网络化控制系统的研究现状与展望

随着网络技术的发展,网络化控制系统日益成为人们关注的课题,特别是目前工业以太网所取得的进展引起人们广泛兴趣。介绍了网络化控制系统的发展过程,在综述网络化控制系统研究现状的基础上,对网络化控制系统的建模、状态估计、信息时延、调度算法、通信约束等方面进行了深入分析,并对其中的建模、网络信息调度的最优化、网络环境下控制理论研究、应用研究等方面的未来发展作了展望。     

网络控制系统的时延分析及数据传输技术研究

网络控制是计算机、通信技术和控制技术融合发展所形成的一个新领域，在综述网络控制系统研究现状的基础上，指出网络时延特性是影响系统性能的关键因素，重点分析了时延的构成和不确定性，结合数据特征探讨了几种与时延特性密切相关的数据传输技术和常用协议的技术构成，最后给出了网络控制系统的主要研究内容和发展趋势展望。     

网络控制系统的能控性与能观性

针对随机时变时延的存在使得网络控制系统的分析变得非常复杂,传统的控制理论在应用到网络控制系统中时必须重新考虑的问题,通过在传感器和控制器的发送端和接收端引入缓冲器的方法,将网络控制系统中随机时延转化为确定性时延,在此基础上研究了网络控制系统的能控性和能观性,并给出了网络控制系统能控和能观的充分必要条件。该方法可推广至其他的时延系统中去。     

Fundamental Issues in Networked Control Systems

This paper provides a survey on modeling and theories of networked control systems (NCS). In the first part, modeling of the different types of imperfections that affect NCS is discussed. These imperfections are quantization errors, packet dropouts, variable sampling/transmission intervals, variable transmission delays, and communication constraints. Then follows in the second part a presentation of several theories that have been applied for controlling networked systems. These theories include: input delay system approach, Markovian system approach, switched system approach, stochastic system approach, impulsive system approach, and predictive control approach. In the last part, some advanced issues in NCS including decentralized and distributed NCS, cloud control system, and co-design of NCS are reviewed.      

Cloud Control Systems

The concept of cloud control systems is discussed in this paper, which is an extension of networked control systems (NCSs). With the development of internet of things (IOT), the technology of NCSs has played a key role in IOT. At the same time, cloud computing is developed rapidly, which provides a perfect platform for big data processing, controller design and performance assessment. The research on cloud control systems will give new contribution to the control theory and applications in the near future.      

基于网络控制系统的水下自主航行器制导系统结构

在现代控制系统中,网络控制系统可以用最小成本实现柔性系统,该柔性系统可以完成包括功能可重新配置的许多任务;网络控制系统采用公用的总线结构,使得系统具有更加有效的灵活功能、更好的资源共享、降低系统的维护成本,网络控制系统的最大问题是由于网络而产生的时延和数据包的丢失;研究了基于网络控制原理的水下自主航行器制导系统,详细分析了水下自主航行器网络控制系统的稳定性问题和基于时间触发的TTCAN高层协议;论文旨在通过对水下自主航行器网络控制系统结构的研究,指出其结构的意义和进一步的研究领域.     

一类具有状态反馈NCS的H∞优化控制

研究一类网络控制系统(NCS)的H∞优化控制问题.状态反馈是兼顾系统性能和敏感性的最有效的控制方式,因此,针对一类不确定时延和有限能量干扰输入的状态反馈NCS,将其建模为不确定的线性时滞系统,并利用Lyapunov理论和线性矩阵不等式(LMI)研究H∞优化控制问题.首先给出NCS的鲁棒稳定的充分条件;然后给出NCS状态反馈次优和最优H;∞控制律的设计方法.仿真结果表明了该方法的可行性和有效性.

Abstract：

The H∞ optimal control problems of a class of networked control systems(NCS) is studied. The statefeedback is the most effective control mode, which combines system function and sensibility. Therefore, a class of state-feedback NCS with uncertain time-delay and limited energy disturbance input is modeled as the uncertain linear time-delay system. Then by using the Lyapunov theory and LMI, the problems about the H∞ optimal control are researched. The sufficient condition is first given for the robust stability of networked control system, and then the design methods of NCS state-feedback suboptimum and optimum H∞ control laws are obtained consequently. The simulation results show the feasibility and effectiveness of the results.     

