基于随机优化的网络控制系统最优化方法研究
|
摘要
随着控制系统规模的日益扩大，越来越多的控制系统将采用分布式控制方式，但对于大多数采用总线结构的以太控制网络系统来说，由于网络中的信息传输采用分时传送的方式，这就不可避免的在控制回路中引入传输时间延迟，但当时间延迟相对于采样周期而言不能忽略时，将会使闭环网络控制系统性能恶化，甚至失稳。
本论文是针对工业以太网，研究了网络的随机延迟现象，并在此基础上对网络控制系统随机优化控制方面的理论与实验进行了初步的研究和探讨。首先，我们从理论上分析了工业以太网产生随机时间延迟现象的机理，并根据网络的不同负载情况，采集了大量的随机时间延迟数据，统计了在网络负载在20％左右情况下的延迟数据。然后，采用事件驱动方式的控制器模型，对工业以太网络控制系统进行了建模分析，并针对该数学模型，结合工业以太网络的特性提出了随机优化控制律和随机次优化控制律的设计方法，仿真实验结果表明了方法的有效性。最后，我们在Matlab环境下，设计开发了基于工业以太网的网络控制系统仿真程序，并为在Matlab环境下实现网络分布计算，提供了一种新的实现方法。
With the scope of control systems increasing, more and more control systems will use distributed control systems. For many control loops are closed over Ethernet using field bus. There will inevitably be time delays in the Ethernet. When those time delays become longer but less then sampling periods. We will find we cannot neglect those time delays, which will degrade our close loops performance, even make it instability.
In this paper, we consider of random time delays of Ethernet in industry and have a primary research on the stochastic optimization control problem and experiment. Firstly, we analyze the random delays in Ethernet and collect a great lot of random delays information under different load of Ethernet, and through the stochastic analysis we count those random delays when the load of Ethernet is around 20%. Secondly, we build an event-driven model and explore a new approach for designing the rules of stochastic optimization and sub optimization control. This approach proved by experiment is effectual. Finally, In Matlab surroundings, we designed networked control systems simulation program for Ethernet control systems in industry. In our paper, a new method for simulation of networked control systems is presented.
本论文是针对工业以太网，研究了网络的随机延迟现象，并在此基础上对网络控制系统随机优化控制方面的理论与实验进行了初步的研究和探讨。首先，我们从理论上分析了工业以太网产生随机时间延迟现象的机理，并根据网络的不同负载情况，采集了大量的随机时间延迟数据，统计了在网络负载在20％左右情况下的延迟数据。然后，采用事件驱动方式的控制器模型，对工业以太网络控制系统进行了建模分析，并针对该数学模型，结合工业以太网络的特性提出了随机优化控制律和随机次优化控制律的设计方法，仿真实验结果表明了方法的有效性。最后，我们在Matlab环境下，设计开发了基于工业以太网的网络控制系统仿真程序，并为在Matlab环境下实现网络分布计算，提供了一种新的实现方法。
With the scope of control systems increasing, more and more control systems will use distributed control systems. For many control loops are closed over Ethernet using field bus. There will inevitably be time delays in the Ethernet. When those time delays become longer but less then sampling periods. We will find we cannot neglect those time delays, which will degrade our close loops performance, even make it instability.
In this paper, we consider of random time delays of Ethernet in industry and have a primary research on the stochastic optimization control problem and experiment. Firstly, we analyze the random delays in Ethernet and collect a great lot of random delays information under different load of Ethernet, and through the stochastic analysis we count those random delays when the load of Ethernet is around 20%. Secondly, we build an event-driven model and explore a new approach for designing the rules of stochastic optimization and sub optimization control. This approach proved by experiment is effectual. Finally, In Matlab surroundings, we designed networked control systems simulation program for Ethernet control systems in industry. In our paper, a new method for simulation of networked control systems is presented.
