第1期 邱占芝，等：题目有数据包丢失奇异网络控制系统H控制器设计 ·121· 时延对系统的影响始终是系统控制的目标5]。对 享。当传感器、控制器和执行器通过网络传输数据 于数据包丢失，却存在主动丢包和被动丢包2种情 时，可能会出现节点竞争失败、网络拥塞、网络瞬间 况：在工业实时控制系统中，为保证信号的及时更 连接中断等情况，使得节点接收数据不完整、数据 新和采样数据的有效性，往往需要主动丢弃一定时 出错、数据包在一定时间内未达到目标节点，通常 间内未到达目标节点的数据包，及时发送和接收新 将这种情况称为数据包丢失。例如，在采用CSMA/ 数据，这种主动丢包策略有助于提高系统的实时 CD协议的以太网中，发生竞争冲突的系统节点将 性：在NCS的网络通信中，由于网络通信机制和带 按照二进制指数退避算法BEB(binary exponential 宽资源受限等因素的影响，节点竞争通信中往往出 backoff)等待一定时间再监听网络是否空闲，在尝试 现数据包丢失，这种被动的数据包丢失会加剧系统 16次监听仍有冲突后，节点将放弃传输，并发出传 的通信时延，进一步降低系统的控制性能，改变闭 输失败报告，这导致了随机时延和数据包丢失的发 环系统的特性结构。大量的研究成果表明：时延和 生。图1所示的SNCS中，被控对象是具有脉冲特 被动的数据包丢失不仅使系统的结构特性发生改 征的奇异系统，w为输入外部扰动，x为测量状态， 变，影响系统的稳定性和控制性能，而且使系统丧 为控制输入，z是期望输出。测量传感器时钟驱 失定常性、完整性、因果性和确定性，研究NCS的时 动，按恒定周期采样被控对象的状态，得到的测量 延、丢包补偿与控制方法是非常必要的。然而，现 数据通过网络传输给控制器节点。控制器接收到 有的许多有关时延和数据包丢失的NCS研究成 传感测量数据后立即进行控制计算，并发送给执行 果[6山，其被控对象大多是线性、非线性正常系统。 器节点。执行器接收到控制信号后立即进行调节 随着NCS应用领域的不断扩大，被控对象为奇异系 操作。当整个闭环回路的网络诱导时延不超过一 统的奇异网络控制系统(singular networked control 个采样周期T时，传感器到控制器的时延可以并入 system,SNCS)的控制问题亟待研究。SNCS既包含 控制器与执行器一端，记为T。系统的控制目标是 了NCS的网络通信不确定性，又包含奇异系统本身 保证系统稳定运行，对于外部扰动w,系统期望输 的结构不确定性和脉冲响应等特性，是具有挑战性 出z尽可能不受影响或非常小。 的研究课题，近年来已经引起专家学者的广泛关 外部扰动” 2期望输出 注26)，其中，文献[12]研究了网络环境下时滞广 奇异系统 执行器节点u 义系统H。控制器设计问题，给出了系统正则、稳 测量输出 定、无脉冲的条件，获得了具有较小保守性的H。性 能指标：文献[13]和文献[14]研究的是奇异网络控 控制器 制系统的稳定性条件问题：文献「151研究了短时延 奇异网络控制系统的H控制问题，但考虑的是传 图1SNCS一般结构 感器和执行器时钟驱动、控制器事件驱动情况，且 Fig.1 The general structure of SNCS 没有考虑数据包丢失问题：文献[16]考虑传感器时 对于该系统，当数据接收节点出现数据包丢失 钟驱动、控制器和执行器事件驱动情况下，研究了 时，该节点仍然使用前一时刻的值，新数据包到达 奇异网络控制系统的H。控制问题，但没有考虑数 取代过期数据被节点采用。这样，一个存在数据包 据包丢失情况：同时具有时延和数据包丢失的SNCS 丢失的网络可以视为按一定速率切换的开关K,因 的H,控制研究还鲜见报道。 此，存在时延、数据包丢失、输入扰动的SNCS结构 文中针对传感器时钟驱动、控制器和执行器事 如图2所示。 件驱动的SNCS,同时考虑时延、数据包丢失和外部 输入扰动等因素，研究状态反馈方式下该类系统的 w(k) 外部扰动 )期望输出 H,控制器设计和优化控制方法问题，给出H。控制 控制输入 奇异对象 测量输出 器和优化控制器设计方法和扰动衰减度的求解方 x(k) 法，并通过系统仿真实例说明研究成果的有效性和 可行性。 