网络控制系统的控制器设计方法概述

网络时延是网络控制系统（NCS）中存在的基本问题,克服网络时延的影响是设计网络控制系统的控制器首先要解决的问题。为此分别从短时延网络控制系统和大时延网络控制系统2个方面,重点分析了近年来网络控制系统控制器设计的研究现状和成果,总结了现有的研究方法,讨论了最新研究进展,指出存在的问题,并对未来的发展方向进行了展望。     

传输时延和时钟同步对以太网控制系统的影响

在分析报文传输时延和时钟同步精度对EPA网络(工业以太网)控制系统的实时性和稳定性的影响的基础上, 提出了新的基于马尔科夫链的时延模型. 给出了在系统稳定的情况下, 通信宏周期、协议传输时延和时钟同步精度应满足的条件. 建立了无丢包情况下的EPA网络控制系统模型. 提出了EPA控制系统稳定时, 可以设置的最小通信宏周期的计算方法.     

不确定时滞模糊系统的鲁棒H∞网络控制

A robust H_∞networked control method for Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems with uncertainty and time delay is presented.A state feedback controller is designed via the networked control system (NCS) theory.Sufficient condition for robust stability with H_∞performance is obtained.Network-induced delay in network transmission and packet dropout are analyzed. Simulation result shows the validity of this control scheme.     

基于Matlab的网络控制系统仿真

网络控制系统中的延迟不仅具有随机性,而且很大程度上与控制网络所采用的MAC层通信协议是相关的,因此需要一个能反映实际网络控制系统特点的仿真平台。本文介绍了两种分别基于TrueTime和OpcToolBox工具包的仿真平台实现方法。前者TrueTime是根据网络MAC协议对通信延迟机理进行建模的仿真软件包,功能非常强大;后者是针对网络控制系统通信模型仿真困难的缺点而提出的一条新思路,该方法通过OPC技术实现了对象模型和控制器通信,可为网络控制系统的理论研究提供有效的检验平台。最后对两者进行了比较,指出两种方法的优缺点。     

网络控制系统中的时戳预测函数控制

传统预测函数控制算法不能有效处理网络控制系统中的随机延迟,为此提出了时戳预测函数控制算法.该算法使用时间戳来估计由网络引入的控制延迟,在预测系统未来输出时明确考虑了该延迟,然后借鉴传统预测函数控制算法的基本策略,得到了适用于网络控制系统的控制规律.进一步由TrueT im e工具箱搭建了网络控制系统仿真平台,对比了时戳预测函数控制算法和传统预测函数控制算法.仿真结果表明随着网络引入延迟的增大,时戳预测函数控制算法给出控制品质明显优越于传统预测函数控制算法.     

基于输出反馈的不确定NCS鲁棒容错控制

研究了一类具有网络诱导时延和参数不确定性网络化控制系统鲁棒容错控制问题.基于将时延的不确定性转换为系统状态方程系数矩阵不确定性的NCS模型,同时考虑系统参数不确定性对系统的影响,应用Lyapunov稳定性理论和LMI方法,采用输出反馈控制策略,推证出了保证闭环网络化控制系统在执行器或传感器发生故障时仍渐进稳定的充分条件,并以求解线性矩阵不等式组给出了容错控制器的设计方法,最后用仿真算例验证了此方法的可行性和有效性.     

短时延多包传输网络控制系统的稳定性分析

提出一种短时延多包传输网络控制系统的建模方法.把多包传输网络控制系统建模为具有一定切换规则的线性切换系统模型.利用切换系统理论和鲁棒稳定性理论，得到多包传输网络控制系统的渐近稳定性判据,并首次提出周期动态输出反馈镇定控制器的设计方法.最后通过数值算例证明文中结论的可行性和有效性.     

