具有随机掉包特性的网络控制系统研究现状与展望
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网络 地 带 ・
Байду номын сангаас
具有随机掉包特性 的 网络控制系统研究现状与展望
■ 张 志 刘 桥 郑明辉
摘 要 ： 文从 系统 建模 、 制策略与调 度、 本 控 网络 时延 、 据丢 包和系统稳 定性等角度综述 了 年来 网络 控制 系统的研究成 果和 最 数 近
新进 展 。 后， 对网络控制 系统 兼具 网络和控制 的特点 ， 出了网络 与控 制两者相 结合 分析 网 控制 系统 的新 方法。 最 针 提 络 关键 词： 网络控 制系统 ； 网络 时延 ； 据丢 包； 定性 数 稳
目前 ，网 络 控 制 系 统 （ Ｃ ： ｅ ｗ ｒ ｅ Ｃ ｎ ｒ １ 网络 化、 Ｎ Ｓ Ｎ ｔ ｏ ｋ ｄ ０ ｔ ０ 集成化、 分布化 、 节点智能化 的发展趋 势， 并以比传
Ｓ ｓｅ ） ｙ ｔ ｍ 是工业 自动化领域的研究和应用热点。 Ｃ 是控制回 统控制系统优越得多的性能在工业控制领域、 宇自动化、 ＮＳ 楼 路通过实时网络 闭环 而成 的反馈控制系统 ， 指在某个 区域 内 家庭 自动化、 器人、航天航空器和 电气化 运输工具等方面 机
１ 系统 模 型
网络环 境下 的控制 系 统建 模有 ３ 方式 ： 散数 学模 种 离 每个节点都是组成Ｎ Ｓ Ｃ 的一个细胞 ， 且具有各 自相对独立 的功 型、 续数学模 型和 混杂数学模型。 据传感器 、 连 根 控制器和 能 。（） ３ 控制现 场化和功能分散化 ： 网络化 结构使原 先由中 执行器工作方式 的不 同（ 时间驱 动和 事件驱动） 可采用不同 ， 央控制器 实现 的任务下放 到智能化现场 设备上执行， 这使危 的数学模 型。 文献 “给出了控制 器为 时间驱动而执行器为事 险因素得到分散 ， 从而提高了系统 的可靠性和安全 性。（ ） ４ 件驱动时 网络控制 系统的离散时间模型。 献 研 究了同 文 系统开放化 和产品集 成化 ： Ｃ 的开发是遵 循～定标准进 行 时存在数据传输延时与数据包丢失的网络控制系统的建模问 ＮＳ 的， 是一个 开放性 的系统， 要不同厂 商根据统一标准来 开 题。 只 系统中传感器采用时 问驱动， 执行器与控制器采用事件
向： 能信 息处 理与 应 用 ； 桥 ， 沙 理 工大 学 电气 与 信 息 工 结果大都是基于精确数学模型以及传输延 迟小于采样周期而 智 刘 长 程学院副教授 ， 究方向： 研 智能机器人、 网络控制系统、 环境 得到的， 这也表现 出网络控制 系统现有研 究方法的局 限性。 监控系统； 郑明辉， 三一集 团泵送 部工程师。
计算 时延和通信时延。 从控制 的角度来看， 时延将 使系统相
此外 ， 文献 “ 过对 网络 控制系 统的运行机 理进行分 位滞后， 通 恶化系统的性能 ； 从调度的角度来看， 时延将使信息 析， 提出了一种基于Ｅ 事件） ｃ 通信） （ （ 、（ 和Ｒ关系） 的三元组模型 不能准时到达 ， 丢失截止 期， 甚至产 生多米诺效应 。 此外， 网
可 以使得对控制系统的组态和配置变得更容易且高效。 Ｃ 、 Ｄ Ｓ
性等 价原理。 文献 “ 研 究了基于Ｍ ｒ ｏ 时延特性 的闭环 网络 “ ａｋｖ ＦＳ ｃ 和工业 以太 网都属于 网络控制系统 ， 它体现了控制 系统 向 控制系统 及其 Ｌ Ｒ Ｑ 随机最优控 制律， 该控 制律满足确定性等 价原理 。 文献 考虑了连续模 型和连续控制器 ， 给出了最大 允许传递间隔（Ａ Ｉ ＭＴ） 的概 念， 并给出了保持系统稳定的 的 收稿 日期 ： ０ －７１ ２１ ０－７ ０ 值， 但保守性较 大。 文献 “ 针对长时滞 网络控制系统， 出了 给 项 目基 金： 湖南省教育厅基金项 目０Ｂ０） （ ０４ ９ 作者简介： 张志， 长沙理工大学电气与信息工程学院， 研究方 混杂控制 系统的模型 ， 并给 出了系统稳定 的充分条件 。 以上
