网络控制系统的稳定性

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1、附件1附外文资料翻译（由导师根据论文需要指定，中文字数不少于4000字。）网络控制系统的稳定性ZhangW,BranickyMS,andPhillipsSM.IEEEControlSystemsMagazine,2001,21(1):84-99.在实时网络中形成的闭环反馈控制系统被称为网络控制系统(NCSs)[1]-[4]。网络控制系统在控制系统组件（传感器，控制器，执行器）组成的网络中交换信息（参考输入，设备输出，控制输入等等）。图1展示了一个典型网络控制系统的设置和信息流程。网络控制系统的优点是减少了系统的布线、易于系统诊断和维修且提高了系统的灵活性。由于通信网络被应用到闭环控制中，

2、使网络控制系统的分析与设计变得复杂。由于网络的加入是控制系统的分析和设计变得复杂。传统的控制理论的特点是假设系统中传感器和控制器之间信号的传输是在同步、无时延的理想情况下进行的，并且在将理论应用到实际的网络控制系统前必须进行反复评估。然而实时的网络并不是在理想的状态下进行的，我们还是要解决以下问题：首先，由于信息共享引起的网络诱导时延（传感器到控制器的延迟和控制器到执行器的延迟）。这种延迟，或者是固定不变的（去抖动）或者是随时间变化的，而且此种时延可能降低网络控制系统的性能，甚至破坏系统的稳定性；其次，传输网络是一个不可靠的传输路径，信息在传输时不仅会发生时延，还可能发生数据丢失现象。而

3、数据丢失所带来的影响也是我们要考虑的问题。另外，由于网络带宽和容量的限制，不可能在一个数据包中传输太大容量的数据，这时就需要多包传输，但是在多节点传输的网络中，有可能全部或者部分数据没有在规定的时间内到达。70年代初，霍尼韦尔首次提出分布式控制（DCS）。由于绝大部分的控制任务（传感，计算和驱动）是在独立的控制模块中进行的，因此在DCS控制中的模块是分散连接的。但是开/关的信号，监控信息，报警信息等，都是在串行网络中传输。随着专用集成电路芯片设计的发展，硅片、传感器和驱动器价格大幅度降低，可以通过配备独立的网络接口在实时的网络中形成独立的节点。因此，在网络控制系统中，网络节点紧密联系来完

4、成各个实时传感和控制数据在网络中的传输。网络控制系统利用的传输网络如设备网[5]，以太网[6]，串行网络[7]等等根据特定的应用范围设计各自的通讯协议。此外，网络控制系统的行为绝大部分取决于基础网络的性能参数，包括传输速率，介质访问协议，数据包长度等。我们24有两种方法可以解决网络控制系统中的所有问题。其一，就是设计一种通信协议，最大限度的减少网络时延和丢包的发生，从而达到忽略时延和丢包；例如，利用各种拥塞控制和避免算法[8]，[9]可以获得更好的性能。当网络流量超过限额时，该网络能够很好的处理。其二，就是利用已给的网络协议和流量限制设计包含上述问题的流量控制策略。为了处理延迟，可以利用

5、微分方程[10]来处理时延控制策略。在这里，我们讨论网络诱导时延和丢包策略的分析与设计。本文通过以下几个方面讨论了网络控制系统的稳定性：首先，我们回顾以往学者在网络控制系统所做的工作，并提出了一些改进。然后，我们总结了网络控制系统中存在的基本问题，研究了不同的网络基础调度协议。并展示了具有时延的网络控制系统，根据稳定邻域和混杂系统理论分析了该系统的稳定性。随后，我们讨论了网络诱导时延的补偿方法，并通过一个物理网络验证了补偿的效果。然后，利用异步动态系统理论建立了单包和多包传输的网络控制系统模型，并分析了其稳定性。在最后我们给出研究结果的总结。前人工作回顾Halevi和Ray[1]综合了通

6、信和控制系统（ICCS）的特点，利用离散分析法考研究了连续时间状态下的控制对象和离散时间状态下的控制器在非同步时钟驱动下时钟驱动的控制器的设计方法。使用以前被控对象的输入和输出的状态向量、现在时刻被控对象和控制器的状态向量，组成增广状态向量来重新改写该系统，得到有限维时变离散时间模型。在接受信息时拒绝空的采样周期信号。Nilsson[2]进一步改进在离散时间领域中所建立的网络控制系统模型。他所建立的模型中的时延是恒定的、独立随机的或者是随机的，但其变化规律却遵从马尔可夫链过程。根据建立的模型，他研究了时变时延模型的LQG最优控制问题。同时，他也指出了记载历史记录的时间戳的重要性。Wals

7、h等人[3]研究了连续状态下的被控对象和控制器德的情况下所建立的模型。他们假设共享的控制网络只存在于传感器和控制器之间。他们提出了最大允许传输间隔(MATI)的概念，即最大允许传输间隔是指在连续发送两个传感器信号之间的最大间隔是秒。对于无反馈的网络控制系统（其中和代表被控对象和控制器的状态变量）如果是全局指数稳定的，则存在一矩阵使下式成立（1）另外，网络效果可以通过被控对象输出与控制器输入之间的误差来体现。假设系统的状态向量，则闭环