū)動，執(zhí)行器為事件驅(qū)動；文獻(xiàn)［52］ 、［53］建立了節(jié)點(diǎn)對象全為時(shí)鐘驅(qū)動的長時(shí)延NCSs 閉環(huán)模型；文獻(xiàn)［54］中假定傳感器為時(shí)鐘驅(qū)動，控制器和執(zhí)行器均為事件驅(qū)動，建立了連續(xù)+ 離散的NCSs閉環(huán)模型。文獻(xiàn)［25］～［27］提出時(shí)間、事件驅(qū)動方式。長時(shí)延的NCSs 中執(zhí)行器最好為事件驅(qū)動，控制器最好為事件驅(qū)動，以便被控對象能夠獲得更多的控制信息，系統(tǒng)具有良好的性能指標(biāo)。下面介紹幾種處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的方法。 （1） 固定時(shí)延方法 在實(shí)際控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延通常是時(shí)變的、不確定的。在現(xiàn)存的文獻(xiàn)中，將時(shí)變時(shí)延轉(zhuǎn)化為固定時(shí)延是處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的一種方法［24 ，55～57］ ，即通過設(shè)置緩沖區(qū)的方法，將不確定時(shí)延轉(zhuǎn)化為固定時(shí)延。該方法容易系統(tǒng)建模與分析，但是這種做法可能使網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延加大，從而降低NCSs 的性能，增加結(jié)果的保守性。 （2） 隨機(jī)方法 針對時(shí)變或不確定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，Nilsson 等［ 58］ 采用隨機(jī)控制方法，即假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延服從某種概率分布，將NCSs 建為隨機(jī)系統(tǒng)模型，進(jìn)行分析與控制。針對狀態(tài)信息完全能觀和部分能觀兩種情況，文獻(xiàn)［28］給出網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延長于一個(gè)采樣周期的優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)方案。但是，文獻(xiàn)［28］ 、［58］沒有討論控制輸入變化時(shí)刻的概率分布，很難推導(dǎo)優(yōu)化控制律。Ma 和Fang［25］ 討論了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的Markov 特征，設(shè)計(jì)優(yōu)化控制器。文獻(xiàn)［59］引入?yún)^(qū)間劃分的伯努利分布序列，基于隨機(jī)理論，研究了NCSs 的均方穩(wěn)定性。 （3） 魯棒方法 目前很多文獻(xiàn)采用魯棒方法處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延問題。根據(jù)矩陣?yán)碚摚墨I(xiàn)［14］針對網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延小于一個(gè)采樣周期的情況，將NCSs 建模成參數(shù)不確定時(shí)滯系統(tǒng)，進(jìn)而研究了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［60］考慮時(shí)延的影響，通過等效變換將時(shí)延和采樣周期的不確定性轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，從而將NCSs 建模為一類具有參數(shù)不確定性的離散時(shí)滯系統(tǒng)，并給出系統(tǒng)D唱穩(wěn)定的控制器設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)NCSs 的控制與調(diào)度協(xié)同設(shè)計(jì)。分解網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延為固定和時(shí)變兩個(gè)部分［31 ，61 ，62］ ，或假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延屬于某個(gè)區(qū)間［34］ ，建模NCSs 為參數(shù)不確定系統(tǒng)。 很明顯，由于網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延受限，文獻(xiàn)［31］ 、［34］ 、［61］ 、［62］的方法存在一定的保守性。 （4） 時(shí)滯方式 研究具有任意網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCSs ，文獻(xiàn)［18］～［20］ 、［35］考慮連續(xù)系統(tǒng)和離散控制器，將NCSs 建成連續(xù)+ 離散系統(tǒng)模型，基于先進(jìn)的時(shí)滯理論研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和H ∞ 控制問題。 （5） 時(shí)延切換方法 假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延屬于某個(gè)區(qū)間，將區(qū)間等劃分，把NCSs 建成切換系統(tǒng)［63 ，64 ］ ，進(jìn)而研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)。但此種方法隨著劃分區(qū)間的增多，計(jì)算復(fù)雜性會增大。 