时延广义网络控制系统的建模与分析(附件)【字数：9995】
摘 要摘 要在了解与介绍广义网络控制系统的相关知识的前提下，文章充分考虑在具有短时延、长时延，以及传感器、控制器等采用不同的驱动方式时的广义网络控制系统的建模问题，根据网络控制环节中控制器与执行器驱动方式的不同，分四种不同的驱动方式分别建立时延广义网络控制系统的数学模型。在建模之后，将广义网路控制系统的模型分为不同的情况来分析系统的能控性与能观性，得出广义网络控制系统的具有能控性与能观性的充分必要条件，同时并举例验证。若系统的模型不能直接用常离散系统定理来分析，则将系统分为前子系统与后子系统分开讨论，只有当系统的前子系统与后子系统都满足能观或者能控时，我们才可以定义这个系统是能观或者能控的。关键词广义网络控制系统；时延；驱动方式；数学模型；能控性；能观性
目录
第一章 绪论 1
1.1网络控制系统研究意义 1
1.2网络控制系统存在的问题 2
1.2.1网络时延 2
1.2.2数据包丢失 3
1.2.3多包传输 5
1.3国内外研究现状及其发展 5
1.3.1国内外研究现状 5
1.3.2网络控制系统的发展方向 7
1.4网络控制系统的研究方法 8
1.4.1被动分析方法 9
1.4.2主动设计方法 9
1.5本论文研究内容 11
第二章 时延广义网络控制系统的建模 13
2.1广义网络控制系统介绍 13
2.2 时延广义网络控制系统的建模 14
2.2.1 控制器事件驱动，执行器为事件驱动模型 14
2.2.2 控制器为事件驱动、执行器为时钟驱动模型 15
2.2.3 控制器为时钟驱动,执行器为事件驱动模型 16
2.2.4 控制器与执行器都为时钟驱动模型 17
第三章 广义控制网络系统分析 19
3.1 广义网络控制系统的分析 19
3.1.1控制器为事件驱动、执行器为时钟驱动模型分析 19
3.1.2控制器与执行器都为时钟驱动模型分析 20
3.1.3控制器事件驱动，执行器为事件驱动模型分析 21 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
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第一章 绪论 1
1.1网络控制系统研究意义 1
1.2网络控制系统存在的问题 2
1.2.1网络时延 2
1.2.2数据包丢失 3
1.2.3多包传输 5
1.3国内外研究现状及其发展 5
1.3.1国内外研究现状 5
1.3.2网络控制系统的发展方向 7
1.4网络控制系统的研究方法 8
1.4.1被动分析方法 9
1.4.2主动设计方法 9
1.5本论文研究内容 11
第二章 时延广义网络控制系统的建模 13
2.1广义网络控制系统介绍 13
2.2 时延广义网络控制系统的建模 14
2.2.1 控制器事件驱动，执行器为事件驱动模型 14
2.2.2 控制器为事件驱动、执行器为时钟驱动模型 15
2.2.3 控制器为时钟驱动,执行器为事件驱动模型 16
2.2.4 控制器与执行器都为时钟驱动模型 17
第三章 广义控制网络系统分析 19
3.1 广义网络控制系统的分析 19
3.1.1控制器为事件驱动、执行器为时钟驱动模型分析 19
3.1.2控制器与执行器都为时钟驱动模型分析 20
3.1.3控制器事件驱动，执行器为事件驱动模型分析 21 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
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3.1.3控制器为时钟驱动,执行器为事件驱动模型分析 22
3.1.4 举例验证 22
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1网络控制系统研究意义
网络控制系统是Networked Control Systems的中文翻译[1]，简称NCS；最早网络控制系统这一词是出现在Walsh所写的的论著中，但他并没有给出具体的定义；后来后人给出如下定义：网络控制系统是利用通信网络，实现地域上分布的传感器、控制器以及执行器之间的信息相互交换，目的是为了达到被控对象的实时反馈控制[2]，从而可以更好的对被控对象实施控制以达到预期目标。
