网络控制系统国内外研究现状(2)

（2）数据包丢失由于网络这个通信介质的特殊性和复杂性，数据通过网络进行传输的时候常常会出现数据丢包现象。数据包丢失主要原因：①争夺发送权。闭环回路中争夺到数据发送权的节点如果没在限定的时间内进行数据包的发送，或者说数据发送失败，那么这样的数据就会被丢掉。②带宽和通信机制限制。同一通信通道中网络带宽是有限的，在数据量大的时候，数据之间的碰撞会造成网络繁忙，甚至是网络阻塞和连接中断。这样的情况下数据包难免会丢失，通信机制的限制也会造成同样的后果。③数据重发失败。数据传输时如果发生难以估计的意外状况，基于通信协议的重发机制，该数据会重新发送。但是有时仍然会出现丢包，因为重发的数据没能在约定的时间内发送成功。④系统主动丢包。在一些实时性要求较高的控制系统中，如果控制信号没能准时传输到执行器端，为了避免网络阻塞，系统会主动丢掉这样的数据，同时重新向执行端发送新的数据。系统采用这样主动丢包的方式来确保控制器高效快速执行任务。

常用的用来解决数据丢包的方法有确定性方法和随机系统法。在确定性研究方法中 Yu 等人用切换系统法对存在丢包的闭环控制系统性能进行了分析[10]。异步动态系统法也是确定性的方法之一。它将一个系统描述为多个子系统，每个子系统的丢包状况都不相同[11]。有时也用时滞系统的方法研究丢包问题，此时用系统采样间隔增大代表数据丢包情况。在随机系统法方面，文献[12]用两条 Markov 链来描述控制器与传感器之间，以及控制器与执行器之间的数据丢包情况，利用随机控制理论进行控制器的设计。

在实际系统中时延的存在和数据包的丢失这样的因素都会对系统的性能产生影响，常常要同时考虑两种情况对系统建模和分析设计。文献[13]通过选择适当的采样周期、合理的调度、优化控制器设计等方法给出了系统性能优化的方法。

3 事件驱动方面研究现状

由于网络带宽的限制，网络资源是有限的，而大多数的网络控制系统采用的仍然是时间触发机制，不考虑被控对象的状态变化，所有的采样信号都通过网络进行发送。很明显，在时间驱动机制会发送一些冗余的无效的信号，没能充分利用网络资源，造成了资源浪费。为了减少数据传输次数，降低网络负载和能量消耗，同时又不影响网络控制系统的性能，事件驱动控制策略开始吸引人们的注意。而对于事件驱动控制的研究是由瑞典隆德理工学院的Prof。 Arzen最初提出来的，是基于事件触发的 PID控制，还利用具体的仿真和实验仔细说明了事件触发机制的思想来源[14]。Astrom 在文献[15] 中指出事件驱动控制是由事件触发的，而不是按固定的周期采样执行任务。同时指出当系统输出超过了预设的值，即满足了事件驱动条件时，系统开始再一次的采样，控制器也更新。面对不同的系统，学者们利用不同的方法研究事件驱动机制并取得了一定的成果。Heemels W 探究了基于状态反馈的周期性事件触发控制，验证了事件触发控制在减少资源利用方面的优点之后又提出了一种基于模型的周期性事件触发传输机制[16]。Dr。 Wang 和 Dr。 Lemmon 在文献[17]中提出的事件触发机制考虑了网络传输延迟和数据丢包的同时存在的情况。针对离散非线性系统，利用 ISS 技术，分别提出了事件触发传输机制和自触发传输机制。Wang 等人针对自触发采样数据系统，根据采样的状态来预测下一个任务发布时间和结束时间。对含有时滞的条件下对自触发机制进行了改进，在确保性能的情况下对稳定性进行了分析。从上述文献中看到，目前对于事件触发控制的研究，绝大多数都是在给定控制器的前提下，从通信调度方法的角度出发来改善不理想的网络状况，减少延时的影响和丢包概率来提高作为传输媒介的网络的服务质量方面来讨论系统的稳定性问题以及事件驱动相对于周期采样触发机制的优越之处。从控制的角度出发，针对系统稳定性和动态性能的事件驱动控制还鲜有成果。Yue 等人对基于事件触发的同时具有不确定性和时滞的 NCS 控制器展开了深入研究还进行了相应的设计。而文献[18]则针对离散线性网络控制系统，基于 ISS-李雅普诺夫函数和线性不等式研究了事件触发传输机制和控制器联合设计的问题。文献[19]对包含有界的时变时滞的线性 NCS 设计了一个高效的事件触发机制，确保系统具有给定的滤波性能。对于网络控制系统，Dr。 Wang 和 Dr。 Lemmon 分析了触发事件的设计只需要个别子系统的状态信息。对于非线性子系统，需要设计控制器来保证子系统输入到状态稳定（ISS）。而对于线性子系统，设计问题就演变成了寻找线性矩阵不等式（Linear Matrix Inequation，LMI）是否有可行解的问题。目前为止，在对事件触发机制的研究方面取得了卓越成就的是美国圣母大学 Prof。 M。 D。 Lemmon 带领的科研团队[20]，以及美国加州大学的电子工程系 CPS 实验室的 Dr。 Paulo Tabuada 指导的课题组，详见文献[21][22]。从控制角度研究网络化控制系统中事件驱动条件和与之相关的控制器是今后工作首要要研究的内容。网络控制系统国内外研究现状(2):http://www.youerw.com/yanjiu/lunwen_91389.html