最大允許網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延界（ MADB） ，即保證系統(tǒng)穩(wěn)定的信號從傳感器采樣時(shí)刻至執(zhí)行器將信號輸出到被控對象時(shí)刻的最大時(shí)間間隔［17 ，65］ 。文獻(xiàn)［2］ 、［17］ 、［65］給出短時(shí)延的NCSs 的最大MADB 計(jì)算方法；文獻(xiàn)［27］ 、［54］研究了具有多步時(shí)滯的NCSs 的MADB 問題。 2） 數(shù)據(jù)包丟失 NCSs 中數(shù)據(jù)包的丟失可能有以下幾種情況［ 5］ ：在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中由于存在數(shù)據(jù)傳輸沖突和節(jié)點(diǎn)失敗，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失；大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)具有重新傳輸?shù)臋C(jī)制，但因?yàn)橛袝r(shí)間限制，若超過限定的時(shí)間，數(shù)據(jù)包仍然會丟失；數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中發(fā)生錯(cuò)誤，則被控制器節(jié)點(diǎn)丟棄；傳感器節(jié)點(diǎn)競爭數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)時(shí)，超過了協(xié)議允許的重發(fā)次數(shù)（時(shí)間）或者采樣周期，傳感器節(jié)點(diǎn)放棄本次發(fā)送。近年來，對于NCSs 數(shù)據(jù)包丟失的研究已有一些成果。處理NCSs 中數(shù)據(jù)包丟失的問題，一般采用ADS方法和Markov 跳變系統(tǒng)方法。文獻(xiàn)［2］在考慮狀態(tài)反饋以及網(wǎng)絡(luò)僅存在于傳感器和控制器之間的情況下，將有數(shù)據(jù)包丟失的NCSs 建模為異步動態(tài)系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的最大數(shù)據(jù)包丟失率和系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)及閉環(huán)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，但沒有考慮網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延。文獻(xiàn)［66］考慮傳感器唱控制器、控制器唱執(zhí)行器之間均存在網(wǎng)絡(luò)的情況，將有數(shù)據(jù)包丟失的NCSs 建模為有事件率約束的異步動態(tài)系統(tǒng)，研究了由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)事件率約束的指數(shù)穩(wěn)定性，并結(jié)合線性矩陣不等式和遺傳算法，提出系統(tǒng)二次穩(wěn)定的方案。文獻(xiàn)［67］分析了具有數(shù)據(jù)包丟失的NCSs 穩(wěn)定性。Ishii［6 8］考慮傳輸渠道具有任意數(shù)據(jù)包丟失的情況，研究保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最大丟包率。文獻(xiàn)［29］ 、［69］將具有數(shù)據(jù)包丟失的NCSs 建成Markov 跳變系統(tǒng)，給出系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。文獻(xiàn)［70］考慮數(shù)據(jù)包丟失，把NCSs 建模為兩個(gè)事件的異步動態(tài)系統(tǒng)。 然而，上述文獻(xiàn)中，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失是分離的。在實(shí)際的NCSs 中，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失常常是共同存在的。文獻(xiàn)［65］ 、［71］同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失問題，提出新的NCSs 模型，目的是設(shè)計(jì)控制器。 2. 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和丟包補(bǔ)償 網(wǎng)絡(luò)傳輸中時(shí)延和數(shù)據(jù)包的丟失對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響，會降低系統(tǒng)性能指標(biāo)。為解決這一問題，在現(xiàn)有文獻(xiàn)中一般采用估計(jì)和預(yù)測方法。 （1） 狀態(tài)觀測器估計(jì)方法 文獻(xiàn)［72］設(shè)計(jì)了一種可以對隨機(jī)時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)觀測器，該狀態(tài)觀測器可以實(shí)現(xiàn)對噪聲的濾波處理，研究了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［73］在執(zhí)行器接收端設(shè)置寄存器，以整數(shù)倍的傳感器采樣速率讀取采樣信號，并計(jì)算控制量，從而使采樣信號得到最優(yōu)利用，進(jìn)而在一定程度上減小了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延。