近几年，网络控制系统的[13]结构随着计算机控制技术、网络通信技术以及与其相关的控制类科学技术的飞速发展变得越来越复杂，应用范围变得越来越广，因此要求对系统控制的性能所达到的的要求也越来越高；计算机的广泛应用使得传感器、执行器和控制器可以通过网络很好的相连接，这使得与被控对象相关的信号和数据能够通过网络进行快捷有效的传输和交换，避免了控制线路的复杂性，网络控制的实施也使得资源的共享性得到很大的提高，控制过程的可操作性得到了质的提升。
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图11 网络控制结构
目前，在远程医疗、制造业设备、武器系统等方面都可以见到网络控制技术的身影，尤其是以现场总线和工业以太网技术为代表的控制技术为代表，更是离不开网络控制技术的发展。网络控制系统在一定程度上不受传统地理位置的限制，突破点对点的传统控制方式，这样便可以很大的拓宽所控制的范围，这使得控制的运行成本和维护费用有所降低，同时便于实现一体化与自动化大生产的需求，这样的控制对于现实需求来说更加合理，因此就网络控制系统的可观的经济效益来说，许多公司不断推出各种网络控制的产品及方案；总的来说，网络控制技术的飞快发展极大的推动了远程医疗、智能交通、航空航天、制造过程以及国防等领域的快速发展。
1.2网络控制系统存在的问题
网络控制系统中必然存在反馈控制回路，同时网络本身也并不是一种非常可靠的通信传输介质；由于传统控制理论的使用是有一定条件的，它往往是基于理想的假设条件下的,如同步同时、无时间延迟和误差干扰这些假设前提[3]，而网络控制中本身存在通信网络这一回路，两者的矛盾必然会导致传统的控制理论不再适用于现代网络控制系统，这要求我们必须将传统的控制理论重新评估设计后才能重新应用到现代网络控制系统模型中。在一般的网络控制系统中，网络的控制器和被控对象的传感器以及执行器这些设备之间通过网络这一介质进行数据交换时, 因为现实中的网络中的信息源是来自多个设备，同时信息流量变化也可能是不规则的, 信息在网络中传输也会有多包传输、多路径传输、数据包碰撞、网络堵塞、数据包时序错乱、数据包丢失、数据包重传、信息连接中断等一些现象, 所以在网络控制中信息传输时间延迟是无法根除的,同时网络引起的时延根据所需要控制的网络环节的不同,他们所造成的影响也可能是不同的，时间延迟可能是恒定的, 也可能是时变的, 甚至可能是随机不确定的。时间对于控制系统来说是一个影响控制效果的重要因素，因此时延对网络控制系统的性能也必然存在着重大的影响,它在网络控制系统的设计、建模与分析的过程中必然是个不可忽略的重要因素[12]。
1.2.1网络时延
被控对象在网络控制系统中一般来说应该不止一个，这必然会出现控制网络系统中的信息源不只一个结果，在网络控制被执行实施的过程中[5]，各种需要的信息在网络系统的各个控制节点中通过网络介质传输时，必然不会同时被传输，一般来说他们是分不同时间被传输，不过在共享同样的网络通道的情况下是不影响控制效果的。在网络传输信息时，对于一个有限的网络控制系统而言，信号所占据的频带宽度不可能说是无限大的，各种被传输的数据流量在控制系统中也几乎不可能说是始终规则如一，一层不变的，他们必然会随着时间和控制条件而发生变化，变化的情况也是多样的，当控制网络中有不止一个控制节点通过网络来交换和传输信息数据时，常常会出现诸如多路径数据传输、数据发生碰撞、网络连接中断、网络拥塞等这些现象，网络控制的时间延迟就会出现在各种信息交换之时，这样情况是不可避免地。这种由网络引起的时间延迟现象在学术上称为网络诱导时延，即Network Induced Delay。网络控制中竞争信息数据发送权等待的时间，各种信息数据在网络控制系统中数据信息传输所需要的时间取决于网络控制系统自身的各种特点，如果控制系统的性能不同，则他们的时间延迟性质及其长短是不一样的。假如在信息数据传输时发生有不止一个控制点同时发现控制系统中网络有空闲，如果这些控制点同时发送信息数据时，信息将会在网络中发生“碰撞”，这样会导致网络立即停止发送一切信息的恶劣结果，甚至会导致整个控制网络回路的瘫痪；在网络发生停止工作后，如需要将网络重启工作，那么整个网络需要等待一个随机长度的时间段后再次重新尝试传输信息数据，这样必然会使得网络控制时延呈现随机时变的特性，不过总的来说，根据不同的网络协议，可将网络时延分为固定时延、随机时延和不确定时延。
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