网络控制系统丢包稳定性研究

关键词 ：网络控制系统 ；数据包丢失 ；模型建立 ；稳定性分析
中图分类号：TP273.5
文献标志码：A
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2019.11.024 文章编号：1671-1041(2019)11-0091-03
Research on Packet Loss Compensation of Networked Control System
Wang Yaoqing，Sun Jianping （North China Electric Power University, Hebei, Baoding, 071003, China）
Abstract：Network control system refers to a closed-loop feedback control system composed of networks. Packet loss will reduce the performance of network control system and adversely affect its stability. In this paper, the network control system model of single packet loss is constructed without considering the influence of network-induced delay, and then the stability analysis theorem is given. Finally, the influence of packet loss on system stability is further determined through the calculation and simulation of the actual system.
第 26 卷 第 11 期 2019 年 11 月
仪器仪表用户 INSTRUMENTATION
Vol.26 2019 No.11
网络控制系统丢包稳定性研究
王耀庆，孙建平
（华北电力大学，河北 保定 071003）
摘 要 ：网络控制系统指的是由网络组成的一个闭环的反馈控制系统。数据包丢失会造成网络控制系统的性能降低， 对其稳定性产生不利影响。本文在忽略网络诱导时延的影响下，构建了单数据包丢失的网络控制系统模型，然后给 出了稳定性分析的定理，最后通过对实际系统的计算和仿真进一步确定了丢包对系统稳定性的影响。
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仪器仪表用户 INSTRUMENTATION
第26卷
图1 单个数据包丢失的网络控制系统图 Fig.1 Network control system diagram for single packet loss
其中，x(kh) 为传感器数据经由网络达到控制器端的输 入信号。
开关置于 S1 时，就是包含 x(kh) 的单个数据包传输成 功，那么这种情况下有 S1 ：x(kh)=x(kh)。开关置于 S2 时， 表示含有 x(kh) 的单个数据包丢失，那么在这种情况下往往 会使用这样的一种方法，用上一个传输值来代替这一次丢 失的单个数据包，即 S2 ：x(kh)=x((k-1)h)。
丢失情况进行模型建立，并对其稳定性问题进行分析研究。
1 网络控制系统的数据包丢失
1.1 数据包丢失的原因 网络拥塞、时序错乱和宽带限制是网络控制系统中数
据包发生丢失的主要原因 [3]。其中，宽带限制指的是在因 特网发生拥塞期间，TCP 信源和响应数据流按照网络中要 求的数据包丢失率调整自己的发送速率，而无响应的数据 流不能降低其发送的数据速率。这种极度不平衡情况可能 导致带宽的严重短缺，甚至导致拥塞的雪崩式发生。
Key words：network control system；packet loss；model establishment；stability analysis
0 引言
网络控制系统（NCS）指的是由网络组成的一个闭环 的反馈控制系统 [1]。它是一种全分布式、网络化的实时反 馈控制系统，是某个区域现场传感器、控制器以及执行器 和通信网络的集合，提供设备之间的数据传输，使该区域 内不同地点的用户实现资源共享和协调工作 [2]。网络控制 系统在众多应用领域给人们带来了十分巨大的便利，但它 也有一些不足的地方，而正是这些问题阻碍了它的进一步 发展，所以为了解决这些问题使网络控制系统更好地服务 于人类，关于其相关内容的研究是很有意义的。本文将在 忽略网络诱导时延的影响下，对网络控制系统中的数据包
接下来定义一个全新的变量 z(kh)，使其满足 z(kh)=
，，然后利用式（பைடு நூலகம்）和式（2）可以得到一个具有单个
数据包丢失影响下的网络控制系统的模型：
（3）
方法主要应用的是抑制丢包的产生和修复丢失的数据包。 其中，抑制丢包的产生的这种方法应用较多，本文的研究 也是基于这种情况的。可以这样理解，对于数据包丢失的 发生是大家不想看到的，但是它的发生在现有的技术水平 下是无法避免的，但是可以尽量做到使这种丢包现象较少 地发生，而不是想在之后怎么弥补其发生带来的影响。当 然，对于其确实发生的情况下还是要用修复数据包的这种 方法来降低它的影响的。
1.2 数据包丢失的解决策略与方法 当前对于网络控制系统中的数据包丢失的解决策略与
收稿日期：2019-08-28 作者简介：王耀庆（1994-），男，天津人，硕士在读，研究方向：风力发电场风速预测研究。
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2 网络控制系统数据包丢失的稳定性分析
现在，对网络控制系统丢包问题的分析可以分成两个 大类：第一类是随机方法。比如，假定网络的数据包丢失 规律满足某个概率的分布情况，再用伯努利随机数列或者 马尔科夫链来刻画系统的不确定丢包行为；第二类是确定 性模型的方法。这种办法的做法是，首先要把存在数据包 丢失的网络控制系统建模为切换系统，而后再借助切换系 统的丰富理论，对有着随机数据包丢失的网络控制系统进 行稳定性分析 [4]。本章应用的是第二类方法对带有丢包的 NCS 进行建模与稳定性的分析。