引文
1 范铠 现场总线技术在国内的应用情况 自动化博览 2001 4
2 郑文波 以太控制网络技术与系统 工业控制计算机 2001 9
3 linda G. Bushnell Networks and Control IEEE Control Systems Magazine Feb 2001 pp22-23
4 Carlo Cloet Ethernet: A versatile network with a strong industrial track record and bright future Control Solutions Magazine January 2001
5 郑文波编著 控制网络技术 清华大学出版社 2001．8
6 周明 编著 现场总线控制 中国电力出版社 2002．1
7 熊育悦 赵哲身 工业以太网在控制系统中的应用前景 仪表技术 2002．3
8 李胜勇 李铭才 赵吉华 以太网，控制网与设备网的性能比较与分析 仪表技术 2002．3
9 张志学 肖志怀 李朝晖 以太网与现场总线 工业控制计算机 2001 7
10 綦希林，曲非非，黎明 e时代企业管控一体化 微计算机信息 2001．1
11 李江伟 汪仁煌 信息网络技术对工业控制技术发展的促进 电气自动化 2001．1
12 魏庆福 现场总线技术发展的新方向 工业控制计算机 2000．1
13 徐皑冬 王宏 杨志家 基于以太网的工业控制网络 信息与控制 2000．4
14 周华 以太网正逐步向过程控制渗透 自动化博览 2000．2
15 林铭锻 吴安定 以太网在小型控制系统中的应用 自动化仪表 2001．6
16 杨全胜 接入Internet的企业管控综合网络系统的设计 工业控制计算机 2001．1
17 苟建兵 工业网络中以太网可靠性分析自动化博览
18 刘怀 胡继风 控制网络的实时性分析 工业控制计算机 2001 9
19 Y. Halevi and A. Ray, "Integrated communication and control systems: Part Ⅰ—Analysis," J. Dynamic Syst., Measure. Contr., vol. 110, pp. 367-373, Dec. 1998
20 J. Nilsson, "Real-time control systems with delays," Ph.D.dissertation, Dept. Automatic Control, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, January 1998.
21 Ray A. "Distributed data communication networks for real-time process control." Chem. Eng. Comm. 1988, Vol. 65 pp139-154
22 Ray A.: "Performance evaluation of medium access control protocols for distributed digital avionics." Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 109, December, pp. 370-377.
23 Wei Zhang Michael S.B. Stephen M. P. Stability of Networked Control Systems IEEE Control System Magazine Feb 2001 pp. 84-99
24 F. -L. Lian. Analysis, Design, Modeling, and Control of Networked Control Systems. PhD thesis, University of Michigan, May 2001.
25 Wing Shing Wong and Roger W.B. Systems with Finite Communication Bandwidth Constrains—Part Ⅰ: State Estimation Problems IEEE Trans.Automat. Contr., VOL. 42, NO. 9. Sep 1997 pp1294-1299
26 Wing SLing Wong and Roger W. B. Systems with Finite Communication Bandwidth Constrains—Part Ⅱ: Stabilization with Limited Information Feedback IEEE Trans. Automat. Contr.,VOL. 44, NO. 5. May 1999 pp1049-1053
27 A.P. Belle Isle and Frank Kozin "On the Almost-Sure Sample Stability of Systems with Randomly Time-varying Delays" Automatica Vol. 8 pp. 755-763
28 王志平 熊光泽 一种基于Ethernet的硬实时通信协议 计算机研究与发展 2000 10
29 Gregory C. Walsh Hong Ye Scheduling of Networked Control Systems IEEE Control System Magazine Feb 2001
30 O. Beldiman, L. G. Bushnell, and G. C. Walsh. Perturbations in networked control systems. 2001 ASME-IMECE, Symposium on Networked Control Systems, 2001.
31 Ray A.: "Output feedback control under randomly varying distributed delays." Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 17: 4, pp.701-711.
32 Ray, A Liou L-W A Stochastic Regulator for Integrated Communication and Control Systems: Part Ⅰ Formulation of Control Law ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Dec 1991, pp604-611
33 Ray, A Liou L-W A Stochastic Regulator for Integrated Communication and Control Systems: Part Ⅱ Numerical Analysis and Simulation ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Dec 1991, pp. 612-619
34 Y. Halevi and A. Ray. Integrated communication and control systems: Part Ⅱ, design. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control,1988.
35 Ray, A Liou L-W Integrated Communication and Control Systems: Part Ⅲ Nonidentical Sensor and Controller Sampling ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Dec 1990, pp. 357-364
36 Ray A. and Luen-Woei Liou "On modeling of integrated communication and control systems" Transactions of the ASME Vol.112 Dec. 1990 pp790-794
37 LUCK, R. and A. RAY H1990I: "An observer-based compensator for distributed delays." Automatica, 26: 5, pp. 903-908.
38 Wittenmark B., J. Nilsson and M. Torngren, 1995: Timing problems in
pp2000-2004. Seattle, WA, June.
39 Johan Nilsson, Bo Bernhardsson, Bjorn Wittenmark Stochastic Analysis and Control of Real-time Systems with Random Time Delays Automatica, Vol. 34, No. 1 pp57-64 1998
40 CHAN, H. and . ZGNER H1995I: "Closed-loop control of systems over a communications network with queues." International Journal of Control, 62: 3, pp. 493-510.
