具有时延和丢包网络控制系统的稳定性分析

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网络控制系统稳定性分析及控制器设计的开题报告

网络控制系统稳定性分析及控制器设计的开题报告1.选题背景网络控制系统是现代控制系统中的重要一环，其优越性和潜力被广泛认可和挖掘。

网络控制系统由传感器、执行器、通信网络和控制器等部分组成，其具有可靠性高、实时性强、可远程控制等特点，在许多领域有广泛应用，如航空、交通、制造等。

然而，网络控制系统也存在着一些问题，其中最重要的问题是通信时延和数据包丢失导致的系统性能下降，乃至失控。

所以，在网络控制系统中，必须考虑时延和数据包丢失对系统稳定性的影响，以及如何通过控制器设计来提升系统的稳定性和性能。

2.选题意义当前，网络控制系统已广泛应用于许多领域。

然而，由于网络环境的不确定性和不稳定性，网络控制系统的稳定性和控制性能存在较大风险。

因此，如何提升网络控制系统的稳定性和控制性能一直是该领域的研究热点和难点。

本课题以网络控制系统稳定性分析及控制器设计为研究对象，旨在探索如何通过数据传输质量控制、控制器设计等手段，提高网络控制系统的稳定性和控制性能，为实际应用提供辅助决策依据和技术支持。

3.研究内容本课题将围绕如下内容展开研究：(1) 网络控制系统的稳定性分析。

研究网络控制系统在时延和数据包丢失条件下的稳定性和响应特性，分析网络控制系统的性能指标和影响因素。

(2) 控制器设计。

设计基于模型预测控制（MPC）算法的控制器，考虑网络时延和数据包丢失对控制效果的影响，探索如何提高控制器的鲁棒性和鲁棒性。

(3) 仿真实验。

基于Matlab或Simulink等软件平台，进行网络控制系统的仿真实验，验证理论分析和控制器设计的有效性和可行性。

(4) 论文撰写。

根据研究内容和实验结果，撰写毕业论文，对研究进行综合总结和归纳。

4.研究方法本课题将采用数学模型、控制理论、仿真实验和实际案例等方法进行研究。

首先，建立网络控制系统的数学模型，分析网络时延和数据包丢失对系统稳定性的影响，并基于控制理论设计控制器，以提高网络控制系统的稳定性和性能。

具有长时延和丢包的网络控制系统稳定性分析

蒋莲莲杨光红但雨芳王海浪，，，
（．东北大学信息科学与工程学院，沈阳１００；２１１０４．重庆大学计算机学院，重庆４０４００４；３．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４０８）１０２
摘要：针对同时出现长网络诱导时延和丢包的网络控制系统，究了带不确定性的网络控制系统的稳定性问研
Ａｂｓｒｃｔａｔ：Ｆｏｅｗｏｋｃｎｒｌｓｓｅｔｏｇｎｅｗｏｋ—ｎｃｄｔｍｅｄｌｙｎｄｐａｋｅｏｓｓｔｉａｒｉｖｓｉａｅｔｂ — ｒｎｔｒｏｔｏｙｔｍｓｗｉｈｌｎｔｒｉｄｕｅｉｅａｓａｃｔｌｓｅ，ｈｓｐｐｅｎｅｔｇｔｄｓａｉｌｔｆｕｃｒａｎｎｔｒｄｃｎｔｏｙｔｍｓｉｙｏｎｅｔｉｅｗｏｋｅｏｒｌｓｓｅ．Ｍｏｅｅｙｔｍｓａｓｎｈｏｏｙｔｃｎｔａｎｅｙｃｎｉｕｒｔｏｖｎａｅｄｌｄｓｓｅａｎａｙｃｒｎｕｓｓｓｅｍｏｓｒｉｄｂｏｆｇａｉｎｅｅｔｒｔｓｂｓｄｏｅｔｉｐｃｅｏｓｒｔ．ＢｙｕｓｎｇｙｐｕｏｔｏａｅｎａｃｒａｎａｋｔｌｓａｅｉＬａｎｖｍｅｈｄ，ｌｎａｔｘｎｑｕｌｔｅｃｐｉｎｎｄｃｍｂｉｉｇａｙｉｅｒｍａｒｉｅａｉｙｄｓｒｔｏａｏｉｉｎｎｓｎ— ｃｒｎｕｓｄｎａｉａｔｂｌｔｈｏｙ，ｄｅｉｅｕｃｅｔｃｎｄｔｎｓｆｘｎｎｉｌｓａｌｔｆｕｎｅａｎｎｔｒｏｒｌｓｓｅｈｏｏｙｍｃｌｓａｉｉｙｔｅｒｒｖｄｓｆｉｎｏｉｉｏｒｅｐｏｅｔａｔｂｉｉｏｃｒｉｅｗｏｋｃｎｔｏｙｔｍｉｏｙｔａｄｐｒｓｎｅｈｅｓｏｅｏｔｒｎｓｓｉｎｓｃｅｓｒｔｎｕｎｙｔｍｘｏｎｎｉｌｔｂｅ．Ｆｉｌｙ，ｖｒｆｅｍｅｃｌｎｅｅｔｄｔｃｐｆｄａａｔａｍｉｓｏｕｃｓａｅｅｓｒｇｓｓｅｅｐｅｔａｌｓａｌｉｙｎａｌｅｉｄａｎｕｒａｉｉｅａｌｔＡＴＬＡＢｓｍｕａｉｎｅｆｃｉｅｓｎｅｓｂｌｔｆｔｉｔｄｘｍｐｅｗｉｈＭｉｌｔｏｆｅｔｖｎｅｓａｄｆａｉｉｉｙｏｈｓｍｅｈｏ．

具有随机长时延与丢包的网络控制系统的随机稳定与镇定

真算例系统；马尔可夫跳变；长时延；不确定丢包；稳定性中图分类号：ＴＰ１８３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２ — ６６８５（２０１３）０４ — ００２２－０６
黄逸彤，崔宝同
（江南大学物联网工程学院，江苏无锡２１４１２２）
摘要：对于带有随机性丢包和长时延的网络控制系统，设随机丢包过程为服从有上限的马尔可夫
随机过程，随后在离散网络控制系统模型的基础上将随机丢包的网络控制系统建模为带有马尔可
夫跳变参数的离散网络控制系统模型。之后将具有随机性丢包和有上限的随机长时延建模为带有
长时延的马尔可夫跳变系统。在已有的关于时延马尔可夫跳变系统的基础上，运用Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数和ＬＭＩ进行稳定性分析并提出随机稳定的条件，用锥补线性化方法设计了镇定控制器，最后仿
ｐａｃｋｅｔ — ｌｏｓｓｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｍａｔｒｉｘｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ（ＬＭＩｓ）ａｎｄｔｈｅ
第２２卷第４期２０１３年１２月
淮海工学院学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕａｉｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

具有随机长时延与丢包的网络控制系统的随机稳定与镇定

具有随机长时延与丢包的网络控制系统的随机稳定与镇定黄逸彤;崔宝同【摘要】The modeling and stochastic controller design problems of NCS with uncertain Mark-ovian packet-loss and long delay are discussed.The NCS is modeled as a Markovian j ump linear system (MJLS)by discrete system method by assuming that the NCS with long delay is subject to a maximum loss of Markov random process on the basis of random packet loss.Moreover, packet-loss dependent stabilizing controller is designed with matrix inequalities (LMIs)and the cone complementarily linearization (CCL)formulation.Finally,an example for a comparison be-tween the two methods is given to demonstrate the effectiveness of the proposed method.%对于带有随机性丢包和长时延的网络控制系统，设随机丢包过程为服从有上限的马尔可夫随机过程，随后在离散网络控制系统模型的基础上将随机丢包的网络控制系统建模为带有马尔可夫跳变参数的离散网络控制系统模型。

