第十五章 网络控制系统
• 15.4.4 混合系统模型
• 网络控制系统的混合系统模型是一个既含有连续 变量又含有离散变量的混合系统。
• 15.4.5 有数据包丢失时NCSs的模型
• 在NCSs中当节点故障或信息冲突时会发生数据丢 包现象。虽然大多数网络协议都有重发机制，但 数据仅在有限的时间内重发，一旦超出这个时限， 将发生丢包现象，将造成数据的丢失。数据的丢 包现象可能会对控制系统的控制品质产生影响， 甚至造成闭环系统的不稳定。文献[8]将网络控制 系统中的丢包问题作为异步开关系统 (Asynchronous Switched Systems)进行建模。
第十五章 网络控制系统
目录 15.1 网络控制系统概述 15.2 网络控制系统概念和结构 15.3 网络控制系统的时序 15.4 网络控制系统模型 15.5 通信约束下的网络控制系统稳定性分析
第十五章 网络控制系统
• 15.1 网络控制系统概述
• 21世纪是一个网络化的时代，网络的普遍性决定 了其在生活中的广泛应用。对网络系统的研究最 早始于20世纪50年代，如随机图ER模型等。随着 国际标准化组织的开放系统互连基本参考模型， 即通常提到的七层协议(1977)问世以来，第三代的 计算机网络得到了学术界的广泛关注。该网络使 用户能共享其中的大多数硬、软件和数据资源、 减少计算机的负荷，提高网络的可靠性并使得计 算机具有可扩展性和可换性。在无尺度网络模型 的引入和小世界模型的基础上，有关复杂网络的 研究得到了进一步深入。比如，通信网络、计算 机网络、电力网、供水网、食品供应网、交通网、 银行金融系统、油管输网、输气管网、输油管网
是未给出NCSs的明确定义。通常认为NCSs是指某
个区域现场所有传感器、控制器以及执行器和通
信网络全体的集合，为各种设备之间的互联提供
数据传输，使得该区域内不同地点的用户实现协 调操作及资源共享，是一种网络化T 实时和全分布
式的反馈系统执。行器
对象
传感器
ca
网络
sc
控制器
参考输入
第十五章 网络控制系统
第十五章 网络控制系统
• 二．主动分析方法
• 主动分析方法在考虑网络对NCSs影响的基础上进 行，进而讨论相应的系统分析以及控制器设计等 问题。显然，与被动分析方法相比，主动设计方 法在控制器设计以及系统分析过程中有效利用了 网络信息，因而所得分析结果的保守性更小，控 制策略也更为合理。 主要的主动设计方法有：
第十五章 网络控制系统
• 15.4.3 离散系统模型
• Ray等人[9]基于各节点均采用时间驱动方式提出了 一种增广的确定性离散系统模型。
R(s) E(s)
Gc (s)
U (s)
esca e ssc
Gp(s) Y (s)
Wm(max )
1 s(1)max / 2 1 s(1)max / 2
• NCSs的离散延迟模型 • 假设1) 传感器为时间驱动方式，控制器和执行器
• 1) 时延整形法[9]。
• 2) 多模型控制法[10]。
• 3) 随机控制方法[11]。
• 4) Lyapunov-Krasovskii方法[7, 13]。
• 15.3 网络控制系统的时序
• 15.3.1 采样速率分析
• NCSs中采样速率由采样周期间隔以及数据的产生 速率决定，因此和网络的服务质量QoS(quality of service)有一定的关系。
• ①数据产生速率
• ②采样周期
传感器
• 15.3.2
延迟与抖动分析 k 3
k 2
k 1
k
k 1
• 网络化控制系统中的延迟与抖动如图所示
控制器
执行器
thk ,thk1,...,t0k ,tk1
第十五章 网络控制系统
• 15.3.3 NCSs的节点驱动方式
• NCSs中各节点的工作方式可以分为时间驱动 (time-driven) 和事件驱动 (event-driven)两种。以 控制器为例，所谓时间驱动的工作方式是指控制 器在时钟的作用下定时从等待队列中取得反馈的 采样信号，然后开始执行控制算法，产生决策信 息发送给执行器。而事件驱动即用事件“反馈信号 到达”，来驱动控制器执行控制算法产生决策信息。 同样在执行器结点也存在不同的驱动方式。与控 制器和执行器不同的是，传感器节点通常采用定 长时间采样。
• 15.4 网络控制系统模型
• 15.4.1 NCSs中的基本假设
第十五章 网络控制系统
• 针对网络中的可变因素，同时也是NCSs建模的主 要参数，已有的假设主要集中在以下几方面：
• ①关于驱动方式的假设
• 假设传感器都是采用时间驱动方式，采样周期为 ， 执行器和控制器存在时间和事件两种不同驱动方 式的组合。
• ②关于传输时延 的假设
• 时滞 为常数、随机分布或符合某确定分布。 和 满 足或。
• ③关于NCSs数据传输的假设
• 在NCSs中传输的每一数据包都是一个完整的数据， 或者一个完整的数据被分成多个数据包，即单包
， 第十五章 网络控制系统
，
， • 15.4.2 连续系统模型
。 • 连续型NCSs系统模型是指将网络控制系统看成一个
连续系统进行分析与设计。系统的动力学模型可以
表示为
z& (t)ex& & ((tt))A A1211
A12x(t) A22e(t)
• 其中 A 11
Ap
+B DC pcp
BcCp
BpCc
Ac
A 12
B
p
D c
Bc
Bp
0
A 21
C p
0
0
C
A 22
Cp
0
0 C A12
• 15.4.3 离散系统模型
第十五章 网络控制系统
第一层 网络
控制器1
高层控制器 控制器2
控制器k
第二层 网络
执行器1
执行器m
传感器1
传感器n
对象
• 网络控制系统的结构图
第十五章 网络控制系统
• 15.2 网络控制系统概念和结构
• 马里兰大学的学者G. C. Walsh在其论文中最早提及
网络控制系统“networked control systems”[2]，但
• 网络给NCSs带来的关键问题有： • ①执行器响应时刻和时延采样时刻之间存在不可
忽略的滞后。 • ②在某一时刻间隔内存在的数据时序抖动。 • ③数据丢包。 • 一．被动分析方法 • 被动分析方法首先在不考虑网络情况下对控制器
进行设计，然后进一步考虑网络影响来分析闭环 NCSs的系统性能。涉及的主要方法有： • 1） 网络摄动法[2]。 • 2) Lyapunov-Krasovskii方法[3-6]。 • 3) 其他方法。