一种网络控制系统及其控制方法与流程

本申请涉及通信领域，特别涉及一种网络控制系统及其控制方法、装置及可读存储介质。

背景技术：

网络控制系统(networkedcontrolsystems，ncs)是指控制系统的各部件通过通信网络连接构成的实时闭环控制系统。网络控制系统突破了传统控制系统在空间物理位置上的限制，具有系统连线少、资源信息共享、易诊断维护、灵活可靠等诸多优势，故被广泛应用于远程医疗、智能交通、航空航天、国防军事等诸多领域。

然而，网络控制系统在给生产生活带来极大便利的同时，也因不可靠的网络传输方式导致其存在诸多难题和挑战，例如网络诱导时延、数据包丢失、扰动等，导致网络控制系统不稳定甚至是性能下降。

目前，针对网络控制系统稳定性和控制器设计的讨论过于理想化。实际应用场景中，时延往往是随机的，且随机时变时延和丢包往往同时存在于双通道上，此外还会存在扰动，如何在这种情下，实现网络控制系统的建模和控制器设计，以保证网络控制系统的稳定性，是亟待本领域技术人员解决的问题。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种网络控制系统及其控制方法、装置及可读存储介质，用以解决传统网络控制器的建模和控制器设计方案中考虑的条件过于理想化，导致传统方案下网络控制系统性能较差的问题。

其具体方案如下：

第一方面，本申请提供了一种网络控制系统的控制方法，包括：

建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型；

将前馈通道和反馈通道的丢包事件，分别描述为设置于所述前馈通道的第一开关和设置于所述反馈通道的第二开关的丢包事件，以将所述离散时间模型转换为开关切换模型；其中，所述前馈通道为所述网络控制系统中状态反馈控制器与执行器之间的通道，所述反馈通道为所述状态反馈控制器与传感器之间的通道；

根据所述开关切换模型，确定使所述网络控制系统的闭环指数稳定的充分条件；

根据所述充分条件，确定给定网络控制系统的状态反馈控制律，以对该网络控制系统进行控制。

优选的，所述建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型，包括：

建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型，所述离散时间模型为：

其中，k表示周期数；xk、uk、zk分别表示所述离散时间模型在第k个周期时的系统状态、控制输入、被调输出；xk+1表示第k+1个周期时的系统状态，uk-1表示第k-1个周期的控制输入；wk、vk表示第k个周期时的噪声干扰信号，且二者均属于l2[0,∞)；τk表示第k周期时的时变网络诱导时延，且τk满足其中τca表示所述前馈通道的短随机时延，τsc表示所述反馈通道的短随机时延；a0、b0、d、e0、e1、r、c、d1均表示所述离散时间模的常数矩阵；f(τk)表示含不确定性的系数矩阵。

优选的，所述将所述离散时间模型转换为开关切换模型，包括：

将所述离散时间模型转换为开关切换模型，所述开关切换模型为：

其中，i＝{1,2,3,4}，分别对应所述第一开关和所述第二开关的四种丢包事件；φi用于描述第i种丢包事件发生的概率；k表示周期数；zk分别表示所述开关切换模型的系统状态和被调输出；wk、vk表示第k个周期时的输入噪声干扰信号和输出噪声干扰信号，且二者均属于l2[0,∞)；表示所述开关切换模型在第k+1周期时的系统状态，d1分别表示所述开关切换模型的常数矩阵。

优选的，所述前馈通道和所述反馈通道的随机时延之和小于单个采样周期。

优选的，所述根据所述充分条件，确定给定网络控制系统的状态反馈控制律，包括：

根据所述充分条件，确定应用于物联网考勤机的无线传输控制系统的状态反馈控制律。

第二方面，本实施例提供了一种网络控制系统的控制装置，包括：

模型建立模块：用于建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型；

模型转换模块：用于将前馈通道和反馈通道的丢包事件，分别描述为设置于所述前馈通道的第一开关和设置于所述反馈通道的第二开关的丢包事件，以将所述离散时间模型转换为开关切换模型；其中，所述前馈通道为所述网络控制系统中状态反馈控制器与执行器之间的通道，所述反馈通道为所述状态反馈控制器与传感器之间的通道；

条件确定模块：用于根据所述开关切换模型，确定使所述网络控制系统的闭环指数稳定的充分条件；

控制模块：用于根据所述充分条件，确定给定网络控制系统的状态反馈控制律，以对该网络控制系统进行控制。

第三方面，本申请提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现如上所述的一种网络控制系统的控制方法的步骤。