控制器 问题描述与分析 图2具有数据包丢失的SNCS结构 在NCS中，通信网络的带宽由系统各节点所共 Fig.2 The structure of SNCS with data packet dropout时延对系统的影响始终是系统控制的目标咱员鄄缘暂 遥 对 于数据包丢失袁却存在主动丢包和被动丢包 圆 种情 况院在工业实时控制系统中袁为保证信号的及时更 新和采样数据的有效性袁往往需要主动丢弃一定时 间内未到达目标节点的数据包袁及时发送和接收新 数据袁这种主动丢包策略有助于提高系统的实时 性曰在 晕悦杂 的网络通信中袁由于网络通信机制和带 宽资源受限等因素的影响袁节点竞争通信中往往出 现数据包丢失袁这种被动的数据包丢失会加剧系统 的通信时延袁进一步降低系统的控制性能袁改变闭 环系统的特性结构遥 大量的研究成果表明院时延和 被动的数据包丢失不仅使系统的结构特性发生改 变袁影响系统的稳定性和控制性能袁而且使系统丧 失定常性尧完整性尧因果性和确定性袁研究 晕悦杂 的时 延尧丢包补偿与控制方法是非常必要的遥 然而袁现 有的许多有关时延和数据包丢失的 晕悦杂 研究成 果咱远鄄员员暂 袁其被控对象大多是线性尧非线性正常系统遥 随着 晕悦杂 应用领域的不断扩大袁被控对象为奇异系 统的奇异网络控制系统渊 泽蚤灶早怎造葬则 灶藻贼憎燥则噪藻凿 糟燥灶贼则燥造 泽赠泽贼藻皂袁 杂晕悦杂冤的控制问题亟待研究遥 杂晕悦杂 既包含 了 晕悦杂 的网络通信不确定性袁又包含奇异系统本身 的结构不确定性和脉冲响应等特性袁是具有挑战性 的研究课题袁近年来已经引起专家学者的广泛关 注咱员圆鄄员远暂 袁其中袁文献咱 员圆暂研究了网络环境下时滞广 义系统 匀∞ 控制器设计问题袁给出了系统正则尧稳 定尧无脉冲的条件袁获得了具有较小保守性的 匀∞ 性 能指标曰文献咱员猿暂和文献咱员源暂研究的是奇异网络控 制系统的稳定性条件问题曰文献咱员缘暂研究了短时延 奇异网络控制系统的 匀∞ 控制问题袁但考虑的是传 感器和执行器时钟驱动尧控制器事件驱动情况袁且 没有考虑数据包丢失问题曰文献咱员远暂考虑传感器时 钟驱动尧控制器和执行器事件驱动情况下袁研究了 奇异网络控制系统的 匀∞ 控制问题袁但没有考虑数 据包丢失情况曰同时具有时延和数据包丢失的 杂晕悦杂 的 匀∞ 控制研究还鲜见报道遥 文中针对传感器时钟驱动尧控制器和执行器事 件驱动的 杂晕悦杂袁同时考虑时延尧数据包丢失和外部 输入扰动等因素袁研究状态反馈方式下该类系统的 匀∞ 控制器设计和优化控制方法问题袁给出 匀∞ 控制 器和优化控制器设计方法和扰动衰减度的求解方 法袁并通过系统仿真实例说明研究成果的有效性和 可行性遥 员摇 问题描述与分析 在 晕悦杂 中袁通信网络的带宽由系统各节点所共 享遥 当传感器尧控制器和执行器通过网络传输数据 时袁可能会出现节点竞争失败尧网络拥塞尧网络瞬间 连接中断等情况袁使得节点接收数据不完整尧数据 出错尧数据包在一定时间内未达到目标节点袁通常 将这种情况称为数据包丢失遥 例如袁在采用 悦杂酝粤 辕 悦阅 协议的以太网中袁发生竞争冲突的系统节点将 按照二进制指数退避算法 月耘月 渊 遭蚤灶葬则赠 藻曾责燥灶藻灶贼蚤葬造 遭葬糟噪燥枣枣冤等待一定时间再监听网络是否空闲袁在尝试 员远 次监听仍有冲突后袁节点将放弃传输袁并发出传 输失败报告袁这导致了随机时延和数据包丢失的发 生遥 图 员 所示的 杂晕悦杂 中袁 被控对象是具有脉冲特 征的奇异系统袁 憎 为输入外部扰动袁 曾 为测量状态袁 怎 为控制输入袁 扎 是期望输出遥 测量传感器时钟驱 动袁按恒定周期采样被控对象的状态袁得到的测量 数据通过网络传输给控制器节点遥 控制器接收到 传感测量数据后立即进行控制计算袁并发送给执行 器节点遥 执行器接收到控制信号后立即进行调节 操作遥 当整个闭环回路的网络诱导时延不超过一 个采样周期 栽 时袁传感器到控制器的时延可以并入 控制器与执行器一端袁记为 子 遥 系统的控制目标是 保证系统稳定运行袁对于外部扰动 憎 袁系统期望输 出 扎 尽可能不受影响或非常小遥 图 员摇 杂晕悦杂 一般结构 云蚤早援员摇 栽澡藻 早藻灶藻则葬造 泽贼则怎糟贼怎则藻 燥枣 杂晕悦杂 对于该系统袁当数据接收节点出现数据包丢失 时袁该节点仍然使用前一时刻的值袁新数据包到达 取代过期数据被节点采用遥 这样袁一个存在数据包 丢失的网络可以视为按一定速率切换的开关 运袁因 此袁存在时延尧数据包丢失尧输入扰动的 杂晕悦杂 结构 如图 圆 所示遥 图 圆摇 具有数据包丢失的 杂晕悦杂 结构 云蚤早援圆摇 栽澡藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 燥枣 杂晕悦杂 憎蚤贼澡 凿葬贼葬 责葬糟噪藻贼 凿则燥责燥怎贼 第 员 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 邱占芝袁等院题目有数据包丢失奇异网络控制系统 匀∞ 控制器设计 窑员圆员窑