1、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
2、。 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
3、, 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 indu
4、ced 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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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，共同构成一个统一的整体，协同完成控制功能。系统中各种信息通过网络来传送和转换，由于网络控制系统中传感器、控制器、执行器都是通过共同的通信介质相连，各设备间可以实现点对点的信息传递，但是通信网络是分时复用的，在同一时刻，只能有一个
11、设备能够发送信息，待发送信息职业等到网络空闲时才能发送出去。现实中控制网络的带宽和承载能力有限，同时网络控制系统中设备较多，通过通信网络传送的信息量很大，因此，信息的 冲撞、重传等现象的发生，使得数 据在传输过程中不可避免地存在时延 。 时延由于受到网络所采用的通讯协议、 网络当时的 负载状况、网络 的传输 速率以及数据包 的 大小等 诸多 情况到影响，呈现出或固定或随机，或有界或无界的特征 。从控制的角度看，网络控制系统中的时延将是系统相位滞后，大大降低控制系统的性能，例如是系统的上升时间增大、超调量增大、稳定时间变长等，甚至导致系统不稳定，即使系统仍然保持稳定，稳定区域也会显著减小。从调度
12、的角度看，时延将是信息不能准时到达、丢失截止期、甚至产生多米诺效应。这些给控制系统的分析和设计带来 了很大的 困难 。 2.2 丢包对 NCS 稳定性的影响 在网络控制系统中，不仅要考虑网络时延，还要考虑数据包丢失的情况。在网络控制系统中，当传感器、控制器和执行器利用有限的网络带宽来传输数据和控制信息时，不可避免的出现数据包丢失（ packet dropout）。数据包丢失有两种情况：一种是因为传输通道为系统中个节点多共享，并且网络带宽有限，在某一时间能够与控制器存取数据的传感器和执行器数目是有限的。当负载较大时，数据碰撞、网络拥塞和节点失败经常发生，数据碰撞和节点失败将造成数据包丢失。尽管大
13、多数通信协议有重发机制，但都重发在一定时间内未到达的数据 包，超过一定时间未到达的数据包将被丢弃。另一种是在实时控制系统中，往往是将一定时间未到达的数据包主动丢掉，接着发送新数据，以保证信号的及时更新和采样数据的有效性。一个稳定运行的 NCS 容许有一定量的数据包丢失，但数据包丢失率超过一定值时系统将失去稳定。因此必须对系统丢包率加以关注和研究。由于网络情况的复杂性，数据包丢失的发生现象难以进行合理和准确的刻画，因而目前关于数据包丢失的研究成果较少。 丢包主要要数据包丢失和数据包乱序。 2.2.1 数据包丢失 网络的阻塞和连接中断时导致数据包丢失的一个因素，其次由于节 点竞争数据发送权需要花费
14、时间，当节点在规定是时间内仍然未能成功发送数据，则该数据被丢弃。另外数据在网络传输过程中可能会发生错误而被要求重发，如果该节点的数据在规定的重发时间内仍然没有发送数据，则该数据包被丢弃，这些事件的发生都可能被视为数据包丢失。 从系统信息的传输来看，数据包丢失的发生相当于信息传输通道被断开，使得系统的结构和参数发生较大的变化。闭环控制系统虽然对系统中结构和参数的变化具有一定的鲁棒性，但不可避免的造成性能的下降，严重的将导致系统失稳。 2.2.2数据包乱序 数据包乱序一般发生在具 有路由器、网关等中继器环节的长时延网络控制系统中。友谊路由器（或带有路由功能的中继器设备）会根据网络的实际情况选择合适
15、的网络途径传输数据，因而相同节点放的的数据包可能会经过不同的网络路径到达目标节点，另外数据包在中继器等环节的队列中等待的时间也往往不同，因而造成数据包的时序错乱。 在此，我将忽略网络诱导时延，将网络等效为一个开关，建立了具有数据包丢失的网络控制系统的模型，并假设数据包丢失率已达，利用具有事件率约束的异步动态系统的稳定性接了，分析闭环系统的指数稳定性，并探讨系统能够保持稳定的数据包丢失范围。 将 一个存在数据包丢失的网络看成一段闭合率为 r 的开关线路，当开关闭合时，数据开始传输；当开关打开时，数据丢失。其模型即为一个异步动态系统，如图 2.1 所示。 图 2.1 异步动态系统结构图 这里假定原
16、控制系统是稳定的，且控制系统中网络只存在于被控对象到控制器之间。 系统的动态特性可以为： 取系统的增广矩阵为： 则存在数据包丢失的网络闭环系统就可以表示为下述形式： 其中： s=1,2。 开关在 1 的位置时： 开关在 2 的位置时： 2.3 采样周期及扰动对 NCS 稳定性的影响 在 NCS 中 ，传感器的采用周期是指传感器对一模拟量进行采样时，两次采样之间的时间间隔。采样周期的选择甚为重要，如果采样周期过长，将引起有用信号的严重丢失，是系统品质变差。反之，如果采样周期过短，则两次实测值的变化量太小，增加不必要的网络负载，可能导致网络拥塞，数据包丢失，时延增加，使系统不稳定性增加。 在系统分
17、析和设计中，扰动也是要考虑的问题之一，他与系统规模、网络结构、通信方式、数据传输率和外部因素等有关。扰动有很12: ( ) ( ): ( ) ( ( 1 ) )S x kT x kTS x kT x k T( ) ( ) , ( ) T T Tz kT x kT x kT( 1) ) ( )sz k T A z kT1A BKA A BK2 0A BKAI强的随机性和不确定性，而且种类较多，常见的扰动有阶跃、脉冲、斜坡、正弦和随机扰动等。 对采样周期的适当选 取和对扰动的有效抑制也能够改善网络控制系统的性能，我们在系统分析和设计中也要将其列入考虑因素。 2.4 网络调度 在 NCS 中，调度是
18、指系统节点在共享网络中发送数据出现碰撞时， 规定数据包以怎样的优先级（顺序）和何时发送数据包的问题。网络调度的目的是尽量避免网络中冲突和拥塞现象的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失。目前，网络控制系统的调度方法主要包括基于优先级的调度方法，基于节点发送时间间隔的调度方法以及基于死区的调度方法等。基于优先级的调度方法主要有静态调度（ Static Scheduling）和 动态调度（ Dynamic Scheduling）。在静态调度（又称离线调度）中，各节点任务的发生时预先确定的，如实现、计算时间、优先权关系和任务的释放时间等，如 RM（ Rate Monotonic）等。动态调度（又称在线调度）是在 NCS 运行中，决策网络资源的分配，根据任务的某些特性随时间的变化，动态的调整任务之间数据的发送顺序，如 EDF（ Earliest Deadline First）。 2.4.1 NCS 中的信息特征与信息调度概念 在 NCS 中网络传输的信息主要分为两类：实时性信息和非实时性信息。实时性信息 对时间要求非常苛刻，如果在规定时间的上限内某一信息未能起作用，则该信息将被丢弃，启用最新的信息。而在 NCS 信息调度策略中主要调度两类数据信息：周期性信息和非周期性
