[论文解读] An analytical framework for analysis and design of networked control systems with random delays and packet losses

Mishiga Vallabhan, Seshadhri Seshadhri+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2015

Stability and Control of Uncertain Systems参考文献 13被引用 11

一句话总结

本文提出了一套统一的分析框架，用于在随机时延和数据包丢失条件下对网络化控制系统（NCS）进行建模与设计，利用随机过程和马尔可夫链捕捉不确定性。主要贡献在于提出了一种系统化方法，可在现实通信约束下实现稳定性分析与控制器设计，通过全面调研现有NCS研究并提出广义问题形式化，加以验证。

ABSTRACT

Delays and data losses are undesirable from a control system perspective as they tend to adversely affect performance Networked Control Systems (NCSs) are a class of control systems wherein control components exchange information using a shared communication channel. Delays and packet losses in the communication channels are usually random, thereby making the analysis and design of control loops more complex. The usual assumptions in classical control theory, such as delay free sensing and synchronous actuation, assume lesser significance when it comes to NCSs. Hence, this necessitates a reformulation/relook into the existing models used for NCS control loop analysis and design. In this paper, we study and present the reformulations required for NCSs to include random delays and packet loss in the channel. This paper thereby gives a complete overview of what has been accomplished thus far in NCS research and puts forth a unified framework for analyzing a host of problems that can be captured as NCSs subjected to random delays and packet losses.

研究动机与目标

• 解决经典控制理论在处理网络化控制系统（NCS）中随机时延和数据包丢失方面的局限性。
• 重新构建控制回路模型，以纳入具有可变时延和数据丢失的随机通信信道行为。
• 提供一个全面且统一的框架，将多种NCS问题整合到单一分析模型中。
• 实现在不确定网络条件下对NCS控制器的系统化分析与设计。
• 调研并整合以往研究，为未来在真实网络约束下的NCS发展奠定基础。

提出的方法

• 将通信信道建模为具有随机时延和数据包丢失概率的随机过程。
• 使用马尔可夫链表示控制回路动态，以捕捉在数据交付不确定情况下的状态转移。
• 将系统表述为由于数据包丢失和可变时延导致的随机切换线性系统。
• 应用随机稳定性理论和基于李雅普诺夫的方法，分析在不确定性下的系统行为。
• 通过概率状态空间表示，将现有NCS模型整合到广义框架中。
• 采用统一的数学表述，实现在多种NCS配置下控制器综合与性能评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重新表述NCS模型，以考虑通信信道中的随机时延和数据包丢失？
• RQ2 在随机网络引入的不确定性下，确保NCS稳定所需的分析工具是什么？
• RQ3 如何构建一个统一框架，以涵盖具有不同延迟和丢包特征的广泛NCS问题？
• RQ4 当应用于具有不可靠通信的真实世界NCS时，经典控制理论的关键局限性是什么？
• RQ5 如何系统性地对现有NCS研究进行分类并整合到单一分析模型中？

主要发现

• 所提出的框架成功利用马尔可夫调制过程捕捉了时延和数据包丢失的随机特性。
• 统一模型通过基于李雅普诺夫的技术实现了稳定性分析，适用于因网络不确定性导致的随机切换。
• 该框架广义化了现有NCS模型，使得在不同网络条件下实现系统化控制器设计成为可能。
• 本文表明，传统控制假设（例如无时延传感）在真实世界NCS中已不足，必须进行重新表述。
• 该分析方法通过整合以往工作并识别当前建模实践中的空白，为未来研究奠定了基础。
• 该框架支持分析与设计，为在真实通信约束下的NCS提供了可扩展的解决方案。