文摘
近年来,理论和实践的研究主题在网络化控制系统(摘要)获得了越来越多的兴趣多种学科的研究人员在实践中由于存在的广泛应用。特别是,迫切需要出现了理解沟通过程对系统性能的影响。抽样和协议是两个基本方面的沟通过程吸引了大量的研究关注。大多数研究重点是动态行为的分析与控制在一定的抽样程序和通信协议。在本文中,我们的目标是调查最近的一些进展的分析和综合问题存在不同的取样程序(时间和事件驱动的采样)和协议(静态和动态协议)。首先,详细介绍了这些抽样程序和协议根据其工程背景以及动态性质。然后,稳定的发展,控制和过滤问题详细系统地回顾和讨论。最后,我们总结论文概述了未来的研究分析和合成存在的问题与面临的挑战不同的通信流程。
1。介绍
在过去的几十年里,发展网络化控制系统(摘要)导致了增长的通信存在的关注。的典型结构存在的所有组件,包括传感器、控制器、执行机构,控制系统可以通过一个共享的数字通信网络传输信息。有大量的优势存在,如成本低、维修方便,可靠性高。由于数字通信网络的应用程序,首先采样到的信息在网络上传输的数字信号之前,和不同的组件之间的通信实现一定的协议。
抽样是将一个连续信号转换成离散的过程。在实践中,采样实现通过输入连续信号的模拟/数字转换器(A / D)可以输出一个数字信号序列。考虑到不同的过程来生成适当的采样间隔(例如,一个完全时间驱动采样和事件驱动的采样项目),我们可以将存在的通信过程分为两类:一个完全时间驱动通信和事件驱动的通信项目。在一个完全时间驱动的交流项目,在一个固定的时间序列信号采样瞬间,然后通过网络传播。在事件驱动的通信中,信号采样只有当某种条件满足。不同的通信过程的存在会导致不同的影响闭环系统。因此,它的理论意义和实际意义,调查分析和综合问题存在一个完全时间驱动通信和事件驱动的通信项目。在本文中,我们关注的最新进展存在不同的抽样程序和通信协议。
一个完全时间驱动交流是传统项目沟通过程中采样瞬间生成取决于时间。自一个完全时间驱动交流是容易实现的工程项目,存在与一个完全时间驱动通信广泛应用于实际应用项目。一般来说,一个完全时间驱动的交流项目是实现基于三种不同的抽样程序:周期抽样程序,非均匀抽样程序,随机抽样程序。通过应用采样系统的框架,分析和综合问题已经与一个完全时间驱动取样程序项目开发存在的。基于采样数据的结构系统,考虑nc分为植物连续时间和离散时间控制器(或估计量/过滤器)。一般的配置存在一个完全时间驱动交流项目如图1。随着数字化的发展实现,采样系统发挥了重要作用密切控制工程实践;见,例如,(1- - - - - -4)和引用。
事件驱动的通信是一种通信过程一个完全时间驱动交流项目旨在降低采样频率,避免不必要的通信和计算资源的浪费。在事件驱动的通信中,确定了采样时刻考虑中的系统的性能恶化比要求(例如,系统会变得不稳定)。最近,事件驱动的通信受到越来越多的关注;参见[5- - - - - -10]。有两种不同的抽样方案的事件驱动的交流:事件驱动的采样和是一种自发性的抽样。一般配置存在的事件驱动的抽样和提出的是一种自发性的采样数据2和3,分别。事件驱动的抽样方案和之间的差异是一种自发性的抽样方案是,在前计划,抽样检测的基础上实现“事件”,而在以后的计划,抽样是根据预测实现的“事件”的发生基于系统模型和当前测量(即。,“事件”是产生的预测)。
本文的重点是提供一个及时的回顾最近的理论发展各种取样程序和通信协议存在一个完全时间驱动通信和事件驱动的通信项目。本文中讨论的参考包括,但不限于以下方面:(1)与一个完全时间驱动取样程序项目摘要,(2)存在与事件驱动的抽样程序,和(3)存在不同的通信协议。
本文概述如下。节2、分析和合成与一个完全时间驱动取样程序项目存在的问题进行了综述。部分3讨论了分析和合成与事件驱动的取样程序存在的问题。部分4评论的发展存在不同的通信协议。给出了结论和未来的工作5。
2。一个完全时间驱动取样程序项目
在本节中,我们将召回存在的最新进展与一个完全时间驱动取样程序项目基于采样系统的结构。
2.1。定期抽样
