网络化控制系统研究综述_692

网络化控制系统研究综述_692网络化控制系统研究综述摘要:综述了网络化控制系统的研究现状，阐述了国内外学者从控制和信息调度角度对网络化控制系统进行稳定性分析、控制器设计、状态估计器设计以及基于模型的故障诊断和容错控制等方面的研究进展;在此基础上分析了网络化控制系统亟待解决的问题并展望了以后的研究方向。

关键词:网络化控制系统;稳定性分析;控制器设计;调度;故障诊断Survey on Status of Networked Control SystemsZHANG Wen-xia YUAN JianAbstract: The state- of- arts of NCS (Networked Control Systems) is surveyed firstly, and then some advances onstability, controller design, state estimator, and model- basedfault-diagnosis and fault-tolerant control and so on from control and scheduling are introduced in this paper. Last the demanding problems on NCS and future research fields are provided. Keywords: Networked Control Systems; stability analysis;controller design; scheduling; fault diagnosis1 引言网络化控制系统NCS(Networked Control Systems),又称集成通讯与控制系统ICCS(Integrated Communication and Control System)，最早可见于Ray A.等人发表的论文中。

一般认为ICCS是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，是将控制系统的传感器、控制器、执行器等单元通过通讯网络连接起来形成闭环的分布式控制系统。

其涵盖了两方面的内容:系统节点的分布化和控制回路的网络化。

这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护等优点，但由于网络中的信息源很多，信息的传送药分时占用网络通讯资源，而网络的承载能力和通讯带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得数据在传输过程中不可避免地存在时延。

时延由于受到网络所采用的通讯协议、负载状况、网络速率以及数据包大小等情况到影响，呈现出或固定或随机，或有界或无界的特征，从而导致控制系统性能下降甚至不稳定，也给控制系统的分析和设计带来困难。

网络给NCS带来的主要问题包括:时延采样时刻和执行器响应时刻间出现了不可忽略的滞后;在某时间间隔内存在于时间相关的抖动;由于数据包在网络中传输发生丢失或冲突，导致时延增大甚至系统失稳。

NCS的性能不仅依赖于控制策略及控制律器的设计，而且受到网络通讯和网路资源的限制。

信息调度应尽可能避免网络中信息的冲突和拥塞现象的发生，从而大大提高网络化控制系统的服务性能。

大量的国内外文献从不同角度对网络控制系统的分析和设计以及信息调度等方面进行了研究。

2 问题描述NCS结构图可以用图1来表示，与传统的点对点控制系统比较，通讯网络给NCS系统带来的问题为:图1网络化控制系统结构图Fig. 1 A schematic diagram for an NCS1) 控制时延是某个采样时刻和对应的执行期响应时刻之差。

从控制的角度看，时延将导致向卫滞后，恶化系统性能，从信息调度的角度看，时延将使信息不能准时到达，丢失截止期，甚至带来不可预料的通讯多米诺效应。

2) 抖动是在任何特定的时间间隔，与时间相关的、突然的、乱真的变化，可以看成一种突发性的故障;表现为控制周期的抖动，时延抖动，采样抖动;从调度的角度看，抖动表现为输出抖动，队列抖动，截止期抖动等。

3) 瞬态误差是控制信号在网络中传输时发生丢失或冲突而产生的，会使数据和通讯时延加剧，时序采样值不能准时到达，产生空采样问题以及样本数据拒绝问题。

图 2 单回路控制系统结构示意图Fig. 3 structure chart of single-loop control system图 3 采样时序图Fig. 3 sample timing3 NCS的假设与模型针对网络的可变因素，目前的假设主要集中在以下方面:1) 驱动方式的假设传感器都是采用时间驱动，采样周期为，执行器和控制器存在时间驱动和事件驱动两种方式的组合。

2) 传输时延τ的假设通常假设τ为常数、随机分布，或有界或无界。

τ和T满足0<τ>T或。

3) NCS数据传输假设传输的每一数据包都是一个完整的数据，或者是数据被分成多个数据包，即单包和多包传输问题。

4) NCS数据丢包数据单元在传输中由于网络拥塞、中断等原因会导致数据包的时序错乱或数据包丢失等问题。

4 NCS研究现状NCS的研究涉及控制和通讯网络两个方面，对同一个问题既可以从控制角度来研究，也可以从信息调度角度来研究，或者综合两方面进行研究。

4.1 控制方法研究现状NCS中的控制时延主要包括:采样器和控制器之间的通讯时延;控制器和执行器之间的通讯时延，控制器的执行时间。

一般，可以将控制器的执行时间归入控制器和执行器之间的通讯时延，从而将上述三种时延简化为只有和。

最简单情形，假定和是恒定的，从而可以将问题转变为一般那的恒定时延控制问题进行研究。

通常采用的控制策略为:时间驱动的传感器和控制器，事件驱动的执行器。

Ray A等人最早讨论并研究了ICCS的建模、分析和设计问题，针对带有分布式网络诱导时延的ICCS，研究了其基于观测器的补偿器设计问题;并针对随机网络时延设计了其输出反馈控制器;Faik G等人同样也研究了由于网络的引入对控制系统性的影响。

