网络控制系统课件

• 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。
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
• 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
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：
• 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。
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
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
• ②关于传输时延 的假设
• 时滞 为常数、随机分布或符合某来自百度文库定分布。 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
• 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。
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
• 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]。
• 5) 切换控制方法[14]。
第十五章 网络控制系统
• 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。