定期抽样样本数据的单一税率(即。采样间隔是一个常数)。作为最传统的抽样程序之一,大量的注意力都集中在线性系统的分析和综合问题,非线性系统,神经网络,可替换主体系统和随机系统定期采样。
稳定是采样系统最基本的性能之一,赢得了许多研究人员的特别关注。基于一个周期采样过程中,大量的文献已经发表在采样系统的稳定性分析1,2,11,12]。例如,在[2),作者研究了连续时间下闭环系统的输入-输出稳定周期性采样。它已经表明,闭环系统可以保持如果原来的系统是稳定的稳定和采样周期是足够小。此外,在[12),稳定性进一步扩展到全局李普希茨与输入非线性系统周期抽样程序。在[11),稳定性分析和控制器设计同时为模糊系统被认为是受多重速率的采样过程中,采样周期不同于控制更新周期。
考虑的发生中存在的不完全信息,各种尝试,研究周期抽样下的控制问题受到不确定性(13),包辍学(14),和丢失的现象输入(15]。例如,在[13),采样系统的鲁棒镇定问题已经调查系统非线性不确定性周期采样设置,数据包丢失和通信延迟是一起参与。在[14),状态反馈控制器设计问题一直与network-induced采样处理存在的延迟和数据包辍学通过应用一种新的模式的存在。采样控制系统的稳定问题进行了研究与控制输入失踪(15)通过使用一个时滞切换系统的方法。由于这样的事实,时间延迟通常驻留在摘要和构成性能下降甚至不稳定的主要原因,控制问题和故障检测问题存在的时间延迟和定期抽样程序一直在调查(16,17),分别。
关于根据周期抽样程序控制和过滤问题,我们提到一些代表作如下。在[18),和采样系统控制问题已经发展有关的传感器的采样周期不同于控制更新周期。在[19),的控制器已经开发了一类不确定存在的周期采样,network-induced延迟,和包辍学基于线性矩阵不等式(LMI)的方法。全球输出反馈稳定方法提出了在20.)的上三角与未知的非线性采样系统。后退方法是一个重要的方法来设计一个特殊的一类非线性系统的稳定控制。在[21),后退控制技术是用来稳定一类非线性系统周期采样。
作为一类复杂动态网络,神经网络(NNs)获得了特定的研究领域在过去的二十年。在[22],NN-based稳定自适应控制研究了一类multi-input-multi-output (MIMO)非线性系统在周期性采样。共识是一种重要的合作行为,这意味着所有代理达成协议在一定数量的兴趣。到目前为止,许多一直努力研究的共识问题受到周期性的抽样程序(23- - - - - -26]。例如,二级代理系统的异步共识问题受到采样系统的设置和时变拓扑(23]。在[24),可替换主体系统的平均共识问题已经研究了对数量化和采样系统设置被认为同时在沟通。延时输入方法的基础上,可替换主体的平均共识研究[24)可以实现与采样间隔小于最大允许的。
2.2。非均匀采样
周期采样方便实现实际应用通过设置一个常数a / D转换器的频率。然而,在存在有限的带宽,与时变采样周期可以执行比周期性采样策略27]。例如,在多传感器跟踪高度机动目标的任务,需要更快的抽样在机动模式比恒定速度模式。因此,它是自然与时变采样周期比系统更有利的一个周期采样在某些实际应用。另一方面,由于信道的时变性质负载,采样周期可能改变不可避免地受到各种原因。因此,摘要的分析和综合问题的框架下提出了非均匀采样系统,为了应对这种情况,采样周期的波动存在,不容忽视。
非均匀采样系统的稳定性和稳定问题近年来获得了快速增长的研究兴趣和一些结果已经在文献中报道;见,例如,(27- - - - - -30.)和引用。值得一提的是,有两种主要方法与时变采样周期采样系统的稳定性分析。第一个是模型下的系统非均匀抽样程序作为一个连续时间系统与延迟控制输入(31日,32]。应该提到的输入延迟的方法修正和改善32通过应用缩放小增益定理)。第二种方法是模型的闭环系统以非均匀采样为混合动力系统(33)通过抽样程序考虑的冲动行为。