之后将具有随机性丢包和有上限的随机长时延建模为带有长时延的马尔可夫跳变系统。

在已有的关于时延马尔可夫跳变系统的基础上，运用 Lyapunov函数和LMI进行稳定性分析并提出随机稳定的条件，用锥补线性化方法设计了镇定控制器，最后仿真算例验证了其有效性。

具有长时延和丢包的网络控制系统的故障检测

ＣＨＥＮＧｅ－ｍｉｇＷｉｎ，ＺＨＡＯｕｇａｇ，ＩＰｅ－ｃｅｇＣｈｎ－ｕｎＬｉｈｎ
（．Ｔｅ８ＲｓａｈＩｓｔｔｏＣｉａＥｅｔｎｃｅｈｏｇｒｐＣｒｏａｏ，ａｊｇＪｎｓ１０７Ｃｉ；１ｈｅｅｒｎｔｕｅｆｈｎｌｒｉＴｃｎｌｙＧｏｏｒｔｎＮｎｉｉｇｕ２００，ｈｎ２ｃｉｃｏｓｏｕｐｉｎａａ
ｏｖｎｓｈｎｔｅｅｐｎｎｉｌｓｂｌｙｃｎｉｏｆｈｂｅｖｒｓｓｅｓｇｖｎｎｅｅｔ．Ｔｅｈｘｏｅｔｔｉｔｏｄｔｎｏｅｏｓｒｅｙｔｍｉｉｅ．Ｗｈｎａｆｕｔｏｃｒ，ｔｅｏｓｒｅａａｉｉｔｅａｌｃｕｓｈｂｅｖｒｒｓｄｅｃｎｃａｇａｉｌｏｄｔｃｈａｌｅｉｕａｈｎｅｒｐｄｙｔｅｅｔｔｅｆｕｔｕｒａｘｍｐｅｓｏｈｆｃｉｅｅｓｏｅｐｏｏｅｔｏ．．Ａｎｍｅｉｌａｌｈｗｓｔｅｅｆｔｎｓｆｔｒｐｓｄｍｅｈｄｃｅｅｖｈ
ＡＢＳＡＣＴ：ｈａｌｄｔｃｉｎｐｏｌｍｆｎｔｒｅｏｔｏｓｓｅｔｏｇｔＴＲＴｅｆｕｔｅｅｔｒｂｅｏｅｗｏｋｄｃｎｒｌｄｔｒｐｕｓｄｌｙｎａａｄｏｏｔｉｓｕｉｄｔｄｅ．Ｂｓｄｏｈｘｄｒｔｆｔｅｄｔａｋｔｄｏｏｔｈｔｔｏｓｒｅｓｏｙｔｍｒｅｉｎｄａｃｒｉｇｔａｅｎｔｅｆｅａｅｏｈａａｐｃｅｒｐｕ，ｔｅｓａｅｈｅｖｒｆｓｓｅａｅｄｓｇｅｃｏｄｎｏｉ

