【 摘 要 】 在20世紀(jì)90年代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)問世了，它綜合了計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制系統(tǒng)理論，是一個新生的控制發(fā)展理論課題，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，基于時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析就顯得至關(guān)重要。本文簡單介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的定義和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題，研究了基于實驗補償和預(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，針對不同控制系統(tǒng)的時延進行了分析。

【 關(guān)鍵詞 】 時延；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；穩(wěn)定性

1 引言

近年來，越來越多的學(xué)者將研究目光放在了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)身上，創(chuàng)造了許多優(yōu)秀的成果。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常理解為是對網(wǎng)絡(luò)的控制，或者是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘柨刂葡到y(tǒng)。這兩種理解方式都有控制和網(wǎng)絡(luò)，但二者的主次觀點不一致。對網(wǎng)絡(luò)的控制是指對網(wǎng)絡(luò)本身的控制，可以通過運籌學(xué)和控制理論來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)路由、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量等的調(diào)控。網(wǎng)絡(luò)本身可以進行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸和交叉操作，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)憑借節(jié)約成本，便于維護、布線簡單化等優(yōu)勢被大量應(yīng)用于工業(yè)自動化、遠(yuǎn)程教學(xué)和培訓(xùn)、智能汽車、航空航天等領(lǐng)域。在上述的應(yīng)用過程中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)會出現(xiàn)時延、數(shù)據(jù)包丟失等問題，而時延對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的影響是最大的，所以基于實驗的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析影響深遠(yuǎn)。

2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的問題

網(wǎng)絡(luò)控制與傳統(tǒng)的點對點直接控制系統(tǒng)相對照，它們的區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的各個節(jié)點是通過有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換和信息控制，最后在網(wǎng)絡(luò)作用下向執(zhí)行器各節(jié)點發(fā)送控制信息。網(wǎng)絡(luò)的引入，自然會帶來一些問題，包括網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包排序混亂、時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。

2.1 網(wǎng)絡(luò)時延

它是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。時延通常是周期性的、定性的。然而采用隨機訪問機制的以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)時延有很大的不確定性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點往往需要競爭網(wǎng)絡(luò)資源，而競爭一旦失敗就要在一定的隨機等待滯后才可重新競爭，這樣的隨機等待也就構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時延，即使是采用減緩記得存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制和訪問端口沖突、交換式以太網(wǎng)也不能避免網(wǎng)絡(luò)時延的產(chǎn)生。我們可以通過對網(wǎng)絡(luò)時延的產(chǎn)生原進行研究，進而總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)時延對控制系統(tǒng)性能的影響。

2.2 數(shù)據(jù)包丟失

主要會在三種情況下發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失：（1）在網(wǎng)絡(luò)信號傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)堵塞和連接中斷會造成數(shù)據(jù)包丟失；（2）節(jié)點在規(guī)定的時間沒能成功發(fā)送數(shù)據(jù)，因為節(jié)點間競爭數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)也是需要時間的；（3）數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能被錯誤傳輸，而相對應(yīng)的節(jié)點在規(guī)定的時間內(nèi)也未能成功重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)包排序混亂

一般發(fā)生在具有路由、網(wǎng)關(guān)等中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的較長的時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。路由器在傳輸數(shù)據(jù)過程中節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包會經(jīng)過不同的路徑達到目標(biāo)節(jié)點，再加上中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)等待時間的不同都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包排序混亂。

2.4 時鐘同步

時鐘同步通常分為硬件同步和軟件同步。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)中有驅(qū)動時，便會發(fā)生時鐘同步問題。

2.5 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度

文中所指的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度常是發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)用戶層，是通過控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的順序和發(fā)送時間來避免網(wǎng)絡(luò)堵塞和中斷現(xiàn)象的發(fā)生。它關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的速度和被傳出數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)。

3 基于時延的不同控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析

因為網(wǎng)絡(luò)的存在，時系統(tǒng)信息存在時延，導(dǎo)致出現(xiàn)采樣空置和采樣過多。為解決此類問題，人們常常在發(fā)生采樣空置之前利用他的前一個時段的控制信息，發(fā)生采樣過多時一般使使用最新數(shù)據(jù)將就得信息丟掉。但是長此以往，多會發(fā)生數(shù)據(jù)包的丟失，也就是說在上述采樣空置和采樣過多時數(shù)據(jù)包只是滯后了一段時間出現(xiàn)。由于時延隨機波動性比較大，造成了較高的數(shù)據(jù)丟包率，而為還存在傳輸數(shù)據(jù)的秩序混亂問題。為此研究人員做了大量的工作，找到了很多解決問題的辦法，例如Smith預(yù)估補償控制、監(jiān)督控制等。