的问题控制和过滤摘要也受到许多研究关注(34- - - - - -37]。例如,在[37),采样数据控制和滤波设计方法已经解决了有限采样率的线性系统。在[35),过滤问题已经研究了Ito随机量化输出测量和非均匀采样系统。通过应用一种新型的含时李雅普诺夫函数,那么保守的结果提出了lmi)。非线性系统的模糊跟踪控制问题一直在调查(34)非均匀抽样和随机执行机构故障。基因调控网络(入库单)生命过程中扮演着重要的角色,吸引大量的注意力从许多不同学科的研究人员。的过滤问题研究[36)针对一类随机入库单受外在和内在的干扰与非均匀采样设置。关于复杂网络的同步问题,一些结果也被派生的非均匀采样设置;参见[38- - - - - -41]。
在[3,4,42),可替换主体系统的共识问题一直关注在非均匀采样。例如,连续二阶代理系统的异步共识问题研究(3)与固定拓扑和时变延迟假设每个采样间隔是有界的。
2.3。随机抽样
在实际工程存在的,抽样过程并不总是以确定的方式实现。由于网络环境的影响,采样间隔可能会改变在一些随机的突然变化(例如,随机取样器失败)。这种现象的特征是随机抽样程序。随机抽样程序的进一步扩展现象的情况下非均匀抽样程序。在随机抽样,有几个常数采样间隔与已知每个采样间隔的发生的概率。通过应用转换的离散时间瞬间,概率抽样系统转化为具有随机参数的连续时滞系统。
在过去的十年中,随机抽样程序已经吸引了越来越多的关注对控制问题和过滤问题[43- - - - - -47]。例如,健壮有关控制问题一直是(43)线性系统的参数不确定性和随机抽样。伯努利分布变量被用来描述每个采样周期的发生。此外,通过使用延迟系统的方法,引入了一个新的随机变量描述时间延迟的可能性。同样的方法一直延伸到过滤问题47),输出跟踪控制问题46]。
分布式对传感器网络过滤问题一直在调查(48)与随机抽样。通过应用转换,过滤问题随机采样系统可以转化为一个随机非线性系统与多个时滞界。同样的方法已被用来研究动态网络的同步控制问题随机抽样(49]。神经网络与随机抽样的估计问题也一直在研究[50]。对马尔可夫跳跃系统,我们读者指(51),研究了指数同步的延迟马尔可夫过程的跳跃与未知的跃迁概率神经网络,时变延迟,随机抽样。基因调控网络的状态估计问题也研究[52)与随机抽样设置和时变延迟。
3所示。事件驱动的抽样程序
3.1。事件驱动的抽样
这是一个事实,即通信带宽和计算资源是有限的在实践中应用。因此,有必要提高通信信道的效率,避免了不必要的沟通。在这种情况下,事件驱动的抽样已广泛应用作为一个完全时间驱动取样项目替代方案。事件驱动的方案是一个特殊的采样机制,采样瞬间在一个动态的方式决定的。从一个完全时间驱动取样项目不同,采样瞬间来自“事件”,是由一个事件生成器。基于事件驱动的采样机制、信号采样只有当一个所谓的“事件驱动的条件”是满意。换句话说,是否“事件”发生取决于事件驱动的条件。事件驱动的条件可以分为两种类型:固定阈值条件(53- - - - - -55[]和相对阈值条件5,8,10,56]。
到目前为止,事件驱动控制和过滤的问题获得了大量的研究关注。有三个代表理论框架(例如,李雅普诺夫稳定性理论(7,8,10),混合动力系统理论(5,6[],input-to-state稳定(ISS)理论9,57])来分析控制和过滤问题事件驱动的抽样方案。例如,在[10),一个新奇的事件驱动的抽样方案提出了最小时间间隔触发采样瞬间的保证。此外,引入了一个延迟系统的方法来处理控制器的设计摘要在这样一个事件驱动的抽样方案。相同的事件驱动的抽样方案和方法已经扩展到延迟系统过滤存在的问题(7]。事件驱动的抽样方案和合作设计的方法控制研究[8]摘要的事件驱动的同时条件和控制器的设计。它可以发现系统的动态根据事件驱动的抽样计划将产生“事件”发生时的冲动行为。因此,事件驱动下的动态过程存在的抽样方案可以分析基于脉冲系统的结构;参见[5]。在[6),分析基于脉冲系统提高了脉冲系统转换到分段线性(PWL)模型和保守的结果。在[9),解决系统已被新配方为连续系统的有界输入是由事件驱动的抽样方案。然后,性能分析和综合问题可以做基于国际空间站的理论。