发 自己的产 品， 些产品之间便能实现互 操作和集 成。 这 它的 驱动 。 文献 、 出了基于观测 器的分布延迟 补偿器及其补 提 出现 ， 打破了自动化系统 原有 的信息孤岛的僵局 ， 为工业数 偿 算法。 文献 对随机时变分布延 迟下 的输 出反馈 时延网络
据 的集中管理与远程传 输以及控制网络与信息网络的融合创 系统进行 了研究 ， 基于最小方差滤 波器和动态 规划原理 ， 得 造了条件。 控制回路通过 网络传递信息， 从而形成闭环 ， 这样 到 了具 有 随 机 延 迟 补 偿 的Ｌ Ｒ 制 器 （Ｃ Ｑ ） 但不 满 足 确 定 Ｑ控 ＤＬ Ｒ，
・
网络地 带
对于 一个 实际系统而言， 往往得不到精确 的数学模型 ， 并且 构成的闭环控制系统 ， 通讯 网络的加入使得控制系统的分析
传输 延迟大于 采样周期 的情况是存在 的。因此 ， 如何找到一 和综合更加复杂。 Ｃ 中， 在Ｎ Ｓ 控制 时延依赖于很多参 数， 包括 种更为鲁棒 的设计方案 已成为当务之急。
现场传感器、 控制器、 执行器和通信 网络的集合， 用来提供设 得到了广泛应用。 由于控制回路网络 的存在 ， 使得对Ｎ Ｓ Ｃ 的分 备之 间的数据传 输， 该区域 内不同地点的用户实现资源 共 析和 设计 都变得复 杂起 来 ， 使 传统 的控制理论 都要重 新评估
享 和协调操 作 。 Ｃ 是计算 机网络技术在 控制领域 的延伸 后才 能应 用ＮＮ Ｓ － 针对 控制 理论 的研 究首次表现出滞 ＮＳ Ｃ 中 。 和应用， 也是计算机控制系统的更高发展 ， 它具有如下特点： 后于控制系统应用的现 状， 网络控制理论的研究显得非常 对 本文主要针对 网络控制系统的研 究状况进行分析和总 （） １ 结构网络化： Ｃ 最显著的特点体现在 网络化体系结构 急迫 。 ＮＳ 上， 它支 持如总线型、 星型、 树型等拓扑结构， 与分层控制系 结， 并提出自己的研究思路。 统的递阶结构相 比， 显得更加扁平与稳定。（） 点智能化 ： ２ 带ＣＵ Ｐ 的智能化节点之间通过 网络实现信息传输和功能协调，
Байду номын сангаас
具有随机掉包特性 的 网络控制系统研究现状与展望
■ 张 志 刘 桥 郑明辉
摘 要 ： 文从 系统 建模 、 制策略与调 度、 本 控 网络 时延 、 据丢 包和系统稳 定性等角度综述 了 年来 网络 控制 系统的研究成 果和 最 数 近
新进 展 。 后， 对网络控制 系统 兼具 网络和控制 的特点 ， 出了网络 与控 制两者相 结合 分析 网 控制 系统 的新 方法。 最 针 提 络 关键 词： 网络控 制系统 ； 网络 时延 ； 据丢 包； 定性 数 稳
目前 ，网 络 控 制 系 统 （ Ｃ ： ｅ ｗ ｒ ｅ Ｃ ｎ ｒ １ 网络 化、 Ｎ Ｓ Ｎ ｔ ｏ ｋ ｄ ０ ｔ ０ 集成化、 分布化 、 节点智能化 的发展趋 势， 并以比传
Ｓ ｓｅ ） ｙ ｔ ｍ 是工业 自动化领域的研究和应用热点。 Ｃ 是控制回 统控制系统优越得多的性能在工业控制领域、 宇自动化、 ＮＳ 楼 路通过实时网络 闭环 而成 的反馈控制系统 ， 指在某个 区域 内 家庭 自动化、 器人、航天航空器和 电气化 运输工具等方面 机
１ 系统 模 型
网络环 境下 的控制 系 统建 模有 ３ 方式 ： 散数 学模 种 离 每个节点都是组成Ｎ Ｓ Ｃ 的一个细胞 ， 且具有各 自相对独立 的功 型、 续数学模 型和 混杂数学模型。 据传感器 、 连 根 控制器和 能 。（） ３ 控制现 场化和功能分散化 ： 网络化 结构使原 先由中 执行器工作方式 的不 同（ 时间驱 动和 事件驱动） 可采用不同 ， 央控制器 实现 的任务下放 到智能化现场 设备上执行， 这使危 的数学模 型。 文献 “给出了控制 器为 时间驱动而执行器为事 险因素得到分散 ， 从而提高了系统 的可靠性和安全 性。（ ） ４ 件驱动时 网络控制 系统的离散时间模型。 献 研 究了同 文 系统开放化 和产品集 成化 ： Ｃ 的开发是遵 循～定标准进 行 时存在数据传输延时与数据包丢失的网络控制系统的建模问 ＮＳ 的， 是一个 开放性 的系统， 要不同厂 商根据统一标准来 开 题。 只 系统中传感器采用时 问驱动， 执行器与控制器采用事件