3.1 基于廣義預(yù)測控制算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

3.1.1基于廣義預(yù)測控制算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

假如在一定的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖中，輸出信息和控制信息在閉環(huán)控制系統(tǒng)中按照一定的傳遞時序進行，若在一定的時間沒有任何控制量到達控制器則就會發(fā)生采樣空置，這樣控制器在一個采樣周期內(nèi)沒法算出新的控制量；而在一定的情況下，控制量可能會晚些到達控制器，從而發(fā)生了時序混亂，所以控制器怎樣選取輸入值來計算控制量是一個值得研究的問題，如果不研究出相應(yīng)的解決措施，網(wǎng)絡(luò)時延的隨機性將會對控制系統(tǒng)的性能在成嚴(yán)重?fù)p壞。

3.1.2基于廣義預(yù)測控制算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)時延使原本能及時到達控制器的對象信息和控制量滯后一定時間到達執(zhí)行器或者發(fā)生數(shù)據(jù)包的丟失。因為時延，系統(tǒng)的前向通道和反饋通道不能正常進行。前向通道的時延是指在一定的時間內(nèi)沒有任何控制信息到達控制器，反饋通道是指在一定時間內(nèi)沒有負(fù)面反饋，易使系統(tǒng)發(fā)散。廣義預(yù)測控制算法在計算過程中能對未來多個采樣時刻系統(tǒng)輸出進行預(yù)測，借助這種預(yù)估控制量來降低網(wǎng)絡(luò)時延對控制量到達時間的影響。廣義預(yù)測控制在被控對象的發(fā)送端設(shè)立了一個緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)中按照一定時間間隔進行自動更新排列，在控制器節(jié)點借助GPC來完成控質(zhì)量的計算，在執(zhí)行器節(jié)點單獨設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)時延補償器來應(yīng)對控制量隨機到達引起的系統(tǒng)性能下降問題，這樣的設(shè)計做到了完全處理隨機時延問題。

3.2 基于動態(tài)矩陣控制算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究往往忽略時延的影響設(shè)計控制器，采用狀態(tài)估計對時延進行補償，這樣的控制器在設(shè)計是具有相當(dāng)大的保守性，而模型控制預(yù)測是美國和法國的幾家公司在20世紀(jì)70年代左右提出的一種新型控制算法，在石油和航空等領(lǐng)域發(fā)展迅速。本設(shè)計是在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中使用動態(tài)矩陣進行控制，對時延進行建模和時序分析，再應(yīng)用動態(tài)矩陣對模型進行分析。endprint

（1）動態(tài)矩陣控制算法

通過工業(yè)過程得到的對象階躍影響，將他們在采樣時候的數(shù)值當(dāng)做描述對象動態(tài)特征的信息，建成了預(yù)測模型。因為階躍模型的影響，動態(tài)矩陣控制算法只針對逐漸穩(wěn)定的對象。該模型通常由三部分組成：1）預(yù)測模型——依照歷史信息和未來輸入，來預(yù)測未來一個有限時間段的輸出值，它是對系統(tǒng)動態(tài)特征的提前描述；

2）滾動優(yōu)化——模型預(yù)測控制是通過某一個性能指標(biāo)的最優(yōu)來推斷出將來的控制作用，該性能指標(biāo)牽涉到系統(tǒng)未來的行為，隨著時間的發(fā)展而在線優(yōu)化，它是一種優(yōu)化控制算法；3）反饋校正。指在預(yù)測控制過程中每一步驟都要檢測真實輸出和預(yù)測值的偏差，進而校正模型預(yù)測的不準(zhǔn)確性，最后進行優(yōu)化。

（2） 基于動態(tài)矩陣控制算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)矩陣控制算法通常取控制序列中的首個數(shù)據(jù)作為當(dāng)前控制周期的控制增量，然而控制器每次只能發(fā)送首個控制量，并且該控制量都比較小，一旦時延推遲了控制量的更新，就會導(dǎo)致該小增量控制信號的實際作用時間被加長，進而造成控制系統(tǒng)響應(yīng)過程緩慢。通過建立考慮時延在內(nèi)的控制系統(tǒng)的模型并從控制時序方面進行分析，采用系統(tǒng)時延空間模型來確定預(yù)測輸出量，有效解決了從傳感器到控制器的時延。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在給人類帶來諸多進步的同時，也給控制領(lǐng)域的發(fā)展帶來很多新的挑戰(zhàn)，本文在對基于時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行簡單介紹后，又針對不同系統(tǒng)的時延進行分析。時延是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的一個主要問題，研究人員們應(yīng)該加大在這方面的研究力度，讓網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)更好地造福人類。

參考文獻

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作者簡介：

馬洪濤（1978-），男，碩士研究生，講師；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：控制理論與控制工程。endprint