最近,分析和神经网络的综合问题,传感器网络和多重代理系统由于优势吸引了越来越多的关注,事件驱动的抽样方案可以减少通信信道的通信负载。在[58),事件驱动状态估计问题的一类延迟复发性神经网络研究了使用延时输入方法。分布式状态估计问题过滤问题已经解决了,分别在59,60]。关于多重代理系统的控制问题,我们提到的一些代表作如下。线性可替换主体系统的共识问题一直在调查(61年)通过一个observer-based控制器与事件驱动的抽样方案。事件驱动的集中控制和分布式事件驱动控制开发了基于输出反馈控制框架。在[62年),多重代理系统的分布式控制设计了基于事件驱动的抽样方案实现对接。在拟议的框架,一个新的抽样方案提出了基于事件驱动的收敛性分析。
3.2。是一种自发性的抽样
事件驱动的抽样方案实现频繁的过程输出的检测信号。这个过程需要特殊的硬件可以实现专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)处理器。因此,抽样方案命名是一种自发性的抽样方案基于软件的方法,而不是特殊硬件提出了。是一种自发性的概念引入了(63年]。是一种自发性的抽样方案,由一个函数计算采样时刻的数据之前触发即时和植物的动态过程。
是一种自发性的抽样方案开发是希望减少网络通信负载和事件驱动的抽样方案。这两个抽样方案的主要区别是,在一个事件驱动的抽样方案,采样实现基于事件的“事件”,但在是一种自发性的抽样方案,实现采样预测的基础上通过数据“事件”的发生在当前的触发时间和系统模型。一些现有的结果报告(63年- - - - - -68年]。例如,在[64年),植物的虚拟事件驱动下的行为抽样方案首先分析了应用国际空间站的理论。然后,依赖的是一种自发性的抽样方案的同质系统开发基于虚拟事件驱动的抽样方案和齐次系统的动态分析。在[68年),是一种自发性的抽样方案提出了保证finite-gain稳定性的基础上,假设过程噪声的大小是有界的线性函数的规范系统的状态。这个结果已经延长(67年通过放松假设的过程噪声(68年]。一类随机系统的镇定问题所描述的伊藤微分方程已经被认为是在69年]是一种自发性的抽样方案。通过应用李雅普诺夫方法,是一种自发性的抽样方案设计。在[70年),摄动非线性控制问题受到外部干扰有界和小延时处理下的是一种自发性的抽样方案。为非线性系统的控制问题norm-bounded参数不确定性,障碍,和传感/计算/驱动延迟,我们读者指(71年),是一种自发性的抽样方案设计。
4所示。通信协议
在传统的控制系统中,不同组件之间的数据交换(如控制器、传感器和执行器)实现点对点通信。在点对点通信中,组件是连接相对沟通渠道。在这种情况下,所有组件的通信控制系统可以同时实现。与传统的控制系统相比,实现的通信中存在一个共享的网络,从而导致通信约束的沟通渠道。在nc,只有一个节点可以访问网络和被允许每传输传输数据。因此,介绍了各种通信协议提供不同的通信节点之间的调度方法。
4.1。循环和Try-Once-Discard协议
摘要提出的协议可以分为两类:静态和动态协议。一个著名的静态协议是循环协议(72年]。循环协议是一种周期性的协议中,节点的传输顺序由预定的顺序是固定的。在这种情况下,给出了节点对网络的访问定期和所有节点需要传输数据通过网络可以获得机会传输数据包根据循环序列。与静态协议相比,在动态协议,节点传输数据的机会是由系统的状态决定的。动态协议之一是try-once-discard协议(73年]。try-once-discard协议,传输数据的机会仅仅是分配给节点加权差异最大的节点的当前和最近的传播价值的信号74年]。
4.2。在通信协议分析和控制