Liou L W 和Ray A等针对随机ICCS研究了随机系统的调节器设计问题。

Lian Feng-li 针对通讯网络对控制系统的影响，对NCS进行了性能的分析以及建模和控制器设计等工作。

Wittenmark B和Nilsson J针对随机实时控制系统，对研究了其随机最优控制问题。

朱其新，胡寿松将其推广到时延大于采样周期的情形，并研究了网络化控制系统的随机状态估计器和随机最优控制器设计问题。

方华京等人综述了网络化控制系统的基于模型的故障诊断和容错控制问题。

Zhang Wei等对此情形的系统稳定性进行了分析及控制器的设计。

Salt J等人研究了多率控制实现问题，讨论了多率情况下的可变时延问题。

Rivera M G等研究了具有数据包丢失和网络诱导时延的NCS的稳定性分析问题。

谢立华等研究了带有多个数据丢包的线性NCS的最优滤波问题，给出了最优状态滤波器和预测器的设计过程。

4.1.1 多率采样理论针对时间驱动的NCS，绝大多数的文献对NCS进行分析时，都假定传感器、控制器和执行器的采样速率是一致的，即研究的是单率采样系统下的情形。

然而，对于NCS，由于节点的分散化，单一的采样速率不符合实际情况。

多率采样是符合实际系统真实情形的，Salt等人针对多率采样的控制问题进行了研究，传感器和控制器启动时又很小的时间偏差，新的传感器值到达控制器的概率假定是已知的。

若，则说明是在新的测量数据未知的情况下对控制信号进行计算。

但是对多率采样系统来说，采用时间驱动的采样方式常常会出现很多问题，如过多的冗余信号将使系统的时延、空采样、报文丢失扥变得更加严重，从而导致系统性能恶化。

4.1.2 事件驱动的采样理论Astrom K J等人研究了一阶随机系统的周期采样系统和基于事件采样系统之间的性能对比。

Hennningsson等人将其推广到多环路系统的基于事件驱动的分散控制上，研究了基于事件的调度和随机估计器、控制器设计问题;并研究了具有对数凸特性噪声的最优观测器设计问题。

他们还研究了具有混合随机和有界集扰动的线形系统的递归状态估计器设计问题。

Sandee J H等人研究了基于事件的网络化控制系统的软件设计和控制性能的综合问题。

4.1.3 Markov跳变系统可以将时延和建模成Markov链。

所有的节点都是时间驱动的。

借助Markov跳变系统理论推导出零阶均方指数稳定性的充分必要条件。

Chan H等人也应用了Markov跳变系统对系统建模，得出了无交叉的最优控制策略。

Nilsson等人对独立随机时延和具有Markov特性的时延条件下的LQG最优控制问题作了研究，给出了不同时延特性下的LQG最优控制器和闭环系统均方稳定性的条件，文中假定+<T。

该文应用MARKOV链对存在超时的系统进行了建模，并举例说明某些条件下超时能使系统性能提高。

朱其新，胡寿松将其推广到时延大于采样周期的情形，并研究了MARKOV网络化控制系统的随机状态估计器和随机最优控制器设计问题。

< P>4.1.4 切换系统俞立等人提出一种新的切换系统模型来描述既带有网络时延有具有丢包的网络化控制系统，并推导出闭环系统的指数稳定性充分条件。

然后建立了网络稳定性和丢包率之间的定量关系，并使用增广技术实现了状态镇定控制器。

4.1.5 故障诊断方华京等人综述了网络化控制系统的基于模型的故障诊断和容错控制问题，包括基于信息调度的故障诊断，简化时延系统及准T-S模糊模型的故障诊断方法，以及带有长时延的线性及非线性网络化控制系统的故障诊断问题。

并对时延系统的基于状态估计器和观测器理论的故障诊断方法、基于低通后向滤波的故障诊断方法以及基于结构矩阵的故障诊断方法作了详细的阐述。

4.2 信息调度研究现状在NCS中网络传输的信息可以分为两类:实时性信息和非实时性信息。

实时性信息对时间要求非常苛刻，如果在规定时间的上限内信息未能起作用，则该信息将被丢弃，而使用最新的信息。

NCS信息调度策略中主要调度两类数据信息:周期信息和非周期信息。

周期信息是一种实时性信息，也被称为时间出发信息或者同步信息。

非周期信息主要是指节点间的请求服务等信息，其发生时刻是随机的，也被称为事件触发信息、异步信息或者随机性信息。

在NCS中，信息调度发生在应用层，信息调度规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔，以避免网络冲突。

如果网络化控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成，则称传输是可调度的。

网络化控制系统中信息调度的研究可分为调度与控制分开设计和调度和控制协同设计两类。

4.2.1 调度与控制分开设计在目前的NCS研究中，一类研究是针对通讯网络，研究提高网络服务质量的信息调度方法;另一类是在给定的网络信息调度方法基础上，研究提高NCS性能的控制方法。