具有长时延及丢包的网络控制系统稳定性分析

第22卷第1期Vol.22No.1控　制　与　决　策Cont rolandDecision2007年1月 J an.2007收稿日期:2005211208;修回日期:2006205209.基金项目:国家科技攻关计划项目(2001BA204B01);教育部骨干教师基金项目(69825106).作者简介:马卫国(1976—),男,山东栖霞人,博士生,从事网络控制系统的研究;邵诚(1958—),男,江苏靖江人,教授,博士生导师,从事复杂系统的建模与控制、自适应控制、鲁棒控制等研究. 文章编号:100120920(2007)0120021204具有长时延及丢包的网络控制系统稳定性分析马卫国,邵　诚(大连理工大学信息与控制研究中心,辽宁大连116024)摘　要:研究了同时具有大于一个采样周期的随机传输时延及数据包丢失的网络控制系统的稳定性问题.对于给定的数据包丢失率,网络控制系统被建模为具有两个事件速率约束的异步动态系统,利用异步动态系统理论给出了网络控制系统指数稳定的充分条件,状态反馈控制器可通过解一组矩阵不等式求出.仿真示例验证了所提出方法的有效性.关键词:网络控制系统;长时延;数据包丢失;稳定性;异步动态系统中图分类号:TP273 文献标识码:AStability analysis for net w orked controlsystems with longtransmission delay and data packet dropoutM A W ei 2g uo ,S H A O Cheng(Research Center of Information and Control ,Dalian University of Technology ,Dalian 116024,China.Correspondent :MA Wei 2guo ,E 2mail :ma_weiguo @ )Abstract :The stability of networked control systems ,with stochastic transmission delay larger than one sampling period and the dropped out packets ,is studied.For the given data packet dropout ,the networked control systems is modeled as an asynchronous dynamical system with rate constraints on two events.The sufficient condition of exponential stability for the networked control systems is presented based on the theory of asynchronous dynamical system.Meanwhile the state feedback controller can be solved by a set of matrix inequalities.A numerical example shows the effectiveness of the proposed method.K ey w ords :Networked control systems ;Long transmission delay ;Data packet dropout ;Stability ;Asynchronous dynamical system1　引言网络控制系统是指通过通讯网络形成闭环的反馈控制系统[1].在网络控制系统中,传感器、控制器和执行器等系统组件作为网络节点直接挂接在网络上,通过共享的有线或无线通讯网络进行传感和控制信息的交换,因此网络控制系统与传统的直接点对点连接的控制系统相比,具有连线少、成本低、安装维护方便和灵活性高等优点,被广泛应用于汽车制造、机器人和飞行器控制系统等多个领域[2,3].虽然网络控制系统具有很多优点,但在反馈回路中引入通讯网络后将产生一些新的问题:由于网络节点共享同一个通讯网络,数据通过网络传输时将会产生恒定或随机的通讯时延,而时延会使控制系统的性能恶化,甚至有可能使系统变得不稳定.网络控制系统中存在的另一个问题是数据丢包问题.因为通讯网络是一种非可靠的传输通道,当受到外界干扰或发生网络拥塞时,网络上的数据在传输时不但存在传输延迟,而且可能会出现数据包丢失的现象.这些问题使网络控制系统的分析和设计变得很复杂.对于网络控制系统中传输时延小于一个采样周期的情况,文献[4]利用时间戳的方法研究了系统的随机最优控制问题;文献[5]分析了传输时延大于一个采样周期的网络控制系统的稳定性,设计了最优状态反馈控制器和输出反馈控制器;文献[6]将时变网络时延看作某一恒定时延与不确定时延之和,建控制与决策第22卷立了具有结构不确定性的长时延网络控制系统模型,给出了基于矩阵不等式的控制器设计方法.然而,上述文献仅研究了网络传输延迟问题,没有考虑数据在传输过程中的丢包问题.对于网络控制系统中存在的数据丢包问题,文献[7]利用异步动态系统的方法研究了网络控制系统稳定性,给出了系统指数稳定的充分条件,但没有考虑数据的网络传输延迟的问题;文献[8]分析了同时具有传输延迟和数据包丢失的网络控制系统稳定性,但文中仅对小于一个采样周期的恒定延迟进行了讨论,没有考虑传输延迟大于一个采样周期的情况.本文将同时具有大于一个采样周期的随机传输延迟和数据包丢失的网络控制系统建模为具有两个事件速率约束的异步动态系统,利用异步动态系统理论分析了网络控制系统的稳定性,给出了基于矩阵不等式的状态反馈控制器设计方法.2　具有长时延及数据包丢失的网络控制系统模型本文研究的网络控制系统如图1所示.系统中控制器和执行器位于同一节点上,网络只存在于传感器与控制器之间.图1　具有长时延和数据包丢失的网络控制系统假设网络控制系统中被控对象的状态方程为x (t )=A x (t )+B u (t ),y (t )=Cx (t ).(1)其中:x (t )∈R n ,u (t )∈R m ,y (t )∈R p 分别为被控对象的状态、控制输入和被控对象的输出;A ,B ,C 为具有相应维数的定常矩阵.设传感器节点采用时间驱动方式,对被控对象进行等周期采样,采样周期为T ,传感器将采集到的被控对象数据打成一个数据包,通过串行通讯网络传输到控制器端的接收缓冲区.控制器接收到经过网络传输的数据后立刻计算控制量.设数据在网络上的传输时延大于一个采样周期且是随机的,则时延可描述为τk =(d -1)T +τmid+τ′≤ d T.其中:d ≤ d =[τwc/T ],[Δ]表示大于Δ的最小整数,τwc 为已知的最坏情况下的时延,τmid=T/2,-T/2≤τ′≤T/2.通常数据通过网络传输可分为两种情况:一是数据在传输过程中没有出现差错,成功地从源节点到达目的节点,将这种数据传输成功的情况记为事件S 1,设其发生率为r;另一种情况是数据在传输过程中由于受到外界干扰而出现差错或者丢失,此时发送节点将根据所采用的通讯协议采取不同的措施.例如,如果网络节点采用的是基于连接的TCP 协议,则发送节点将重新传输丢失的数据包;如果网络节点采用的是UDP 协议,由于UDP 协议是基于无连接的,如果数据包丢失,发送节点不会重传丢失的数据包.将数据传输失败的情况记为事件S 2,其发生率为1-r.这样就可以将网络看作一个以速率r 闭合的开关.当S 1发生时,被控对象的离散时间模型为[6]x (k +1)=Φx (k )+Γ0(τk )u (k -d +1)+Γ1(τk )u (k -d ).(2)其中Φ=e A T ,Γ0(τk )=∫T-T/2-τ′e As d sB =∫T/2e As d sB +eA (T/2)∫-τ′e As d sB ,Γ1(τk )=∫TT-T/2-τ′e As d sB =∫TT/2e As d sB +eA (T/2)∫-τ′0e As d s (-B ).令Γ0=∫T/2e Asd sB ,Γ1=∫TT/2e As d sB ,D =eA (T/2),F =∫-τ′e As d s ,E 0=B ,E 1=-B ,増广向量z (k )=[x (k )Tu (k -d )T…u (k -1)T ]T ,则式(2)化为z (k +1)= Φ1z (k )+ Γ1u (k ).(3)其中 Φ1=ΦΓ1+D F E1Γ0+D F E 0 (00)I…0…………000…I 000…0, Γ1=[0　0　…　0　I ]T . 当S 2发生时,由于网络传输数据失败,执行器将保持上一周期的值,即u (k )=u (k -1).此时被控对象的离散时间模型为[6]z (k +1)= Φ2z (k )+ Γ2u (k ).(4)22第1期马卫国等:具有长时延及丢包的网络控制系统稳定性分析其中Φ2=ΦΓ1+D F E1Γ0+D F E0…00I 0…………000 (I)000 (I),Γ2=[0　0　…　0　0]T 如果网络控制系统中的控制器采用状态反馈控制律u(k)=Kz(k),则闭环网络控制系统的状态方程为z(k+1)= Φs z(k),s=1,2.(5)其中Φ1=^Φ1+^D F^E+ Γ1K,Φ2=^Φ2+^D F^E+ Γ2K,^Φ1=ΦΓ1Γ0...0 00I...0............000 (I)000 0,^Φ2=ΦΓ1Γ0...0 00I...0............000 (I)000 (I),^D=[D T　0　…　0　0]T,^E=[0　E1　E0　…　0　0].这样,网络控制系统便转化成为一个具有两个事件速率约束的异步动态系统,可利用已有的异步动态系统理论对其进行分析研究.3　稳定性分析引理1[9]　设具有相应维数的矩阵W,D和E,其中W为对称阵,对于所有满足F T F≤I的矩阵F,W+D F E+E T F T D T<0成立的充要条件是存在ε>0,使得W+εD D T+ε-1E T E<0.引理2[10](Schur补引理)　对于给定的对称矩阵L=L11L12L T12L22,下述条件是等价的:1)L<0;2)L11<0,L22-L T12L-111L12<0;3)L22<0,L11-L12L-122L T12<0.引理3[11]　设异步动态系统x(k+1)= f s(x(k)),其中s=1,2,…,N,离散事件的发生率分别为r1,r2,…,r N,0≤r s≤1,且∑Ns=1r s=1.