41 KRTOLICA, R., ZGNER, H. CHAN, H. GKTAS, J. WINKELMAN, and M. LIUBAKKA H1994I: "Stability of linear feedback systems with random communication delays." International Journal of Control, 59: 4, pp. 925-953.
42 于之训 陈辉堂 王月娟 时延网络控制系统均方指数稳定的研究 控制与决策 2000，5 278-289
43 A.S. Tanenbaum著 熊贵喜 等译 计算机网络 清华大学出版社 1998
44 Charles E. Spurgenon著 张健 等译 以太网络技术入门于实现 机械工业出版社 1998
45 W. Richard Stevens编著 范建华 等译TCP／IP详解[专著]·卷1，协议 机械工业出版社 2000．5
46 Tere Parnell著 郑岩 等译 构建高速网络 人民邮电出版社 2000
47 张公忠编著 现代网络技术教程 电子工业出版社 2000
48 Willian A. Shay著 高传善 等译 数据通信与网络教程 机械工业出版社 2000
49 逯昭义 王思明 著 计算机通信网络信息量理论 电子工业出版社 1997
50 林闯 随机Petri网和系统性能评价 清华大学出版社 2000
51 车驾雄 以太网网络负载讨论 计算机工程 2000 8
52 Stan Schneider: Making Ethernet Work in Real Time, Sensors Online
53 奚宏生，杨孝先 不确定噪声下确保连续1qg最优控制目标的扰动界 自动化学报 1997年03期
54 奚宏生 不确定噪声下确保控制性能的鲁棒1qg调节器 控制理论与应用 1997年03期
55 吴淮宁，尤昌德 具有H～∞性能界的鲁棒1qg控制 西安交通大学学报 1997年12期
56 吴淮宁 不确定离散系统具有H_∞性能界的鲁棒1qg状态反馈控制自动化学报 2000年01期
57 高立群 张嗣瀛 线性二次型系统结构控制的研究 控制与决策 1994年05期
58 胡钋，刘岚，韩进能 状态二次型系统状态方程的一种新解法 武汉大学学报(工学版)2001年01期
59 孙增圻 编著 计算机控制理论及应用 清华大学出版社 1989．10
60 Makila. P.M. and Toivonen. H.T. Computational methods for parametric LQ problems—A survey IEEE Trans. Autom. Control. 1987. AC-32. pp. 658-671
61 P. M. Makila and T. Norlander Parametric linear quadratic control and
random delays IEE Proc-Control Theory Application Nov 2000 pp 641-647
62 Karl J．Astrom Bjorn Wittenmark 编著 周兆英 等译 计算机控制系统-原理与设计电子工业出版社 2001
63 Karl J．Astrom 著 潘裕焕译 随机控制理论导论 科学出版社 1983．1
64 徐宁寿 著 随机信号估计与系统控制 北京工业大学出版社 2001．1
65 吴沧浦编著 最优控制的理论与方法 国防工业出版社 2000．6
66 Jamahl W. Overstreet and Anthony Tzes An Internet-Based Real-Time Control Engineering Laboratory IEEE Control Systems October 1999 pp10-pp34
