PDF《第28 卷第 6 期》

第28 卷第

6 期2011 年6月控制理论与应用Control Theory &

Applications Vol.

28 No.

6 Jun.

2011 信信信息 息 息传 传 传输 输 输对 对 对网 网 网络 络 络采 采 采样 样 样控 控 控制 制 制系 系 系统 统 统输 输 输入 入入/输输输出 出 出的 的 的影 影 影响 响响文文文章 章 章编 编 编号 号号: 1000?8152(2011)06?0819?08 邓亮, 陈抱雪, 隋国荣, 张建彬, 王关德 (上海理工大学 光电信息与计算机工程学院 上海 200093) 摘要: 信息传输如何影响网络控制系统的性能, 是控制理论界尚未解决的重要问题之一. 本文尝试采用Shannon 提出的失真评价函数、统计偏差和熵的定义, 结合传统采样和网络传输理论, 从统计概率的角度, 证明了当网络传 输受限时, 网络采样控制系统性能损失和传输采样信息量之间存在倒数关系, 建立了定量计算网络带宽变化量改变 控制系统输入输出的方法. 并通过Simulink中Truetime网络系统仿真软件验证了该方法的有效性. 关键词: 网络控制系统;

采样定理;

失真评价;

信息传输速率;

带宽 中图分类号: TP392.1 文献标识码: A Effect of information transmission on inputs/outputs of networked sampling control system DENG Liang, CHEN Bao-xue, SUI Guo-rong, ZHANG Jian-bin, WANG Guan-de (School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) Abstract: The effect of the information transmission on the performances of a networked sampling control system is an unsolved problem in control theories. This problem can not be dealt with by the traditional sampling and transmission theories. By combining the traditional sampling theory and the network transmission theory with Shannon'

s signal ?delity evaluation, signal statistical signal deviation and the de?nition of entropy, we prove that the deterioration in performance index of the networked sampling control system is inversely proportional to the amount of the sampled information in transmission, and statistically determine the amount of changes in inputs and outputs of the networked sampling control system caused by the bandwidth constraint. The network simulation tool Truetime in Simulink has been employed in simulation to verify the proposed method. Key words: networked control system;

sampling theory;

evaluation of ?delity;

information transfer rate;

bandwidth

1 引引引言 言言(Introduction) 传统的控制理论通常假定控制系统的采样周期 不变、 不发生采样延迟. 然而实际运行中, 此两者很 难得到保证. 尤其是在采用数字控制和数字通信的 网络化控制系统(networked control system, NCS)中, 每个节点都可能因为受到信息传输速率(传输带 宽)的限制, 随机产生采样周期变化、 延迟和信息丢 失等各种问题. 虽然带宽受限的影响非常显著, 但目 前尚未得出有效计算影响结果的方法[1?3] . 2002年, 国际控制学界在控制、 动力、 系统学未来发展方向 的研讨会上, 公认为: 在分布式、 异步网络环境中, 通 讯的约束条件对控制系统性能的影响, 是目前理论 界面临重大挑战之一[4] . 研究NCS控制系统的文献, 探讨的控制系统性 能, 主要是指系统输出特性和系统的稳定性. 如于 之训等定义系统性能为系统状态向量构成的二次 型指标[5] , Feng Lilian等定义系统性能为连续控制系 统参考输出和网络控制系统实际输出的时间加权 偏差(time weight error)[6] , Silvia Mastellone等定义系 统稳定性为由状态方程演化的离散开关系统的稳定 度[7] 等. 在探讨网络约束条件对控制系统影响时, 常用两 种方法: 一是假定系统延迟和信息丢包率为固定常 量或者按一定规律变化的变量[1,2,5,6,8] ;