第四方面，本申请提供了一种网络控制系统，包括：状态反馈控制器、执行器、传感器、被控对象；其中，所述状态反馈控制器用于根据如上所述的一种网络控制系统的控制方法确定状态反馈控制律，以控制自身所在的网络控制系统。

优选的，所述状态反馈控制器和所述执行器以事件驱动方式运行，所述传感器以时间驱动方式运行。

优选的，所述被控对象为物联网考勤机。

本申请所提供的一种网络控制系统及其控制方法、装置及可读存储介质，方案包括：建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型；将前馈通道和反馈通道的丢包事件，分别描述为设置于前馈通道的第一开关和设置于反馈通道的第二开关的丢包事件，以将离散时间模型转换为开关切换模型；根据开关切换模型，确定使网络控制系统的闭环指数稳定的充分条件；根据充分条件，确定给定网络控制系统的状态反馈控制律，以对该网络控制系统进行控制。可见，该方案针对实际应用场景，对前馈通道和反馈通道上同时存在短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统进行建模，为了求得使该系统稳定的充分条件，将双通道上的丢包事件描述为两个开关的切换事件，并根据求得的充分条件对网络控制系统进行控制，更具现实意义，有效保证了系统的稳定性，提升了网络控制系统的性能。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请所提供的一种网络控制系统的控制方法实施例一的实现流程图；

图2为本申请所提供的含丢包及短随机时延的网络控制系统的模型示意图；

图3为本申请所提供的一种网络控制系统的控制方法实施例二的实现流程图；

图4为本申请所提供的应用于物联网考勤机的含丢包及短随机时延的网络控制系统的模型示意图；

图5为本申请所提供的网络诱导短随机时延示意图；

图6为本申请所提供的改进之前的考勤机系统的状态响应示意图；

图7为本申请所提供的改进之后的考勤机系统的状态响应示意图；

图8为本申请所提供的一种网络控制系统的控制装置实施例的功能框图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种网络控制系统及其控制方法、装置及可读存储介质，有效保证了网络控制系统的稳定性，提升了网络控制系统的性能。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面对本申请提供的一种网络控制系统的控制方法实施例一进行介绍，参见图1，实施例一包括：

s101、建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型；

s102、将前馈通道和反馈通道的丢包事件，分别描述为设置于所述前馈通道的第一开关和设置于所述反馈通道的第二开关的丢包事件，以将所述离散时间模型转换为开关切换模型；其中，所述前馈通道为所述网络控制系统中状态反馈控制器与执行器之间的通道，所述反馈通道为所述状态反馈控制器与传感器之间的通道；

s103、根据所述开关切换模型，确定使所述网络控制系统的闭环指数稳定的充分条件；

s104、根据所述充分条件，确定给定网络控制系统的状态反馈控制律，以对该网络控制系统进行控制。

网络控制系统(networkcontrolsystem，简称ncs)是指控制系统的传感器到控制器和控制器到执行器之间通过网络连接，如图2所示，该系统主要包括：执行器、被控对象、传感器和状态反馈控制器。

本实施例提供了一种考虑网络诱导短随机时延、扰动、数据包丢失同时存在于前馈通道和反馈通道的多因素影响下的复杂网络控制系统的控制方案，或者说复杂网络控制系统的状态反馈控制器的设计方案。其中，前馈通道是指状态反馈控制器与执行器之间的通道，反馈通道是指状态反馈控制器与传感器之间的通道。本实施例能解决更符合网络控制系统实际环境中的网络的阻塞、连接中断、传输错误和节点竞争等问题，能使网络控制系统反应实时化、灵活化，有效提高了对网络中的设备进行在线状态检测能力，并保证了对设备在线检测的可靠性。

在建模之后，为了方便求解模型稳定的充分条件，如图2所示，本实施例将前馈通道和反馈通道上的丢包事件，描述为由设置于前馈通道的第一开关t1和设置于反馈通道的第二开关t2的切换过程导致的丢包事件，从而实现将网络诱导短随机时延建模为系数矩阵的参数不确定性。

本实施例的实现过程主要包括：建立含数据包丢失、短随机时延和扰动三大因素影响下的网络控制系统的离散时间模型；将前馈通道和反馈通道的数据包丢包建模为4个开关切换过程导致的丢包事件；建立含4个子系统的不确定性离散时间开关切换系统新模型，即上述开关切换模型；基于开关切换模型，推导出使网络控制系统闭环指数稳定的充分条件，根据该充分条件即可确定状态反馈控制器设计方案，从而控制网络控制系统。