向： 能信 息处 理与 应 用 ； 桥 ， 沙 理 工大 学 电气 与 信 息 工 结果大都是基于精确数学模型以及传输延 迟小于采样周期而 智 刘 长 程学院副教授 ， 究方向： 研 智能机器人、 网络控制系统、 环境 得到的， 这也表现 出网络控制 系统现有研 究方法的局 限性。 监控系统； 郑明辉， 三一集 团泵送 部工程师。
计算 时延和通信时延。 从控制 的角度来看， 时延将 使系统相
此外 ， 文献 “ 过对 网络 控制系 统的运行机 理进行分 位滞后， 通 恶化系统的性能 ； 从调度的角度来看， 时延将使信息 析， 提出了一种基于Ｅ 事件） ｃ 通信） （ （ 、（ 和Ｒ关系） 的三元组模型 不能准时到达 ， 丢失截止 期， 甚至产 生多米诺效应 。 此外， 网
可 以使得对控制系统的组态和配置变得更容易且高效。 Ｃ 、 Ｄ Ｓ
性等 价原理。 文献 “ 研 究了基于Ｍ ｒ ｏ 时延特性 的闭环 网络 “ ａｋｖ ＦＳ ｃ 和工业 以太 网都属于 网络控制系统 ， 它体现了控制 系统 向 控制系统 及其 Ｌ Ｒ Ｑ 随机最优控 制律， 该控 制律满足确定性等 价原理 。 文献 考虑了连续模 型和连续控制器 ， 给出了最大 允许传递间隔（Ａ Ｉ ＭＴ） 的概 念， 并给出了保持系统稳定的 的 收稿 日期 ： ０ －７１ ２１ ０－７ ０ 值， 但保守性较 大。 文献 “ 针对长时滞 网络控制系统， 出了 给 项 目基 金： 湖南省教育厅基金项 目０Ｂ０） （ ０４ ９ 作者简介： 张志， 长沙理工大学电气与信息工程学院， 研究方 混杂控制 系统的模型 ， 并给 出了系统稳定 的充分条件 。 以上
发 自己的产 品， 些产品之间便能实现互 操作和集 成。 这 它的 驱动 。 文献 、 出了基于观测 器的分布延迟 补偿器及其补 提 出现 ， 打破了自动化系统 原有 的信息孤岛的僵局 ， 为工业数 偿 算法。 文献 对随机时变分布延 迟下 的输 出反馈 时延网络
据 的集中管理与远程传 输以及控制网络与信息网络的融合创 系统进行 了研究 ， 基于最小方差滤 波器和动态 规划原理 ， 得 造了条件。 控制回路通过 网络传递信息， 从而形成闭环 ， 这样 到 了具 有 随 机 延 迟 补 偿 的Ｌ Ｒ 制 器 （Ｃ Ｑ ） 但不 满 足 确 定 Ｑ控 ＤＬ Ｒ，
・
网络地 带
对于 一个 实际系统而言， 往往得不到精确 的数学模型 ， 并且 构成的闭环控制系统 ， 通讯 网络的加入使得控制系统的分析
传输 延迟大于 采样周期 的情况是存在 的。因此 ， 如何找到一 和综合更加复杂。 Ｃ 中， 在Ｎ Ｓ 控制 时延依赖于很多参 数， 包括 种更为鲁棒 的设计方案 已成为当务之急。
现场传感器、 控制器、 执行器和通信 网络的集合， 用来提供设 得到了广泛应用。 由于控制回路网络 的存在 ， 使得对Ｎ Ｓ Ｃ 的分 备之 间的数据传 输， 该区域 内不同地点的用户实现资源 共 析和 设计 都变得复 杂起 来 ， 使 传统 的控制理论 都要重 新评估
享 和协调操 作 。 Ｃ 是计算 机网络技术在 控制领域 的延伸 后才 能应 用ＮＮ Ｓ － 针对 控制 理论 的研 究首次表现出滞 ＮＳ Ｃ 中 。 和应用， 也是计算机控制系统的更高发展 ， 它具有如下特点： 后于控制系统应用的现 状， 网络控制理论的研究显得非常 对 本文主要针对 网络控制系统的研 究状况进行分析和总 （） １ 结构网络化： Ｃ 最显著的特点体现在 网络化体系结构 急迫 。 ＮＳ 上， 它支 持如总线型、 星型、 树型等拓扑结构， 与分层控制系 结， 并提出自己的研究思路。 统的递阶结构相 比， 显得更加扁平与稳定。（） 点智能化 ： ２ 带ＣＵ Ｐ 的智能化节点之间通过 网络实现信息传输和功能协调，