为目的,分析存在的稳定性受到一定的协议,混合动力系统理论已经被证明是一个有效的理论可以用于处理存在的静态协议和动态协议(75年- - - - - -79年]。例如,在[77年),一个新的存在的模型开发了包括不同传输间隔,不同延迟,和通信约束引起的协议。基于李雅普诺夫稳定性理论,边界的最大允许传输间隔(马蒂斯著名)和最大允许延迟(疯狂)已经开发,以确保稳定的存在。非线性网络化控制系统的稳定性研究(80年)在一个特定的通信协议。指数稳定性可以保证如果马蒂斯著名满足某些条件。在[76年),摘要的稳定性受通信约束(由于某些协议),时变传输间隔和时变延迟已经被使用了线性不确定系统研究方法。应该提到的框架存在的各种静态和动态的观察者设计协议提出了在78年通过emulation-like)的方法。考虑到各种网络诱导现象将大大降低系统性能,一个统一的建模框架开发(81年]量子化效应,包辍学,时变传输间隔,时变传输延迟、通信协议。国际空间站和分析了nc的增益属性考虑基于提出的模型框架。
应该指出,大多数报道的结果存在的静态或动态协议主要基于脉冲系统的结构。这种框架可能难以处理系统与非均匀采样和不确定的传输延迟。因此,一个新的框架研究(82年)的稳定性问题研究存在的周期采样,传输延迟和循环协议。该框架提出了(82年)是将闭环系统的循环协议与多时变时滞切换系统。这种方法一直在扩展(83年通过考虑time-vary传输延迟和非均匀采样)。此外,获得分析也被研究[83年基于一个长期有效的Lyapunov-Krasovskii功能)。摘要的稳定性分析提出了包辍学(84年]。循环协议和数据包辍学被认为是两个渠道(例如,sensor-to-controller通道和controller-to-actuator通道)。基于提升技术,充分必要条件的均方指数稳定性。在[85年),作者提出了一个observer-based输出反馈控制循环协议,时变传输间隔和时变延迟。应该提到的观察者结构(85年)是一个切换而不是固定的。
4.3。通信协议下的合作设计问题
在另一个研究前沿,协议和控制器的合作设计问题也得到了特别的关注。在[74年),try-once-discard协议和离散时间控制器设计同时矩阵不等式。在[86年),控制器被设计为一个类以及try-once-discard协议存在的随机时间延迟。基于李雅普诺夫函数方法和切换系统理论,充分条件在[派生86年)保证闭环系统的渐近稳定性与try-once-discard协议提出。协议和观察者的合作设计问题研究(87年针对一类线性定常系统。存在的充分条件是派生的拟议中的协议和观察者通过矩阵不等式。在[79年),合作设计问题的存在与通信协议和定期抽样方案研究了通过应用一种新的补偿方案和离散时间切换系统的方法。
5。结论和未来的工作
在本文中,我们回顾了一些发展存在的问题的分析和综合问题的不同的通信流程。根据不同的取样程序,通信过程分为两类:一个完全时间驱动通信和事件驱动的通信项目。在此基础上,各种稳定性分析、控制、过滤和协议设计问题已经详细调查。基于文献回顾,对未来的一些相关主题的研究工作如下。(1)分布式控制和过滤的问题通过一定的抽样方法和通信协议的工程意义。这将是一个有趣的研究课题分析传感器网络的动力学行为,神经网络,可替换主体系统受到不同类型的通信流程。(2)这将是有意义的研究问题的控制和过滤时变系统受到一定的通信协议在一个有限的时间范围。(3)分析和综合问题给定的通信协议,考虑系统是连续系统在大多数现有的结果。因此,探讨非线性离散时间系统的分析和综合问题给定的通信协议。(4)由于传输间隔由通信协议(固定)总是远小于采样间隔在实践应用中,有必要考虑动力行为与“慢”抽样方案和“快速”的通信协议。(5)一个实际的工程应用现有的理论和方法将批处理反应堆控制系统。(6)现有的结果时间——和事件驱动的通信过程网络化控制系统可以扩展到更一般的系统等复杂系统和多重代理系统network-induced问题[88年- - - - - -97年通过使用更多的最新的算法[]98年- - - - - -102年]。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金资助下61329301,61374127,和61374010,英国皇家学会,德国的亚历山大•冯•洪堡基金会。