本实施例所提供一种网络控制系统及其控制方法，该方案针对实际应用场景，对前馈通道和反馈通道上同时存在短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统进行建模，为了求得使该系统稳定的充分条件，将双通道上的丢包事件描述为两个开关的切换事件，并根据求得的充分条件对网络控制系统进行控制，更具现实意义，有效保证了系统的稳定性，提升了网络控制系统的性能。

下面开始详细介绍本申请提供的一种网络控制系统的控制方法实施例二，实施例二主要描述网络控制系统的详尽的建模过程和控制器设计方案。在描述实施过程之前，首先对本实施例的实施条件进行说明：

条件1：传感器采用时间驱动且采样周期t恒定，控制器和执行器均采用事件驱动；

条件2：第k周期的不确定时变网络诱导时延取决于τk，且小于一个采样周期，且同时存在于前馈通道和反馈通道，其中，τk表示第k周期的不确定时变网络诱导时延，代表控制器和执行器之间的网络诱导的随机时延，代表传感器和控制器之间的网络诱导的随机时延；

条件3：数据包采用单包传输，不会产生时序错乱；

条件4：被控对象的全部状态可测，采用状态反馈控制；

条件5：噪声干扰信号w(t)∈r^q，v(t)∈r^r是噪声干扰信号属于l2∈[0,∞)；其中，w(t)、v(t)分别表示第k个周期时的输入噪声干扰信号和输出噪声干扰信号，且二者均属于l2[0,∞)，r^q、r^r分别表示q*q维矩阵和r*r维矩阵；

条件6：数据包丢失事件存在于前馈和反馈通道。

基于以上实施条件，下面对实施例二的实施过程进行介绍。参见图3，实施例二具体包括：

s301、建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型；

上述离散时间模型为：

其中，k表示周期数；xk、uk、zk分别表示所述离散时间模型在第k个周期时的系统状态、控制输入、被调输出；xk+1表示第k+1个周期时的系统状态，uk-1表示第k-1个周期的控制输入；wk、vk表示第k个周期时的输入噪声干扰信号和输出噪声干扰信号，且二者均属于l2[0,∞)；τk表示第k周期时的时变网络诱导时延，且τk满足其中τca表示所述前馈通道的短随机时延，τsc表示所述反馈通道的短随机时延；a0、b0、d、e0、e1、r、c、d1均表示所述离散时间模的常数矩阵；f(τk)表示含不确定性的系数矩阵。

s302、将前馈通道和反馈通道的丢包事件，分别描述为设置于所述前馈通道的第一开关和设置于所述反馈通道的第二开关的丢包事件，以将所述离散时间模型转换为开关切换模型；

其中，所述前馈通道为所述网络控制系统中状态反馈控制器与执行器之间的通道，所述反馈通道为所述状态反馈控制器与传感器之间的通道。本实施例采用如图2所示的开关t1和开关t2分别表示前馈通道和反馈通道的状态，最终将前馈通道和反馈通道的数据包丢包描述成4个由开关切换导致的丢包事件，将步骤s301的离散时间模型重新变形为含四个子系统的不确定性离散时间开关切换模型，所述开关切换模型如下所示：

其中，i＝{1,2,3,4}，分别对应所述第一开关和所述第二开关的四种丢包事件；φi用于描述第i种丢包事件发生的概率；k表示周期数；zk分别表示所述开关切换模型的系统状态和被调输出；wk、vk表示第k个周期时的输入噪声干扰信号和输出噪声干扰信号，且二者均属于l2[0,∞)；表示所述开关切换模型在第k+1周期时的系统状态，d1分别表示所述开关切换模型的常数矩阵。

