网络控制系统稳定性分析

网络控制系统稳定性分析

王菲菲

Analysis of Stability for Network Control Systems

FeiFei-Wang

摘要网络控制技术是随着控制技术、网络通信技术以及计算机技术的发展逐渐发展起来的一名新兴学科。网络控制系统具有系统连接少、可靠性高、结构灵活、易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等优点。然而，由于通信网络的介入，会产生一些新的问题，如网络诱导时延、数据包丢失、网络调度等，都会使得控制系统的分析和综合更为复杂。本文分别对网络诱导时延和数据包的丢失以及网络调度算法进行了分析和研究。最后对全文进行了总结，并对网络控制技术的未来进行了展望。

Abstract The network control system is an emerging discipline which along with the control technology, the network communication as well as the computer technology development. The advantage of NCSs are reduced system wiring, case of maintenance and diagnosis, and increased system agility. however, the insertion of the communication network in the feedback control loop, some new issue such an networked included time-delay, network packets dropping and network

scheduling appear ,which all make the analysis and design of an NCS complex. In this thesis we studied stabilization of NCSs when induced time-delay and network packets dropping are considered. Last, the summary of the thesis, and the prospect of NCSs are presented.

关键字网络控制系统,诱导时延,数据包,调度

Keyword Network Control System, Time-delay, Network Packets, Scheduling

1 绪论

1.1网络控制系统的发展

网络控制系统（Network Control System，NCS）是上世纪90年代中后期随着控制技术、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，是国际控制理论界的研究前沿和热点之一。NCS是由地理上分布的各节点，包括传感器、执行器和控制器等现场设备，通过网络连接而成的闭环反馈控制系统。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须的物质基础，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，这都是的网络控制系统发展更具有现实性。使用专业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以通过公用数据网络进行传输，而孤寂、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、交通管理和运输、机器人远程操作、高级的航天航空和电器化传输工具等各种应用中。

网络控制系统是在控制回路中嵌入了网络，是系统中的各种信息通过网络来进行传输，从而使得控制系统有了新的特性。而传统的控制系统相比，在网络控制系统中嵌入了网络，实现了资源共享，是各

种远程操作和控制成为可能，减少了系统的链接，降低了成本，是系统容易诊断和维护，增加了系统的灵活性和可靠性。

然而，在网络控制系统中由于通讯网络介入，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综合传输，网调度是一个很重要的问题，怎么让时间同步，避免网络堵塞，减少网络综合的冲突，能有效的利用网络。其次，由于网络控制系统中存在时延，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。再次，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。

1.2网络控制系统的稳定性

稳定性描述的是网络控制系统行为特征的确定性和抗干扰能力，是由控制网络和控制系统两方面来决定的；控制网络的不稳定将有可能直接导致整个系统的不稳定；我们只讨论控制网络中的主要因素对整个系统稳定性的影响。

网络控制系统的性能不仅依赖于控制策略及控制规律的设计，而且还受到网络通信和网络资源的限制。影响网络控制系统性能的因素有很多，包括时延、扰动、丢包率等不确定性因素以及调度算法、网络通信模式等。在网络控制系统中，由于网络通信方式、共享带宽以及网络负载变化不规则等因素的制约，当控制器节点和远地被控对

象的传感器节点、执行器节点通过网络交换数据或控制信息时，往往出现数据多路径传输、多包传输、包时序错乱、包丢失、包重传、包碰撞、网络拥塞以及连接中断等现象，因此节点间的信息传输不可避免的受到时延、扰动和丢包率等不确定性因素的影响。网络调度是指确定网络各节点发送数据的次序、优先权、发送时刻和时间间隔等。网络调度发生在传感器、控制器和执行器之间的传输数据过程中，其目的是对网络资源进行有效配置与管理，调节采样周期和采样时刻等，尽量避免网络冲突和阻塞，减少网络时延、数据丢包率等。网络通信模式包括网络拓扑结构和通信协议等，与网络布线密切相关，网络通信模式对调度算法和时延等不确定性因素有决定性作用。比如，以太网中通常采样访问协议为载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD），发生冲突时，采用退避算法，当网络负载加重时，冲突的概率增加，时延不确定性增加。而在令牌总线网中，采用无冲突介质访问控制协议，具有较高的可靠性，无冲突，时延有确定的上限值。在网络通信模式确定后，采样不同的调度算法是，也会对系统性能产生不同的影响。当然，在网络通信模式和调度算法不变的情况下，时延等不确定性因素也会对系统的性能有所影响。

2 影响网络控制系统稳定性的因素

2.1时延对NCS稳定性的影响

NCS是在通信网络环境下，各种现场设备，如传感器、控制器、变送器以及执行机构等连接在一起，互相联系，互相作用，共同构成