文獻(xiàn)［74］針對任意網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，提出補(bǔ)償方案，給出系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。文獻(xiàn)［75］為數(shù)據(jù)包丟失提出補(bǔ)償方案，根據(jù)是否丟包設(shè)計(jì)開環(huán)估計(jì)和閉環(huán)估計(jì)，并且分析了穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［76］通過運(yùn)用被控系統(tǒng)的近似模型，提出對網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失的聯(lián)合估計(jì)和補(bǔ)償方法，進(jìn)而分析了這一系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性。然而，文獻(xiàn)［76］假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延小于一個(gè)采樣周期。其他參見文獻(xiàn)［77］ 、［78］ 。 （2） 預(yù)測器方法 文獻(xiàn)［79］提出提前p 步預(yù)測方法，允許系統(tǒng)有連續(xù)p-1 個(gè)數(shù)據(jù)包丟失。文獻(xiàn)［80］提出基于預(yù)測控制器和時(shí)延補(bǔ)償器的控制方法，對系統(tǒng)進(jìn)行分析與控制。隨后，文獻(xiàn)［81］提出切換預(yù)測系統(tǒng)，基于隨機(jī)理論分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［82］引入基于網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型控制策略，將時(shí)延序列包封包同時(shí)傳輸給被控對象。文獻(xiàn)［83］提出事件驅(qū)動方式的NCSs 預(yù)測模型，根據(jù)系統(tǒng)輸出設(shè)計(jì)預(yù)測方案，改進(jìn)文獻(xiàn)［82］中的方法。文獻(xiàn)［84］給出具有任意有界時(shí)延的NCSs 預(yù)測控制方法，進(jìn)而給出穩(wěn)定性判據(jù)。文獻(xiàn)［85］采用多信道傳輸方式，彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失對系統(tǒng)性能的影響，并給出H ∞ 控制器設(shè)計(jì)方案。 3. 數(shù)據(jù)包錯(cuò)序 數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)序已經(jīng)是現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用中的一個(gè)普遍現(xiàn)象。數(shù)據(jù)包錯(cuò)序?qū)Χ藢Χ说挠脩粜阅苡兄鴩?yán)重的影響，導(dǎo)致用戶終端和網(wǎng)絡(luò)無效資源的利用［86］ 。文獻(xiàn)［87］給出基于網(wǎng)絡(luò)辨識的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，針對實(shí)際工業(yè)模型仿真，表明辨識器端的錯(cuò)序會導(dǎo)致無錯(cuò)序情況下設(shè)計(jì)的控制器失效，控制輸出不收斂。因此，有必要研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的錯(cuò)序問題。目前，對網(wǎng)絡(luò)傳輸中錯(cuò)序問題的研究剛剛起步。在文獻(xiàn)［87］中，控制單元與整定單元地理上分離，控制系統(tǒng)的整定回路是通過網(wǎng)絡(luò)（或總線）閉環(huán)，為解決錯(cuò)序問題，通過設(shè)置緩存將時(shí)延放大到最大時(shí)延以便消除錯(cuò)序。但是，此方法具有很大的保守性，并且未考慮傳感器唱控制器、控制器唱執(zhí)行器的時(shí)延。在文獻(xiàn)［88］中，引入數(shù)據(jù)包的有效到達(dá)時(shí)刻和等效到達(dá)時(shí)刻的概念，通過對數(shù)據(jù)包的實(shí)際到達(dá)時(shí)刻等效化處理，建立數(shù)據(jù)包錯(cuò)序情況下的NCSs 模型。然而，沒有在建立模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制器設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)［62］ 、［65］ 、［89］在傳感器端設(shè)置時(shí)間戳，執(zhí)行器接收端根據(jù)時(shí)間戳拋棄錯(cuò)序包，以便使系統(tǒng)獲得最新數(shù)據(jù)信息。文獻(xiàn)［65］ 、［89］又給出丟包的補(bǔ)償方案，進(jìn)一步研究了系統(tǒng)的H ∞ 控制問題。但是，文獻(xiàn)［62］ 、［65］ 、［89］并未對網(wǎng)絡(luò)中存在數(shù)據(jù)包錯(cuò)序現(xiàn)象給予明確描述，并且文獻(xiàn)［62］假定網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延由固定和時(shí)變兩個(gè)部分組成，每個(gè)采樣周期最多兩個(gè)控制輸入作用被控對象。顯然，此方法存在一定的保守性。文獻(xiàn)［54］ 、［90］綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，有無數(shù)據(jù)包丟失和錯(cuò)序等問題，研究時(shí)延與采樣周期的選擇、丟包率等控制與調(diào)度協(xié)作問題。

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