上述4个由开关切换导致的丢包事件为：

丢包事件1：图2中开关t1和开关t2均闭合，代表反馈通道和前馈通道均不存在丢包现象，即开关切换模型中的丢包事件1；

丢包事件2：图2中开关t1打开而开关t2闭合，代表仅反馈通道存在丢包现象，即开关切换模型中的丢包事件2；

丢包事件3：图2中开关t1闭合而开关t2打开，代表仅前馈通道存在丢包现象，即开关切换模型中的丢包事件3；

丢包事件4：图2中开关t1和开关t2均开，代表反馈通道和前馈通道均存在丢包现象，即开关切换模型中的丢包事件4。

s303、根据所述开关切换模型，确定使所述网络控制系统的闭环指数稳定的充分条件；

基于步上述开关切换模型，基于已有定理推导出能使ncss闭环指数稳定的四个充分条件mi＜0,i＝1,2,3,4(此处的0表示零矩阵)，得到新的状态反馈控制器设计方法，并得到状态反馈控制器增益系数k＝js^-1，其中j为普通矩阵，s为正定矩阵，s^-1为s的逆矩阵。

s304、将新状态反馈器设计方法应用于物联网考勤机的无线传输控制系统；

如图4所示，该应用过程包括仿真参考的设置。具体如下：取采样周期t＝0.2s，总时延τk∈[0,0.2]，即小于一个采样周期，如图5所示；前馈通道和反馈通道均存在丢包情况，数据包丢失率分别设置为r1＝0.05，r2＝0.05。

s305、设置完参数，通过lmi工具箱求得离散化物联网考勤机无线传输控制系统离散模型参数，根据已有定义获得状态反馈控制律下异步动态网络控制系统的结构事件率；

具体的，上述异步动态网络控制系统的结构事件率分别为分别对应上述四个丢包事件。

s306、通过闭环指数稳定的四个充分条件，获得物联网考勤机新的状态反馈控制律。

具体的，该状态反馈控制律为其中表示系统状态，通过改进前和改进后的物联网考勤机的无线传输控制系统的仿真状态响应图，改进前的响应状态图如图6所示，改进后的响应状态图如图7所示，可以看出：在该状态反馈控制律下，能够快速实现考勤机无线传输系统的稳定，这也就是本实施例的意义所在。

本实施例所提供一种网络控制系统及其控制方法，属于网络控制技术领域，尤其涉及一种同时考虑时变短时延(网络诱导时延同时存在双通道，且小于一个采样周期的情况)和数据包丢失情况下新的状态反馈控制器设计，从而解决了网络拥塞、链路故障、传输错误、噪声干扰以及共享同一通信介质等问题，使智能现场设备集成一体化、业务管理网络化。本实施例的控制器设计方法在物联网考勤机的无线传输控制系统得到了验证，该状态反馈控制器设计方案能使控制系统反应实时、灵活，有效提高了对网络中的设备进行在线状态检测能力，并保证了对设备在线检测的可靠性。

下面对本申请实施例提供的一种网络控制系统的控制装置进行介绍，下文描述的一种网络控制系统的控制装置与上文描述的一种网络控制系统的控制方法可相互对应参照。

如图8所示，该装置包括：

模型建立模块801：用于建立含短随机时延、丢包和扰动的网络控制系统的离散时间模型；

模型转换模块802：用于将前馈通道和反馈通道的丢包事件，分别描述为设置于所述前馈通道的第一开关和设置于所述反馈通道的第二开关的丢包事件，以将所述离散时间模型转换为开关切换模型；其中，所述前馈通道为所述网络控制系统中状态反馈控制器与执行器之间的通道，所述反馈通道为所述状态反馈控制器与传感器之间的通道；

条件确定模块803：用于根据所述开关切换模型，确定使所述网络控制系统的闭环指数稳定的充分条件；

控制模块804：用于根据所述充分条件，确定给定网络控制系统的状态反馈控制律，以对该网络控制系统进行控制。

本实施例的网络控制系统的控制装置用于实现前述的网络控制系统的控制方法，因此该装置中的具体实施方式可见前文中的网络控制系统的控制方法的实施例部分，例如，模型建立模块801、模型转换模块802、条件确定模块803、控制模块804，分别用于实现上述网络控制系统的控制方法中步骤s101，s102，s103，s104。所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。

另外，由于本实施例的网络控制系统的控制装置用于实现前述的网络控制系统的控制方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。

此外，本申请还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现如上文所述的一种网络控制系统的控制方法的步骤。

最后，本申请提供了一种网络控制系统，包括：状态反馈控制器、执行器、传感器、被控对象；其中，所述状态反馈控制器用于根据如上文所述的一种网络控制系统的控制方法确定状态反馈控制律，以控制自身所在的网络控制系统。

在一些具体的实施例中，所述状态反馈控制器和所述执行器以事件驱动方式运行，所述传感器以时间驱动方式运行。

在一些具体的实施例中，所述被控对象为物联网考勤机。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。