如果存在L yap unov函数V(x(k)):R n→R+以及对应于事件发生率的正标量α1,α2,…,αN,满足下列不等式:αr11αr22…αr N N>α>1,(6)V(x(k+1))≤α-2s V(x(k)),s=1,2,…,N,(7)则异步动态系统是指数稳定的,其衰减率为α.具有传输延迟和数据包丢失的网络控制系统可建模为一个异步动态系统,所以根据上述引理,可得到如下结论:定理1　对于由式(5)描述的闭环网络控制系统,假设数据通过网络传输的成功率为r.如果存在对称正定矩阵X,矩阵Y以及正的标量α1,α2,α和ε,使得下列不等式成立:αr1α1-r2>α>1,(8) -α-21X(^Φ1X+ Γ1Y)T(^E X)T^Φ1X+ Γ1Y-X+ε^D^D T0^E X0-εΙ<0,(9)-α-22X(^Φ2X)T(^E X)T^Φ2X-X+ε^D^D T0^E X0-εΙ<0,(10)则网络控制系统是指数稳定的,其衰减率为α,其中状态反馈控制器增益矩阵K=Y X-1.证明　因为数据通过网络传输的成功率为r,所以事件S1和S2的发生率为r和1-r.代入式(6)可得式(8).选取Lyap unov函数V(z(k))=z T(k)Pz(k),其中P为对称正定矩阵.事件S1发生时,有V(z(k+1))-α-21V(z(k))=z T(k+1)Pz(k+1)-α-21z T(k)Pz(k)=z T(k)[( Φ1+ Γ1K)T P( Φ1+Γ1K)-α-21P]z(k),所以V(z(k+1))≤α-21V(z(k))成立的充分条件为( Φ1+ Γ1K)T P( Φ1+ Γ1K)-α-21P<0.由Schur补引理,上式等价于-α-21P( Φ1+ Γ1K)TΦ1+ Γ1K-P-1<0.将 Φ1=^Φ1+^D F^E代入上式,得-α-21P(^Φ1+^D F^E+ Γ1K)T ^Φ1+^D F^E+ Γ1K-P-1<0. 上述不等式两边同时乘以diag{P-1,I},并设X32 控制与决策第22卷=P-1,Y =KX ,得-α-21X(^Φ1X +^D F^E X + Γ1Y )T^Φ1X +^D F^F X + Γ1Y-X<0,即-α-21X(^Φ1X + Γ1Y)T^Φ1X + Γ1Y -X +^D F[^E X 0]+(^E X )TF T[0　^D T]<0. 根据引理1,得-α-21X(^Φ1X + Γ1Y )T^Φ1X + Γ1Y -X +ε^D ^D T+ε-1(^E X )T[^E X 0]<0.再由Schur 补引理得式(9). 事件S 2发生时,按上述推导方法可以得到式(10).根据引理2,当式(8)～(10)成立时系统是指数稳定的,其衰减率为α.□定理1说明被控对象允许数据在传输过程中存在一定的丢失率.例如软实时系统,当网络发生拥塞时,系统可以主动丢弃一些非紧急数据来节约网络带宽,避免拥塞发生.4　仿真示例假设网络控制系统中被控对象的状态方程为x (t )=010x (t )+1u (t ),y (t )=[1　0]x (t ). 系统的采样周期为0.3s ,网络通讯延迟在区间[0.3,0.6]s 内均匀分布,数据通过网络传输的成功率为90%.首先对被控对象离散化,得Φ=10.301,Γ0=0.01130.15,E 0=01,Γ1=0.03380.15,E 1=-1,D =10.1501.设控制器采用状态反馈控制,利用本文方法求解不等式(8)～(10),得α1=1.06,α2=0.76,α=1.02,ε=0.22,X =429.02-84.18811.5611.558-84.18821.343-4.52-4.489611.56-4.521.76161.566811.558-4.48961.56681.5626,Y =[11.54　-4.4105　1.3936　1.3908]. 进一步,可求得Lyap unov 函数中的对称正定矩阵P =0.02810.16950.02070.25860.16951.14200.13651.89070.02070.13655.2619-5.03710.25861.8907-5.03719.2101,控制器的状态反馈增益矩阵K =[0.0351　-0.2611　-0.0356　0.4354].假设系统的初始状态为[-2　3]T ,在上述控制律的作用下,网络控制系统的状态运动轨迹如图2和图3所示.从图可以看出,在网络通讯延迟是随机变化且存在一定程度数据包丢失的情况下,系统仍然能够快速达到稳定状态.图2　状态x 1的运动轨迹图3　状态x 2的运动轨迹5　结语由于网络控制系统中的节点通过共享的通讯网络交换信息,当网络带宽有限时,数据在传输过程中不仅具有传输延迟,而且可能产生数据包丢失.本文分析了网络传输延迟和数据包丢失对网络控制系统的性能影响,利用异步动态系统理论建立了传输延迟大于一个采样周期,同时具有数据包丢失的网络控制系统模型,给出了基于矩阵不等式的网络控制系统指数稳定的充分条件,利用该矩阵不等式可以很容易地求出系统的状态反馈控制器.仿真算例说明了该方法的有效性.参考文献(R eferences)[1]Branicky M S ,Phillip s S M ,Zhang W.Stability ofnetworked control systems :Explicit analysis of delay [C ].Proc American Control Conf.Chicago ,2000:235222357.(下转第29页)42第1期潘天红等:基于即时学习的非线性系统优化控制 [-0.175,+0.175],σε(t)=0.1的白噪声扰动[9].系统的跟踪情况如图5所示.由图5可知,系统能较好地跟踪设定轨迹.5　结论本文从信息向量的相似性角度,提出了k2 VNN即时学习算法,该算法能够提高局部建模的精度.将该算法与数据驱动(Data2driven)的逆控制方法相结合,在得到系统控制量的同时,用性能指标最优策略在线修正系统控制量,可得到当前的最优控制量.将其作用于系统,可实现系统跟踪控制.为提高系统的泛化能力,同时避免系统数据库过于庞大,提出了数据库更新策略,以适应系统新的工况要求.仿真结果表明了所提出方法的有效性.参考文献(R eferences)[1]Atkeson C G,Moore A W,Schaal S.Locally weightedlearning for control[J].Artificial Intelligence Review, 1997,11(1):752113.[2]Rhodes C,Morari M,Tsimring L S,et al.Data2basedcontrol trajectory planning for nonlinear systems[J].Physical Review E,1997,56(3):239822406.[3]Arif 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(上接第24页)[2]Tip suwan Y,Chow M Y.Control methodologies innetworked control systems[J].Control Engineering Practice,2003,11(10):109921111.[3]Hokayem P F,Abdallah C T.Inherent issues innetworked control systems:A survey[C].Proc American Control Conf.Boston,2004:489724902. [4]Nilsson J,Bernhardsson B,Wittenmark B.Stochasticanalysis and control of real time systems with random time delays[J].Automatica,1998,34(1):57264. [5]Hu S S,Zhu Q X.Stochastic optimal control andanalysis of stability of networked control systems with long delay[J].Automatica,2003,39(11):187721884.[6]Li S B,Wang Z,Sun Y X.Delay2dependent controllerdesign for networked control systems with long time delays:An iterative L MI method[C].Proc of the5th World Congress on Intelligent Control and Automation.Hangzhou,2004:133821342.[7]Zhang W,Branicky M S,Phillip s S M.Stability ofnetworked control systems[J].IEEE Control Systems Magazine,2001,21(1):84299.[8]樊卫华,蔡骅,吴晓蓓,等.具有延时和数据包丢失的网络控制系统的稳定性[J].南京理工大学学报,2004,28(5):4652468.(Fan W H,Cai H,Wu X B,et al.Stability of networked control systems with time delay and data packet dropout[J].J of Nanjing University of Science and Technology,2004,28(5):4652468.)[9]Wang Y,Xie L,De Souza C E.Robust control of aclass uncertain nonlinear systems[J].Systems and Control Letter,1992,19(3):1392149.[10]Boyd S,Ghaoui L E,Feron E,et al.Linear matrixinequalities in system and control theory[M].Philadelphia:SIAM,1994.[11]Hassibi A,Boyd S P,How J P.Control ofasynchronous dynamical systems with rate constraints on events[C].Proc IEEE Conf Decision and Control, Phoenix,1999:134521351.92。

