摘要：介紹了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的概念，對(duì)其產(chǎn)生、發(fā)展做了簡(jiǎn)要綜述，詳細(xì)論述了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及其主要問(wèn)題。本文將在物聯(lián)網(wǎng)大背景下，對(duì)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化提供參考。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；信號(hào)延遲；數(shù)據(jù)丟失

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 (2012) 09-0000-02

21世紀(jì)是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展正在深刻改變著人們的生活和工作方式，對(duì)企業(yè)信息化和自動(dòng)化的發(fā)展也產(chǎn)生了巨大影響。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合，為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（Networked Control Systems， 簡(jiǎn)稱(chēng)NCS）的產(chǎn)生提供了技術(shù)保障。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、形成控制閉環(huán)的系統(tǒng)，它具有不同于傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的巨大發(fā)展在控制系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)，也是人類(lèi)走向信息化社會(huì)的一個(gè)標(biāo)志。

一、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)概述

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)通常的定義是通過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，具體而言是指在某個(gè)區(qū)域內(nèi)一些現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、控制及操作設(shè)備和通信線路的集合，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使該區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的用戶實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的概念起始于上世紀(jì)80年代，以Ray等的論文為代表。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展使得實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)得到越來(lái)越多的重視，獲得了巨大發(fā)展。2003年在美國(guó)舉辦的控制學(xué)科的新世紀(jì)發(fā)展方向研討中明確指出，網(wǎng)絡(luò)化是控制系統(tǒng)21世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

相比于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)各部件之間通過(guò)一個(gè)公共的通信網(wǎng)絡(luò)連接，相關(guān)的數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，避免了彼此間鋪設(shè)專(zhuān)線，并且可以實(shí)現(xiàn)資源共享、遠(yuǎn)程操作和控制，降低了系統(tǒng)的成本、重量和電力消耗，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。這些突出的優(yōu)點(diǎn)使網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的概念一經(jīng)提出便得到了飛速的發(fā)展，并已在復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的先進(jìn)控制、現(xiàn)代交通工具內(nèi)基于通訊網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜控制系統(tǒng)（無(wú)人機(jī)、水下車(chē)）、運(yùn)載工具群的協(xié)調(diào)控制（高速公路車(chē)輛調(diào)度、機(jī)場(chǎng)飛機(jī)調(diào)度）、智能家居等領(lǐng)域顯露出廣泛的應(yīng)用前景。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

二、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基本問(wèn)題

通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)會(huì)使系統(tǒng)的分析和綜合變得很復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性由通信網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)決定，主要表現(xiàn)在：

（一）網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)滯問(wèn)題

將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布化和網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)也加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)控制和上層管理的聯(lián)系。但與此同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)的加入使得信息在傳輸過(guò)程中不可避免地存在著延遲。例如，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下，數(shù)據(jù)包擁塞等待、網(wǎng)絡(luò)空閑檢測(cè)、長(zhǎng)距離傳輸?shù)取?/p>

時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究的主要問(wèn)題之一，數(shù)據(jù)在傳輸線路上必然存在著傳輸時(shí)延，數(shù)據(jù)在接受處理是必然存在著處理時(shí)延，傳輸時(shí)延和處理時(shí)延共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延受到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、路由算法、負(fù)載情況、傳輸速率等諸多因素的影響，呈現(xiàn)出固定或隨機(jī)，有界或無(wú)界的特征。

（二）數(shù)據(jù)包丟失

數(shù)據(jù)包丟失是網(wǎng)絡(luò)的引入所帶來(lái)的又一問(wèn)題。由于通信信道的不確定性，數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)錯(cuò)誤甚至丟失，這樣，接收節(jié)點(diǎn)（控制器或執(zhí)行器）就會(huì)丟棄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或使用之前接收到的數(shù)據(jù)。如果某一時(shí)刻采樣獲得的數(shù)據(jù)包在其后采樣的數(shù)據(jù)之后到達(dá)接收器，這種數(shù)據(jù)包也會(huì)被丟棄。另外，數(shù)據(jù)傳輸中大于某個(gè)特定長(zhǎng)度的時(shí)滯也可以被視為數(shù)據(jù)丟失進(jìn)行處理。

從系統(tǒng)信息的傳輸來(lái)看，數(shù)據(jù)包丟失的發(fā)生相當(dāng)于信息傳輸通道暫時(shí)被斷開(kāi)，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā)生較大的變化。

（三）多包傳輸問(wèn)題

以數(shù)據(jù)包形式傳輸?shù)男畔⑹蔷W(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。多包傳輸是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的另一個(gè)重要問(wèn)題。多包傳輸?shù)囊粋€(gè)主要原因是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，數(shù)據(jù)包容量有限以至于無(wú)法包含一個(gè)時(shí)刻的全部采樣數(shù)據(jù)，這必須通過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行先后傳輸。多包傳輸?shù)牧硪粋€(gè)原因是網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的傳感器和控制器一般會(huì)分布在一個(gè)較大的物理空間中，這樣，就不可能把同一時(shí)間的所有數(shù)據(jù)利用同一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。

（四）通信約束問(wèn)題

信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸必然經(jīng)過(guò)量化過(guò)程，傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是把量化帶來(lái)的影響建模成外部白噪聲擾動(dòng)（均勻分布），在忽略量化現(xiàn)象的條件下設(shè)計(jì)控制器，如果設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器無(wú)法滿足要求，調(diào)節(jié)諸如采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，通信信道為數(shù)字信道，信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸必然會(huì)受到比特率限制，傳輸之前要量化到一個(gè)有限集合中。為了盡量降低網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中的量化精度可能較低，以至于量化誤差用白噪聲近似不再合適，如何嚴(yán)格地分析量化現(xiàn)象造成的影響，如何在特定量化規(guī)則下對(duì)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)是亟待解決的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的量化問(wèn)題正在得到越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注。

此外，采樣速率約束、通信速率約束、編碼位數(shù)約束等問(wèn)題也是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中所必須考慮的通信約束問(wèn)題。

三、結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)做為一種新興的控制系統(tǒng)形式，得到了越來(lái)越多的研究和重視，在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的大背景下，如何用好網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的概念，在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)滯、數(shù)據(jù)丟失、多包傳輸、通信約束下，研究網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制方法，構(gòu)造、實(shí)現(xiàn)更多的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)，是值得思考和研究的問(wèn)題。

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