网络控制系统ppt课件
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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、输油管网以及 控制网络等大量实际复杂网络中都含有无尺度以及小世界 的特性。目前，复杂网络已经在生物学、社会学和计算机 科学等相关领域中发挥了举足轻重的作用。李伯虎院士
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
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： 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]。 6) 预测控制方法[15]。 7) 其他控制算法[16]。
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
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。
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，是一种网络化实时和全分布式的
反馈系统。
T
执行器
对象
传感器
ca
网络
sc
控制器
网络控制系统的框参考图输入
第十五章 网络控制系统
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，
k 3
k 2
k 1
k
k 1
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。
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
时序差错和数据包丢失等现象。
，
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
wk.baidu.com其中
z(t)ex((tt))A A1211
A12x(t) A22e(t)
15.4 网络控制系统模型 15.4.1 NCSs中的基本假设
由于网络的引入，使得控制系统的分析变得非常复杂，并往 往造成控制系统定常性、完整性、因果性和确定性的丧失 等[7]。
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
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。
①数据产生速率
②采样周期
15.3.2 延迟与抖动分析
网络化控传制感器系统中的延迟与抖动如图所示
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、
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 15.6 网络控制系统控制器设计
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
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，即单包和多包传输问题。 ④数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致
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
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： 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]。 6) 预测控制方法[15]。 7) 其他控制算法[16]。
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
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。
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，是一种网络化实时和全分布式的
反馈系统。
T
执行器
对象
传感器
ca
网络
sc
控制器
网络控制系统的框参考图输入
第十五章 网络控制系统
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，
k 3
k 2
k 1
k
k 1
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。
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
时序差错和数据包丢失等现象。
，
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
wk.baidu.com其中
z(t)ex((tt))A A1211
A12x(t) A22e(t)
15.4 网络控制系统模型 15.4.1 NCSs中的基本假设
由于网络的引入，使得控制系统的分析变得非常复杂，并往 往造成控制系统定常性、完整性、因果性和确定性的丧失 等[7]。
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
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。
①数据产生速率
②采样周期
15.3.2 延迟与抖动分析
网络化控传制感器系统中的延迟与抖动如图所示
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、
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 15.6 网络控制系统控制器设计
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
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，即单包和多包传输问题。 ④数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致