网络控制系统的稳定性分析

网络控制系统的稳定性分析1、引言人类社会是不断向前发展的，促使这种发展最大的动力莫过于人类的创造力，人类利用自己这种特有的能力在改造着自然，同时也在不断改变着人类社会和人们的思维方式。

正是由于人类在自身发展过程中不断的创造和探索，特别是随着科学技术的不断发展，这种变革的速度也越来越快。

现在科技的进步日新月异，各种新技术不断涌现，网络控制系统(Networked Control Systems, NCS)是最近几年随着控制技术、计算机技术、通信网络技术发展起来的，是控制系统新的发展方向，是复杂大系统控制和远程控制系统的客观需求。

NCS的典型结构图如图1所示。

传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智能化为通信网络在控制系统更深层次的应用提供了必需的物质基础，同时通信网络的管理和控制也要求更多地采用控制理论技术和策略，而高速以太网和现场总线技术的发展和成熟解决了网络控制系统自身的可靠性和开放性问题，这都使得网络控制系统发展更具有现实性。

使用专用或公用计算机网络代替传统控制系统的点对点控制结构，实现传感器、控制器、执行器等系统组件之间的控制信息互相传递。

在这样的控制系统中，检测、控制、协调和指令等各种信息都可通过公用数据网络进行传输，而估计、控制和诊断等功能也可以在不同的网络节点中分布执行。

NCS广泛应用于汽车工业、制造业、交通管理与控制、机器人远程操作、高级的航天航空器和电气化运输工具等各种应用中。

图 1 网络控制系统典型结构图然而，在网络控制系统中由于通信网络的介入，使得控制系统的分析和综合更为复杂。

首先，由于控制系统的信息在网络中传输，网络调度是一个很重要的问题，怎么让时间同步，避免网络堵塞，减少网络中的冲突，能有效的利用网络。

其次，由于网络控制系统中存在网络诱导时延，它是随机的，可能是定长的，也可能是时变的，这种时延可能会降低系统的性能，甚至导致系统的不稳定，其次，在网络中传输的数据包还可能在传输中丢失，在多包传输中可能有数据包乱序等问题，这也是导致系统性能下降甚至不稳定的因素。

网络化控制系统通信时延与丢包的分析和补偿

网络化控制系统通信时延与丢包的分析和补偿随着信息技术的进步，网络化控制系统正在广泛应用于各个领域，如工业自动化、智能交通、智能家居等。

然而，网络化控制系统面临着通信时延和丢包等问题，这对系统的实时性和可靠性提出了挑战。

因此，对网络化控制系统中通信时延与丢包进行深入分析并进行相应的补偿是非常必要的。

首先，我们来分析网络化控制系统中通信时延的影响。

通信时延指的是从发送控制信号到接收控制信号所需要的时间。

在网络化控制系统中，控制信号需要通过网络传输，而网络的带宽、传输速度以及网络拥塞等因素都会导致通信时延的增加。

通信时延的增加会导致控制信号无法及时到达执行器，从而影响系统的实时性和稳定性。

其次，我们来分析网络化控制系统中丢包问题的影响。

丢包是指在网络传输过程中，控制信号的某些数据包丢失。

丢包问题主要由于网络拥塞、信号干扰、传输错误等原因引起。

当控制信号的数据包丢失时，执行器无法正确接收到控制指令，从而导致系统无法正常工作。

丢包问题会严重影响系统的可靠性和精确性。

针对通信时延和丢包问题，我们可以采取一些补偿措施来提高网络化控制系统的实时性和可靠性。

首先，可以使用预测控制算法来预测通信时延，并在控制信号中加入补偿项，从而实现对通信时延的补偿。

其次，可以采用冗余传输和前向纠错等技术来解决丢包问题。

冗余传输即发送多份相同的控制信号，当某个数据包丢失时，执行器可以根据其他数据包进行恢复。

前向纠错则是在发送的数据包中添加冗余信息，接收器可以根据这些冗余信息进行错误纠正。

综上所述，网络化控制系统中的通信时延和丢包问题对系统的实时性和可靠性产生了影响。

针对这些问题，我们可以通过预测控制算法、冗余传输和前向纠错等技术进行补偿，从而提高网络化控制系统的性能。

未来，我们还可以进一步研究和改进这些补偿方法，以满足不同应用场景对网络化控制系统的要求。

具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制的开题报告

具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制的开题报告一、研究背景与意义随着信息技术的不断发展，网络控制系统（NCS）已被广泛应用于列车控制、流程控制、机器人控制、航空控制等各个领域。

NCS通过将控制器、传感器和执行器分布在网络上，实现数据的时空分布，提高了系统的性能。

但是，由于数据在网络中的传输会受到时延、抖动和丢包等因素的影响，因此会对控制系统的响应性能和稳定性造成影响，甚至可能导致系统失控。

因此，如何分析具有时延和丢包的NCS，如何通过有效的控制策略提高系统的性能和稳定性，是目前亟待解决的重要问题。

二、研究目标本论文旨在通过对具有时延和丢包的NCS的分析与控制，实现以下目标：1.建立具有时延和丢包的NCS模型。

2.研究具有时延和丢包的NCS的稳定性及性能分析方法。

3.设计控制算法，提高具有时延和丢包的NCS的响应性能和稳定性。

三、研究内容1. NCS 的基本概念和分类NCS的概念和特点，以及传统的NCS和现代NCS的分类和区别。

2. 具有时延和丢包的NCS的建模方法介绍具有时延和丢包的NCS的建模方法，包括网络延迟模型、丢包模型及其对系统性能的影响等。

3. 具有时延和丢包的NCS稳定性分析方法分析具有时延和丢包的NCS的稳定性，引入复杂NCS的稳定性理论研究具有时延和丢包的NCS。

4. 具有时延和丢包的NCS的性能分析方法引入控制性能指标与NCS的相关性，研究NCS性能指标的计算和性能分析方法。

5. 具有时延和丢包的NCS的控制方法研究对具有时延和丢包的NCS进行控制的方法和控制算法，包括经典的PID控制算法和基于模型预测控制的算法。

四、研究计划第一年：1.分析现有NCS研究的基本概念和分类；2.研究具有时延和丢包的NCS的建模方法，建立基本的控制系统模型；3.融合生产控制系统的实际数据，仿真分析具有时延和丢包的NCS 的性能；第二年：1.分析具有时延和丢包的NCS的稳定性，引入复杂NCS的稳定性理论；2.分析具有时延和丢包的NCS的性能，研究性能指标的计算和性能分析方法；3.设计控制方法和算法，提高具有时延和丢包的NCS的响应性能和稳定性；第三年：1.开发控制系统，并进行实际测试；2.优化具有时延和丢包的NCS，并实现对其实际控制。

时延丢包网络控制系统的分析与控制

基金项目：淮南市科技计划项目（．１Ａ００５。Ｎｏ２１８系统中同时存在时延和丢包问题，于零阶保持器的工作机制，同时受时延和丢包影针基将
响的网络控制系统建模为输入带有时延的控制系统，根据李雅普诺夫稳定性理论和时滞系统理论得出控制系统的时滞相关稳定性条件，一步基于锥补线性化的方法给出控制器的设计方法，效解决了网络控制系统进有
ＳＵＮｇ．ＡｎａｙｉｎｄｃｎｔｏｔｒｅｃｎｔｏｙｓｅｓｗｉｈｂｏｈｉｅｄｅａｎｄｐａｋｅｏｕｔＹｅｕｏｌｓｓａｏｒｌｏｆｎｅｗｏｋｄｏｒｌｓｔｍｔｔｔｍｌｙａｃｔｄｒｐｏ．
中同时存在时延和丢包的控制问题。仿真算例表明所提方法的有效性。
关键词：网络控制系统；性矩阵不等式；线锥补线性化文章编号：０２８３（０２２．０９０文献标识码：中图分类号：Ｐ９１０ —３１２１）１０８ —５ＡＴ３３
ＣｍｕｒｎｉｅｉｄｐｌａｉｓｏｐｔｇｎｒｇｎＡｐｉｔｎ计算机工程与应用ｅＥｅｎａｃｏ
时延丢包网络控制系统的分析与控制
孙业国
ＳＵＮＹｅｕｏｇ
淮南师范学院数学与计算科学系，安徽淮南２２３３０８
．
Ｂａｅｎｔｅｗｏｋｎｅｈｎｓｏｅｏ０ｒｅｌＺｓｄｏｈｒｉｇｍｃａｉｍｆＺｒ一ｄｒＨｏｄ（ＯＨ）ｉｃａｏ，ｈｎａｔｔｒｔｅＮＣＳｉｍｏｅｅｓａｃｎｒｌｙｔｍｕＳｄｌｄａｏｔｏｓｅｓ