67 S.-K. Kweon and K. G. Shin. Ethernet-based real time control networks for manufacturing automation systems. 2000.
68 Gary R. Wright, W. Richard Stevens著 陆雪莹等译 TCP／IP详解[专著]·卷2，实现 机械工业出版社，2000．7
69 Cay S. Horstmann Gary Cornell 著 李如豹 刚冬梅 等译 Java 2核心技术 卷Ⅰ：原理(原书第5版)机械工业出版社 2002．2．1
70 Jacquie Barker 著 韩柯等译 Java面向对象编程指南 电子工业出版社 2001-11-1
71 Bruce Eckel 著 侯捷译 Java编程思想(第2版)机械工业出版社 2002．9．1
72 Anthony Jones Jim Ohlund 著 京京工作室 译 Windows网络编程技术 机械工业出版社 2000
73 马兴义 等 Matlab 6应用开发指南 机械工业出版社 2002．1．1
74 http://www.mathworks.com
2 郑文波 以太控制网络技术与系统 工业控制计算机 2001 9
3 linda G. Bushnell Networks and Control IEEE Control Systems Magazine Feb 2001 pp22-23
4 Carlo Cloet Ethernet: A versatile network with a strong industrial track record and bright future Control Solutions Magazine January 2001
5 郑文波编著 控制网络技术 清华大学出版社 2001．8
6 周明 编著 现场总线控制 中国电力出版社 2002．1
7 熊育悦 赵哲身 工业以太网在控制系统中的应用前景 仪表技术 2002．3
8 李胜勇 李铭才 赵吉华 以太网，控制网与设备网的性能比较与分析 仪表技术 2002．3
9 张志学 肖志怀 李朝晖 以太网与现场总线 工业控制计算机 2001 7
10 綦希林，曲非非，黎明 e时代企业管控一体化 微计算机信息 2001．1
11 李江伟 汪仁煌 信息网络技术对工业控制技术发展的促进 电气自动化 2001．1
12 魏庆福 现场总线技术发展的新方向 工业控制计算机 2000．1
13 徐皑冬 王宏 杨志家 基于以太网的工业控制网络 信息与控制 2000．4
14 周华 以太网正逐步向过程控制渗透 自动化博览 2000．2
15 林铭锻 吴安定 以太网在小型控制系统中的应用 自动化仪表 2001．6
16 杨全胜 接入Internet的企业管控综合网络系统的设计 工业控制计算机 2001．1
17 苟建兵 工业网络中以太网可靠性分析自动化博览
18 刘怀 胡继风 控制网络的实时性分析 工业控制计算机 2001 9
19 Y. Halevi and A. Ray, "Integrated communication and control systems: Part Ⅰ—Analysis," J. Dynamic Syst., Measure. Contr., vol. 110, pp. 367-373, Dec. 1998
20 J. Nilsson, "Real-time control systems with delays," Ph.D.dissertation, Dept. Automatic Control, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, January 1998.
21 Ray A. "Distributed data communication networks for real-time process control." Chem. Eng. Comm. 1988, Vol. 65 pp139-154
22 Ray A.: "Performance evaluation of medium access control protocols for distributed digital avionics." Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 109, December, pp. 370-377.
23 Wei Zhang Michael S.B. Stephen M. P. Stability of Networked Control Systems IEEE Control System Magazine Feb 2001 pp. 84-99
24 F. -L. Lian. Analysis, Design, Modeling, and Control of Networked Control Systems. PhD thesis, University of Michigan, May 2001.
25 Wing Shing Wong and Roger W.B. Systems with Finite Communication Bandwidth Constrains—Part Ⅰ: State Estimation Problems IEEE Trans.Automat. Contr., VOL. 42, NO. 9. Sep 1997 pp1294-1299
26 Wing SLing Wong and Roger W. B. Systems with Finite Communication Bandwidth Constrains—Part Ⅱ: Stabilization with Limited Information Feedback IEEE Trans. Automat. Contr.,VOL. 44, NO. 5. May 1999 pp1049-1053
27 A.P. Belle Isle and Frank Kozin "On the Almost-Sure Sample Stability of Systems with Randomly Time-varying Delays" Automatica Vol. 8 pp. 755-763
28 王志平 熊光泽 一种基于Ethernet的硬实时通信协议 计算机研究与发展 2000 10
29 Gregory C. Walsh Hong Ye Scheduling of Networked Control Systems IEEE Control System Magazine Feb 2001
30 O. Beldiman, L. G. Bushnell, and G. C. Walsh. Perturbations in networked control systems. 2001 ASME-IMECE, Symposium on Networked Control Systems, 2001.
31 Ray A.: "Output feedback control under randomly varying distributed delays." Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 17: 4, pp.701-711.
32 Ray, A Liou L-W A Stochastic Regulator for Integrated Communication and Control Systems: Part Ⅰ Formulation of Control Law ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Dec 1991, pp604-611
33 Ray, A Liou L-W A Stochastic Regulator for Integrated Communication and Control Systems: Part Ⅱ Numerical Analysis and Simulation ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Dec 1991, pp. 612-619
34 Y. Halevi and A. Ray. Integrated communication and control systems: Part Ⅱ, design. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control,1988.
35 Ray, A Liou L-W Integrated Communication and Control Systems: Part Ⅲ Nonidentical Sensor and Controller Sampling ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control Dec 1990, pp. 357-364
36 Ray A. and Luen-Woei Liou "On modeling of integrated communication and control systems" Transactions of the ASME Vol.112 Dec. 1990 pp790-794
37 LUCK, R. and A. RAY H1990I: "An observer-based compensator for distributed delays." Automatica, 26: 5, pp. 903-908.
38 Wittenmark B., J. Nilsson and M. Torngren, 1995: Timing problems in
pp2000-2004. Seattle, WA, June.
