2.1　概述

網絡化控制系統（Networked Control Systems，NCSs）是通過共享網絡在傳感器與控制器之間、控制器與被控對象之間傳輸數據，實現空間分布設備的連接，完成控制目標。與傳統的點對點控制模式相比，網絡化控制系統具有資源共享、遠程控制、低成本以及易于安裝、診斷、維護和擴展等優點，增加了系統的靈活性和可靠性。然而，由于共享網絡的承載能力和通信帶寬有限，數據在傳輸過程中不可避免地會產生誘導時滯、時序錯亂、數據包丟失以及量化失真等問題。這些問題將導致系統性能下降，甚至引起系統不穩定，從而使得網絡化控制系統的分析與設計變得復雜多樣。這就給系統的分析和研究提出了新的挑戰，需要建立與網絡化控制系統相適應的控制理論與控制方法。

由于實際控制系統的狀態往往不可測，網絡化控制系統亦如此。同時，共享網絡的特點決定了網絡化控制系統的估計問題比一般控制系統更為復雜。近年來，具有數據包丟失的狀態估計問題已成為研究熱點之一，并已取得了顯著的研究成果^[1～12]。Sinopoli等人假定測量數據包丟失過程滿足獨立同一分布，證明了存在一個測量數據到達概率的臨界值，使得時變Kalman濾波估計誤差協方差有界的情況^[1]。隨后作者將單通道數據包丟失的狀態估計問題推廣到雙通道數據包丟失的閉環控制問題^[2]。文獻[3]基于多數據包丟失的線性隨機模型，給出了最優線性估計器的設計方法（包括濾波器、預估器和平滑器）。文獻[4]假定數據包丟失過程滿足兩狀態Marovian鏈，提出了誤差協方差峰值的概念，并給出了與跳變率相關的系統穩定性條件。遵循文獻[1]的思想，文獻[5]針對反饋通道和前向通道同時存在數據包丟失的情況，設計了最優H₂濾波器。文獻[6]以誤差協方差矩陣小于等于某個設定矩陣的概率為估計性能指標，給出了一種Kalman濾波器的設計方法。文獻[7]基于正交原理，設計了一種線性最小方差濾波器，但沒有考慮數據包到達的實際狀態。

綜上所述，研究成果不斷涌現，但是研究工作仍具有一定的局限性和擴展空間。例如，多數研究工作都是基于一個理想的假設條件，即系統噪聲和過程噪聲均是滿足高斯概率分布的白噪聲，得出類似Kalman濾波形式的最優線性估計器。然而，這個假設條件很難成立，因為在實際的工業過程中，噪聲并不是簡單地滿足高斯分布特性的白噪聲，而是一些能量有限的信源。再者，在實際的系統中，各種約束普遍存在，如化學組分濃度和液體的泄漏量總是大于零以及干擾在某個給定范圍內波動等，而H-infinity濾波、Kalman濾波等方法卻無法處理這些約束。若忽略掉實際系統中這些現實存在的有用信息，必然降低估計精度及估計性能。同時，當系統發生數據包丟失時，現有的估計方法常采用保持原有輸入策略^[7～9]或者輸入直接置零策略^[10～12]，這樣也會降低估計精度。

為此，在本章中將介紹一種基于滾動時域優化策略的網絡化狀態估計方法，充分利用滾動窗口內系統信息以及以不等式約束形式出現的關于噪聲、狀態和輸入輸出的額外信息來克服數據包丟失對估計性能的影響。本章內容安排如下：第二節描述反饋通道具有隨機丟包的網絡化控制系統的滾動時域狀態估計方法；第三節描述反饋通道和前向通道同時具有隨機丟包的網絡化控制系統的滾動時域狀態估計方法，并通過分析滾動時域估計器的估計性能，給出保證估計性能收斂的充分條件；第四節對本章內容作一個小結。