宽带无线通信系统的时效性与稳定性分析

宽带无线通信系统的时效性与稳定性分析摘要：宽带无线通信系统作为当前通信领域的一个热门研究方向，其时效性和稳定性对于保证通信质量和用户体验至关重要。

本文将对宽带无线通信系统的时效性和稳定性进行深入分析，包括时延、带宽、丢包率、抖动以及系统可靠性等方面。

1. 引言在信息社会的背景下，宽带无线通信系统扮演着越来越重要的角色。

如今的宽带无线通信系统已经进化为第四代（4G）和第五代（5G）的移动通信技术，具有更高的传输速率和更低的延迟。

然而，时效性和稳定性仍然是宽带无线通信系统中必须解决的关键问题。

时效性指的是数据从发送端到接收端的传输延迟，而稳定性则是指宽带无线通信系统在任何工作环境下都能够稳定运行的能力。

2. 时效性分析2.1 时延时延是指数据从发送端到接收端所经历的时间。

在宽带无线通信系统中，时延包括传输时延、处理时延和排队时延等。

传输时延是指数据通过通信链路传输所需的时间，处理时延是指数据在接收端进行处理所需的时间，排队时延是指数据在网络节点排队等待的时间。

为了保证宽带无线通信系统的时效性，需要尽量减小时延，包括优化网络拓扑结构、使用高速传输设备、合理设计传输协议等。

2.2 带宽带宽是指在单位时间内传送的数据量，宽带无线通信系统的带宽决定了其数据传输的速率。

提高带宽可以减小数据传输的时间，从而提高宽带无线通信系统的时效性。

无线通信中常用的提高带宽的方法包括：使用更高频段的信号进行传输、采用更高效的调制与编码技术、增加传输天线的数量等。

3. 稳定性分析3.1 丢包率丢包率是指在数据传输过程中丢失的数据包的比例。

在宽带无线通信系统中，丢包率的高低直接影响到数据的完整性和通信质量。

较高的丢包率会导致数据重传，加大了传输时延，降低了系统的时效性。

为了降低丢包率，需要采取相应的措施，如优化网络拓扑结构、增加冗余机制、设计合理的差错控制技术等。

3.2 抖动抖动是指数据传输时延的不稳定性。

在宽带无线通信系统中，抖动会导致数据的到达时间不确定，从而影响数据的接收和处理。

网络控制系统的时延补偿与稳定性研究的开题报告

网络控制系统的时延补偿与稳定性研究的开题报告一、研究背景和意义随着现代互联网的不断发展，网络控制系统被广泛应用于工业控制、智能家居、自动驾驶等领域。

然而，网络通信中的时延、抖动、数据丢失等问题，给网络控制系统的实时性、准确性、可靠性带来了很大挑战。

因此，网络控制系统的时延补偿与稳定性研究成为了当前网络控制系统研究的热点之一。

在实际应用中，网络控制系统的时延补偿对系统稳定性具有重要影响。

时延补偿是指在网络通信过程中，通过预测和补偿时延，能够将控制器输出与被控对象状态同步，从而提高系统控制精度和稳定性。

因此，研究如何有效补偿时延，提高网络控制系统的控制精度和稳定性，具有重要意义。

二、研究内容和方法本研究将重点研究网络控制系统的时延补偿与稳定性问题。

具体内容包括：（1）研究网络控制系统的时延模型，包括网络通信中的时延、抖动、数据丢失等因素对系统时延的影响。

（2）研究基于状态反馈的网络控制器设计方法，以及如何通过状态反馈有效补偿时延，从而提高系统控制精度和稳定性。

（3）研究网络控制系统的稳定性分析方法，评估系统的稳定性和性能。

本研究采用理论分析和仿真实验相结合的方法，验证时延补偿算法的有效性和稳定性，并提出优化策略，为网络控制系统的实际应用提供技术支持。

三、预期研究结果本研究预计得到以下研究结果：（1）研究网络控制系统的时延模型，为后续时延补偿算法的设计提供理论基础。

（2）研究基于状态反馈的网络控制器设计方法，提出一种有效的时延补偿算法，提高网络控制系统的控制精度和稳定性。

（3）提出网络控制系统的稳定性分析方法，评估网络控制系统的实时性和稳定性。

（4）通过仿真实验验证时延补偿算法的有效性和稳定性，并提出优化策略，为网络控制系统的实际应用提供技术支持。

四、论文结构安排本研究的论文结构安排如下：第一章：绪论1.1 研究背景和意义1.2 研究内容和方法1.3 预期研究结果1.4 论文结构安排第二章：网络控制系统的时延模型2.1 网络通信时延的影响因素2.2 网络控制系统的时延模型2.3 时延补偿算法设计第三章：基于状态反馈的网络控制器设计3.1 基于状态反馈的网络控制器设计原理3.2 时延补偿算法的设计3.3 时延补偿算法的优化第四章：网络控制系统的稳定性分析4.1 网络控制系统的稳定性分析方法4.2 稳定性分析实验4.3 实验结果分析第五章：仿真实验及应用举例5.1 仿真实验设计5.2 仿真实验结果分析5.3 应用举例第六章：结论与展望6.1 结论6.2 研究不足之处与展望参考文献附录。

具有长时延和丢包的网络控制系统稳定性分析

具有数据包丢失的网络控制系统的基本结构如图 1所示。
收稿日期 : 2009209230; 修回日期 : 2009211202 作者简介 :蒋莲莲 (19842 ) ,女 ,湖北荆门人 ,硕士 ,主要研究方向为网络控制系统、容错控制 ( nizhonglian0836 @163. com ) ;杨光红 ( 19632) ,男 , 吉林长春人 ,教授 ,博导 ,主要研究方向为网络控制系统、容错控制、非线性控制等 ;但雨芳 ( 19842) ,女 ,湖北赤壁人 ,博士 ,主要研究方向为数据挖掘、SOA; 王海浪 (19822) ,男 ,湖南长沙人 ,硕士 ,主要研究方向为电子式互感器、容错控制.
引言
网络控制系统 ( networked control system s, NCS)是利用专用或公用数据通信网络代替传统的点对点连接构成的闭环控制系统 ,如图 1所示。与分布式控制系统相比 ,其在通信网络上建立闭环控制回路 ,具有简单、快捷、连线少、可靠性高、易实现信息共享、易维护和扩展、成本低等优点。正因如此 ,近年来 ,以现场总线为代表的网络控制系统得到了前所未有的快速发展和广泛应用 ,为进一步促进国家的以信息化带动工业化的发展创造了条件。但因为网络的引入 ,系统在传感器与控制器和控制器与执行器之间就会因为网络的不稳定、节点冲突、带宽限制等原因导致数据延迟和数据包丢失。网络诱导时延分为长时延和短时延。大于一个采样周期的时延叫长时延 (τ> nT, n∈ ( 2, 3, 4, …) ) ;反之 ,则为短时延。而数据包丢失可分为异步丢失和随机丢失 [1 ] 。对异步丢失 , Zhang W ei[2 ]将有数据包丢失的网络控制系统建模为具有事件速率约束的异步动