Decentralized event-triggered control strategy in distributed networked systems with delays

Event-triggered control strategies have been recently proposed as alternatives to traditional time-triggered periodic sampling for feedback control systems. This paper studies the event-triggered control problem for distributed networked control systems (NCS). In order to reduce the network traffic and the resource of computation, we propose a new decentralized event-triggered scheme for the NCS, where a subsystem broadcast its state information to its neighbors only when the subsystem’s local state error exceeds a threshold with on-line adaption. The asymptotic stability of the resulting closed-loop system is guaranteed by the event-triggered feedback scheme. In addition, the paper gives the maximal allowable positive bounds on transmission delays for the networked control systems. Finally, the results are illustrated to be efficient by one simulated example.     

一类多包传输网络控制系统的设计及稳定性分析

根据现场总线网络的传输特性，提出了一种适用于多包传输网络控制系统的设计方法，即控制器和传感器节点采取时间驱动方式工作，执行器节点采用事件驱动方式；将多包传输网络控制系统建模为切换控制系统．然后基于切换系统分析方法和稳定性理论得出了网络控制系统指数稳定的充分条件．最后，通过实例分析证实了本文所提设计方法的可行性，以及理论的正确性．     

存在通信约束和时延的多输入多输出网络控制系统镇定研究

讨论了一类存在通信约束和时延的多输入多输出网络控制系统（NCS）的建模和控制问题.该NCS具有多个传感器和执行器，由于网络通信受限,在同一时刻只能允许部分传感器和执行器访问网络.传感器和执行器访问网络的过程可以用两个马尔可夫链来描述,并且在假设传感器—控制器时延和控制器—执行器时延均为短时延的情况下,将整个闭环NCS建模成一个具有两个模式的马尔可夫切换系统.基于LMI技术和李亚普诺夫方法,给出了闭环NCS随机稳定的充分条件,并给出了状态反馈控制器的设计方法.最后的数值算例验证了所提方法的有效性.     

Stabilization of Networked Stochastic Time-Delay Fuzzy Systems With Data Dropout

This paper deals with the problem of stabilization for networked stochastic systems with transmitted data dropout. The plant in the networked control system (NCS) under consideration is a discrete stochastic time-delay nonlinear system represented by a Takagi-Sugeno fuzzy model. Exponential stability criteria of the NCS are developed by using a common quadratic Lyapunov function and a fuzzy Lyapunov function, respectively. A stabilization controller with convergence rate constraint can be designed by solving a set of linear matrix inequalities that is numerically feasible with commercially available software. Three numerical examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed methods.     

基于NCS时延模型的鲁棒容错控制器

研究了一类具有未知扰动和参数不确定性的网络化控制系统的鲁棒容错控制问题.针对NCS的时延和不同步对系统产生的影响,基于将时延的不确定性转换为系统状态方程系数矩阵不确定性的NCS模型,同时考虑系统参数不确定性和未知扰动对系统的影响,应用Lyapunov稳定性理论和LMI方法,采用状态反馈控制策略,推证出了保证闭环网络化控制系统在执行器或传感器发生失效故障时仍渐近稳定的充分条件,并通过求解线性矩阵不等式组方便地得到了容错控制器的设计方法,最后用仿真算例验证了此方法的可行性和有效性.     

具有控制约束的网络控制系统的鲁棒H_∞控制

针对具有控制约束的网络控制系统(Networked Control Systems,NCS)的特点,建立了具有外部扰动的网络控制系统模型,对其H∞性能加以分析和研究,并验证所取得的理论成果.假设具有控制约束的网络控制系统的H∞控制器与执行器均为事件驱动,传感器为时间驱动,且网络诱导时延小于传感器的采样周期,然后将此类网络控制系统的广义被控对象建模为一类线性离散系统,运用Lyapunov函数和线性矩阵不等式(LMI),导出闭环系统渐近稳定且满足给定H∞性能指标的充分条件,并给出了控制器的具体求法.得到了系统的H∞控制器存在条件及具体方法,通过设计该控制器,使具有外部扰动的网络控制系统的性能有很大的改善,通过Matlab仿真证明该控制器行之有效.