1.3　网络化控制系统的性能极限研究概述与分析

近年来，随着网络技术的飞速发展，网络被广泛应用于工业、医疗、军事、安防、交通、物流等领域。网络化控制系统实质上是通过将网络引入传统控制系统中而构成的闭环控制系统。信号通过网络进行传输和交换，并构成反馈-前馈通道，从而摆脱了以往传统控制系统对于点对点连接的束缚，进而控制系统在空间位置上的限制被打破，控制系统活动的场所也被大大拓宽，并减少了系统连接的复杂性、维护费用和运行成本。远程医疗、核反应控制、机器人作业等都是属于网络化控制系统实际应用的范畴。

然而，网络的介入使得控制系统的性能分析变得更加困难，反馈控制系统的跟踪性能极限在一定程度上受到网络通信参量的恶化[43-48]。具体的模型框架图如图1.3所示。

图1.3　网络化控制系统结构

网络化系统会引入新的参数制约，包括网络丢包、传输时延、数据传输率有限、量化误差、通道带宽受限、网络噪声等各种通信诱导参量和通信基本参量，这些都会在一定程度上恶化系统的性能极限，甚至有可能使系统不稳定[49-57]。因此，对于网络化控制系统的性能研究变得极为重要，特别是可以揭示出反馈控制系统的性能值与网络的基本通信参量之间定量关系的研究。这类网络化控制系统的基本问题引起了大量相关领域学者的关注，国内外越来越多的学者投入到网络化控制系统的性能等相关问题的研究行列。

而跟踪性能作为系统性能中的核心问题，对其进行研究变得异常有意义，特别是对于能揭示出反馈控制系统的跟踪性能值与网络基本通信参量的定量关系的精确表达式很有研究必要，这一问题也吸引了大批控制领域学者的注意，并得到了很多的探索和前期研究，揭示了某些网络通信诱导参量如何影响网络化系统的跟踪性能，取得了一系列比较有意义的研究成果。

国内学者中，华南理工大学的祁恬、苏为洲[62]等人研究了乘性量化噪声对单通道网络化控制系统跟踪性能极限，研究结果表明，量化误差会严重影响网络化控制系统的跟踪性能。华中科技大学的关治洪[58,59]等人研究了脉冲扰动、高斯噪声和能量约束等因素对网络化控制系统跟踪性能极限的影响。武汉大学的丁李、香港城市大学陈杰[60]等人进一步研究了基于高斯白噪声约束情况下的系统跟踪性能问题，得到了高斯白噪声与系统性能之间的定量关系。华中科技大学关治洪、湖南科技大学陈超洋、香港城市大学冯刚等人研究了网络噪声和网络带宽共同影响下的网络化控制系统性能极限，并进一步获得了信噪比约束基本下界[70]。湖北师范大学的詹习生[61]等人研究了信噪比约束下的网络化控制系统的性能，给出了信噪比与系统性能之间的关系式。三峡大学王宝贤等人研究了信道能量约束下的网络化控制系统的性能极限[71]。华中科技大学池明研究了系统带不确定性的性能极限问题[72]。中国地质大学姜晓伟研究了带丢包和控制能量约束的单输入多输出网络系统性能[73]。近年来，网络化控制系统性能极限取得了一系列重要的研究成果。

国外学者关于网络化控制系统性能的研究也取得了一些相关的成果，其中，Rojas[21]研究了系统含有网络时延、带宽影响下的信噪比问题，被控对象考虑是非最小相位的，并得到了网络化控制系统稳定情况下，信噪比应满足的下确界。Silva[57]针对单通道信噪比限制网络，研究了网络化控制系统的最优性能问题。Hara[63]研究了单输入多输出系统的调节性能极限。Goodwin[64]对带高斯噪声的网络化控制系统模型进行了分析和研究。Li[53]在传输信号的过程中引入编码解码器，针对编码解码器传输网络通道，研究了其网络化控制系统性能极限问题。

对于网络影响下的控制系统，其跟踪性能极限与传统的控制系统相比蕴含了更多的相关参量，这些参量主要与网络的一些基本特性有关。图1.4给出了网络化控制系统跟踪问题的简化模型框架图。

图1.4　单参数网络化控制系统结构图

为了有针对性地研究网络化控制系统中网络的某些基本约束对系统性能的影响，在下面的分析研究中，我们用网络的某些基本特征来表示网络，同样的处理常见于网络化控制系统的研究中，如文献[64-73]。

类似于前面给出的性能指标形式，网络化控制系统的跟踪性能极限可以由下式给出

J*=f(pi,zi,ωi,ηi,r,τ,Ω),

其中，pi,zi,ωi,ηi,r,τ分别表示被控对象的内部结构特征，即不稳定极点、非最小相位零点，及其与参数信号之间的夹角、系统输入信号特征和系统内部时延，这里Ω描述的是网络参量对反馈系统性能的影响。从上面的跟踪性能指标函数很容易发现，系统跟踪性能极限与系统内部特征、参考信号和网络通信参量有着本质联系。

目前，大多研究结果表明，对于网络环境下基于网络特征参量影响的反馈控制系统性能极限的研究还比较少，综合考虑的通信特征参量约束也不够全面，值得进一步深入研究。