时延丢包网络控制系统的稳定性分析与控制器设计

ｌ＿＝＿
图１时延和丢包相混合的网络控制系统
其中，Ｋ∈Ｒ “ 为要设计的控制器．控制器（６）ｑｈ的不含采样时刻ｋ说明控制器由事件驱动，且不受时延和丢包影
响．于是得到闭环系统
一
３一
ｘ（ｋ＋１）＝Ａｘ（ｋ）＋ＮＫｘ（ｋ－ｄ（ｋ））
对于网络控制系统的研究当前主要集中于单纯的网络
０
诱导时延或数据包丢失对系统的影响．但对网络诱导时延和
数据包丢失双重影响下的系统研究文章相对较少［５－０１．＼５５、耍ｆ８
１ｌ０１ｌ１２３４２
基于输入延时的方法对网络控制系统进行了建模，针对网
‘ ０
络控制系统中存在的网络诱导时延和数据包丢失的情况，
运用李亚普诺夫理论，通过线性矩阵不等式方法对时延丢包网络控制系统进行控制器的设计和稳定性分析［１ｌ】＿
Ｖ０１．２９Ｎｏ．１ＯＯｃｔ．２０１３
时延丢包网络控制系统的稳定性分析与控制器设计
马小霞．孙业国
（淮南师范学院
摘
数学与计算科学系，安徽
淮南
２３２０３８）
要：本文针对同时具有网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统，基于输入延时的方法，根据李雅普诺夫稳定性
（７）
ＹＥＲｍ × ｎ使得线性矩阵不等式

具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计的开题报告

具有时延和数据丢包的网络化控制系统的分析与设计的开题报告一、选题背景和意义随着物联网和工业互联网的发展，网络化控制系统已经广泛应用于工业领域。

这种系统使用网络连接控制器和执行器，使控制系统对于机器和工厂之间的操作和信息交换变得更加高效，但也会面临时延和数据丢失等问题。

因此，对于具有时延和数据丢包的网络化控制系统进行研究具有重要意义。

针对这些问题，研究网络化控制系统的分析与设计可以帮助掌握与系统性能相关的指标并提高其运行效率，提高系统可靠性和稳定性，保证系统的安全性和性能。

二、研究目标和研究内容研究目标：研究具有时延和数据丢包的网络化控制系统的性能评估和优化方法，以提高系统的稳定性和可靠性。

研究内容：1.分析具有时延和数据丢包的网络化控制系统的特点和应用领域，提出系统可靠性和稳定性评价方法；2.研究网络时延和数据丢包对于系统性能的影响，建立数学模型进行分析；3.提出网络化控制系统的稳定性分析方法和优化算法；4.设计实验进行网络化控制系统的性能测试。

三、研究方法和技术路线研究方法：数据分析与数学建模结合，理论分析与实验验证相结合。

技术路线：1. 系统性能评价：分析网络化控制系统的特点和应用领域，提出系统可靠性和稳定性评价方法，包括定义评价指标和计算公式；2. 系统建模：针对具有时延和数据丢包的网络化控制系统建立数学模型，考虑到系统的动态特性和网络时延、数据丢包的影响；3. 系统稳定性分析：通过对系统模型的分析，提出网络化控制系统的稳定性分析方法和优化算法，包括根轨迹法、鲁棒稳定性分析法等；4. 系统性能测试：设计实验，在实验平台上进行网络化控制系统的性能测试，验证模型和算法的正确性与可行性。

四、预期成果和创新点预期成果：1. 对于具有时延和数据丢包的网络化控制系统，提出系统可靠性和稳定性评价方法，并进行定量分析和验证；2. 基于数学模型和算法，提出系统性能的优化和提升方法；3. 给出有效的实验数据分析，验证系统模型和算法的正确性和可行性。

具有时延和丢包的网络控制系统稳定性分析

具有时延和丢包的网络控制系统稳定性分析王涌;张燕燕【摘要】在网络控制系统(NCS)中,网络诱导时延通常是随机的,且丢包过程同时存在于反馈通道和前馈通道中.针对含短随机时延和异步丢包的网络控制系统稳定性问题,采用不确定系统参数矩阵以克服双通道上随机时延对NCS分析的影响,进而考虑双通道均存在丢包的情况,将NCS建模为具有4个事件率约束的异步动态系统.根据传感器-控制器与控制器-执行器双通道的数据包丢失率,设计状态反馈控制器,稳定NCS闭环指数.通过物联网考勤机的无线传输控制系统实例验证了该方法的有效性.【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2015(041)010【总页数】6页(P111-116)【关键词】网络控制系统;随机网络诱导时延;异步丢包;状态反馈;指数稳定【作者】王涌;张燕燕【作者单位】浙江工业大学计算机科学与技术学院,杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,杭州310023【正文语种】中文【中图分类】TP393DO I：10.3969/j.issn.1000-3428.2015.10.021相比传统点对点控制系统，网络控制系统（Network Control System，NCS）具有系统连线少、资源信息共享、易诊断维护、灵活可靠等诸多优势，被广泛应用于远程医疗、智能交通、航空航天等多领域。

然而，NCS在给生产生活带来极大便利的同时，也因不可靠的网络传输方式导致NCS存在诸多难题和挑战，例如网络诱导时延、数据包丢失、量化误差等。

其中，网络诱导时延和数据包丢失是影响系统性能甚至不稳定的主要因素。

网络拥塞、链路故障以及传输错误等诸多原因都可能引起上述问题。

近年来，许多文献提出了针对含时延、丢包的NCS的稳定性分析和控制器设计。

而现有的多数结果都是在过于理想化的状态下得到的。

例如，只考虑传感器-控制器（S-C）和控制器-执行器（C-A）之间的时延［1-4］或只考虑S-C和 C-A之间的丢包［5-7］。

具有时延和丢包的不确定性NCS的稳定性

协议算法及仿真电子科技2009年第22卷第10期收稿日期:2008 12 12作者简介:赵尊旺(1984-),男,硕士研究生。

研究方向:网络控制系统的稳定性分析。

具有时延和丢包的不确定性NCS 的稳定性赵尊旺(西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安 710071)摘要研究了同时具有网络时延和数据丢包的不确定网络化控制系统的稳定性。

将数据丢失看成一种特殊的时延,利用动态反馈控制器设计提高系统的动态性能,得到了总时滞(包括传感器与控制器之间的时滞,控制器与执行器之间的时滞)的表达式,建立了不确定网络化控制系统模型。

通过构造李亚普诺夫函数,采用线性矩阵不等式技巧,给出了系统稳定的判定定理。

仿真结果表明了该方法的有效性。

关键词不确定网络化控制系统;网络时延;数据丢包;动态反馈控制器;线性矩阵不等式中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2009)10-060-06St ability of Uncert a i n t y NCS w ith Tim e de lay and Data Packet D ropout Zhao Zunw ang(Schoo l of Electr onic Engineeri ng ,X idi an U niversity ,X i a n 710071,Chi na)Abstract This paper studies the stability of the uncerta i n net worked c ontr o l syste msw ith net w ork i nduced delays and data packet dropout .T he pac ket dropout is consi dered as a special ki nd of delay .A dyna m i c feed back c ontr o ller is i ntroduced to stabilize the net wor ked control syste m s and m i prove their dyna m ic perfor m ance .T he expression of total net w ork i nduced delay i ncl udi ng t he sensor to contr o ller delay and the contr o ller to actu ator delay is g i ven ,and the net w orked control syste m model is establi shed .The theore m to deter m i ne the sta b ility o f the syste m is g i ven by constructi ng Lyapunov function and using L M I tec hnique .Sm i ulation results ver ify the feasibility o f the m ethod .K ey words net worked control syste m s ;net w ork i nduced delay ;data packet dr opout ;dyna m ic feedbac k controller ;linearm atri x i nequality与传统点对点连接控制系统相比,网络化控制系统具有操作灵活、易于诊断和维护、成本与能耗低、安装维护简单、可靠性高等优点[1-4]。