39 Johan Nilsson, Bo Bernhardsson, Bjorn Wittenmark Stochastic Analysis and Control of Real-time Systems with Random Time Delays Automatica, Vol. 34, No. 1 pp57-64 1998
40 CHAN, H. and . ZGNER H1995I: "Closed-loop control of systems over a communications network with queues." International Journal of Control, 62: 3, pp. 493-510.
41 KRTOLICA, R., ZGNER, H. CHAN, H. GKTAS, J. WINKELMAN, and M. LIUBAKKA H1994I: "Stability of linear feedback systems with random communication delays." International Journal of Control, 59: 4, pp. 925-953.
42 于之训 陈辉堂 王月娟 时延网络控制系统均方指数稳定的研究 控制与决策 2000，5 278-289
43 A.S. Tanenbaum著 熊贵喜 等译 计算机网络 清华大学出版社 1998
44 Charles E. Spurgenon著 张健 等译 以太网络技术入门于实现 机械工业出版社 1998
45 W. Richard Stevens编著 范建华 等译TCP／IP详解[专著]·卷1，协议 机械工业出版社 2000．5
46 Tere Parnell著 郑岩 等译 构建高速网络 人民邮电出版社 2000
47 张公忠编著 现代网络技术教程 电子工业出版社 2000
48 Willian A. Shay著 高传善 等译 数据通信与网络教程 机械工业出版社 2000
49 逯昭义 王思明 著 计算机通信网络信息量理论 电子工业出版社 1997
50 林闯 随机Petri网和系统性能评价 清华大学出版社 2000
51 车驾雄 以太网网络负载讨论 计算机工程 2000 8
52 Stan Schneider: Making Ethernet Work in Real Time, Sensors Online
53 奚宏生，杨孝先 不确定噪声下确保连续1qg最优控制目标的扰动界 自动化学报 1997年03期
54 奚宏生 不确定噪声下确保控制性能的鲁棒1qg调节器 控制理论与应用 1997年03期
55 吴淮宁，尤昌德 具有H～∞性能界的鲁棒1qg控制 西安交通大学学报 1997年12期
56 吴淮宁 不确定离散系统具有H_∞性能界的鲁棒1qg状态反馈控制自动化学报 2000年01期
57 高立群 张嗣瀛 线性二次型系统结构控制的研究 控制与决策 1994年05期
58 胡钋，刘岚，韩进能 状态二次型系统状态方程的一种新解法 武汉大学学报(工学版)2001年01期
59 孙增圻 编著 计算机控制理论及应用 清华大学出版社 1989．10
60 Makila. P.M. and Toivonen. H.T. Computational methods for parametric LQ problems—A survey IEEE Trans. Autom. Control. 1987. AC-32. pp. 658-671
61 P. M. Makila and T. Norlander Parametric linear quadratic control and
random delays IEE Proc-Control Theory Application Nov 2000 pp 641-647
62 Karl J．Astrom Bjorn Wittenmark 编著 周兆英 等译 计算机控制系统-原理与设计电子工业出版社 2001
63 Karl J．Astrom 著 潘裕焕译 随机控制理论导论 科学出版社 1983．1
64 徐宁寿 著 随机信号估计与系统控制 北京工业大学出版社 2001．1
65 吴沧浦编著 最优控制的理论与方法 国防工业出版社 2000．6
66 Jamahl W. Overstreet and Anthony Tzes An Internet-Based Real-Time Control Engineering Laboratory IEEE Control Systems October 1999 pp10-pp34
67 S.-K. Kweon and K. G. Shin. Ethernet-based real time control networks for manufacturing automation systems. 2000.
68 Gary R. Wright, W. Richard Stevens著 陆雪莹等译 TCP／IP详解[专著]·卷2，实现 机械工业出版社，2000．7
69 Cay S. Horstmann Gary Cornell 著 李如豹 刚冬梅 等译 Java 2核心技术 卷Ⅰ：原理(原书第5版)机械工业出版社 2002．2．1
70 Jacquie Barker 著 韩柯等译 Java面向对象编程指南 电子工业出版社 2001-11-1
71 Bruce Eckel 著 侯捷译 Java编程思想(第2版)机械工业出版社 2002．9．1
72 Anthony Jones Jim Ohlund 著 京京工作室 译 Windows网络编程技术 机械工业出版社 2000
73 马兴义 等 Matlab 6应用开发指南 机械工业出版社 2002．1．1
74 http://www.mathworks.com