具有时延和丢包的非线性网络控制系统的切换稳定性研究

高技术通讯2020年第30卷第10期:1068~1077doi:10.3772/j.issn.1002-0470.2020.10.009具有时延和丢包的非线性网络控制系统的切换稳定性研究①张奇②*刘斌③卄(-武汉科技大学冶金自动化与测量技术工程研究中心武汉430081)("湖北省冶金过程系统科学重点实验室武汉430081)摘要针对带有双边随机时延和丢包的非线性网络控制系统(NNCS),本文利用模型依赖的平均驻留时间(MDADT)方法研究了其系统的稳定性。

采用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型表示系统中的非线性对象，使用不确定性方法表示系统中的随机时延，并使用切换系统方法表示系统的丢包过程，建立了参数不确定性的离散时间模糊切换系统模型。

进一步地，根据慢切换和快切换相结合的MDADT方法，给出了切换系统状态满足的指数稳定性条件。

通过非线性倒立摆仿真实验，验证了所提方法的有效性，并通过实验对比证明，对于处理非线性系统，根据T-S模糊模型所设计的模糊控制器比根据模型线性化后所设计的线性控制器具有更大的稳定范围。

关键词非线性网络控制系统(NNCS)；Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型；切换系统；模型依赖的平均驻留时间(MDADT)0引言随着网络通讯技术和计算机技术的高速发展,网络控制系统(networked control system,NCS)应运而生。

相比于传统的控制策略,NCS的优势在于能够实现远程分布控制和远程分布共享，安装维护方便以及具有高度的灵活性⑴。

然而,通过网络传输数据时,系统中不可避免地存在随机时延和数据包丢失,这将会影响系统的控制性能,甚至破坏其稳定性。

针对存在的随机时延和随机丢包的线性NCS,输入时延'Bernoulli分布、Markov链以及切换系统等方法已经被用于对其进行建模和分析口句。

然而,只有少数文章研究了非线性被控对象。

因此，对存在随机时延和丢包的非线性网络控制系统(nonlinear networked control system,NNCS)的研究是很有必要的。

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：当传感器、控制器和执行器通过网络传输数据时，态输出模型可以表示为ｊ
极易出现数据碰撞导致节点竞争失败、数据传输
与接收出错以及数据包在一定时间未到达接收端 ¨。
收稿日期：２１０２。００— ８— ７
ｋ）（Ｔ表示经由网包丢失、时钟同步和数据安全等，如果不能合理周期传感器检测输出；（Ｔ／ｋ）
地解决这些问题，将会使系统性能受到严重络传输的控制器输入；（Ｔ表示控制器计算后输ｋ）
的。在此情况下，一个存在数据包丢失网络，可
以视为按一定速率切换的开关，如图１示。所
图１具有时延和丢包的网络控制系统
Ｆｉ１Ｎｅｗｏｒｃｔｏｌｓｓｅｔｇ．ｔｋｏｎｒｙｔｍｗｉｈｄｅａｎｄｔｏｕｔｌｙａｄａａｄｒｐｏ
５０
电
力
科
学
与
工
程
２１年０１
５（断开）（Ｔ／（Ｔ：ｋ）￣ｋ）＝宝（１）（一）／ＮＳＣ运行中，系统会发生的４种状态如表１爹（１的关系Ｃ
网络控制系统中所传输的消息具有数据少、传输
周期小和实时性要求高等特点。控制系统引入网络后，网络自身特点就将不可避免地造成网络控
图中，“ ｋ）示第ｋ周期经由网络传输来的（Ｔ表
ｋ）ｙｋ）制系统的复杂性，主要表现网络诱导时延、数据控制信号，即执行器输入；（Ｔ／（Ｔ表示第ｋ
１具有丢包和时延的网络系统模型描述
速率接通和断开。当开关接通时，开关的输出等于输入；当开
ＮＳ最显著的特点是：系统中传感器、控制关断开时，此刻要传输的数据包丢失，开关的输Ｃ开断器和执行器通过网络传输测量数据和控制信息。出保持前一状态的值。网络（关）通／的动
ｓ（闭合）Ｍｋ）＝ｋ）Ｋ：（Ｔ（Ｔ
Ｓ（断开） “ ｋ）＝ｌ（Ｋ：（ＴＺｋ一１Ｔ（））
ｓ（２Ｋ闭合）（Ｔ／ｋ）＝ｋ）ｙｋ）：ｋ）（Ｔ（Ｔ／（Ｔ
作者简介：王建文（９２一，男，助理讲师，研究方向为网络控制系统分析与控制，Ｅｍｉｃｐｗｗ２．ｏ。１８） — ａ：ｎｅｕｊ＠１６ｃｒｌｎ
第２７卷第１期
２１０１年１月
电
力
科
学
与
工
程
Ｖｏ．７．．Ｉ２Ｎｏ１４９
ＥｌｃｒｃＰｏｒＳｃｅｅａｎＥｎｇｉｅｉｅｔｉｗｅｉｎｃｄｎｅｒｎｇ
Ｊｎ，０ａ．１２１
具有时延和丢包网络控制系统的稳定性分析
王建文，彭伟
（北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定０１０）华７０３摘要：对于存在时延和数据包丢失的广义网络控制系统，考虑数据包丢失率一定，网络诱导时延小于一
中图分类号：Ｔ２３Ｐ７文献标识码：Ａ
当系统结构和功能一定时，网络负载是一定
０引言
网络控制系统（ｅｏｋＣｎｒｌＳｓｍ，ＮｔｒｏｔｙｔｗｏｅＮＳ又称综合通讯和控制系统，是通过网络将Ｃ）传感器、控制器和执行器等节点及其他设备连接起来，形成闭环反馈控制系统来对被控对象进行控制。网络控制系统是一种完全分布式与网络化的实时反馈控制系统，不同于一般的网络系统，
个采样周期，通过对系统建模，把其转换为异步动态系统，给出指数稳定的充分条件，同时获得使系统稳定的动态输出反馈控制律。最后通过仿真实例表明方法的有效性。
关键词：网络控制系统；时延；丢包；Ｌ；输出反馈控制器ＭＩ
影响。
出的控制信号；控制器与执行器之间网络视为开
，本文将存在网络通讯延迟和数据包丢失的网关Ｋ；传感器与控制器之间网络视为开关Ｋ。当
开络控制系统建模为跳变系统，进行系统稳定性分数据包经由网络成功传输时，视为网络（关）开析，得到使系统稳定的充分条件，给出了动态输接通；当数据包丢失时，视为网络（关）断开，当网络数据包丢失率一定时，网络将按一定出反馈增益的计算方法。
Ｔａ．ＲａａｉｎｈｐｏｅｗｏｋａｄＮＣＳｖｒａｌｂ１ｌｔｓｉｆｎｔｒｎｏａｉｂｅ