孫嘉航

摘 要：文章指出，當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)控制這一課題已經(jīng)逐漸成為學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題，為使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時(shí)鐘不同步問(wèn)題得到解決，可以采取基于預(yù)測(cè)控制的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償策略對(duì)系統(tǒng)時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償。而通過(guò)仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，該策略的實(shí)施能夠使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延得到精確補(bǔ)償，并且能夠使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能得到有效改善，因此可以在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)控制；網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；補(bǔ)償策略

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)信息交換的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)各節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行共享。而在這一過(guò)程中，系統(tǒng)將不可避免的出現(xiàn)時(shí)延問(wèn)題，以至于將導(dǎo)致系統(tǒng)性能受到影響。因此，有必要對(duì)基于預(yù)測(cè)控制的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償策略展開研究，從而更好地提高網(wǎng)絡(luò)的使用性能。

1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與預(yù)測(cè)控制分析

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，控制器、被控對(duì)象和驅(qū)動(dòng)器將利用公共的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)連接，所以信息資源能夠在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有效共享。但是，受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中比較容易出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)和網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)延遲。這種現(xiàn)象被稱為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不良的影響。而預(yù)測(cè)控制是一種計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制算法，可以通過(guò)將實(shí)際反饋信息反復(fù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)在線的滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，所以不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就能夠取得良好的綜合控制效果。使用該種控制算法，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的不確定性影響進(jìn)行估計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校正，在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償方面具有較好的魯棒性。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、控制器、傳感器和執(zhí)行器所構(gòu)成的，是以控制網(wǎng)絡(luò)為核心樞紐，對(duì)控制器和系統(tǒng)等組成部分進(jìn)行連接和網(wǎng)絡(luò)傳輸，具體如圖1所示，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的基本問(wèn)題，主要包含以下幾個(gè)方面。

第一部分：?jiǎn)伟鼈鬏敽投喟鼈鬏?。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)同其他傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別就在于，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行信息的傳輸，其中，網(wǎng)絡(luò)傳輸中的數(shù)據(jù)包傳輸，又被劃分為單包傳輸和多包傳輸。

第二部分：網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延。因在反饋回路中引入了控制網(wǎng)絡(luò)，所以使信息在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延，將這一現(xiàn)象稱之為網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，這一問(wèn)題也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中需要解決的主要問(wèn)題之一。

第三部分：數(shù)據(jù)包丟失。數(shù)據(jù)包丟失的產(chǎn)生原因是多方面的，例如網(wǎng)絡(luò)阻塞現(xiàn)象、連接中斷，以及節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)失敗等，都可能造成數(shù)據(jù)包的丟失。

第四部分：網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。所謂調(diào)度是指確定各系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的先后順序、發(fā)送的時(shí)間以及時(shí)間間隔等。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度是網(wǎng)絡(luò)用戶層、網(wǎng)絡(luò)傳輸上層的必要環(huán)節(jié)，其主要目的在于盡可能的避免網(wǎng)絡(luò)沖突及阻塞現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 基于預(yù)測(cè)控制的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償策略

2.1 研究假設(shè)

針對(duì)基于預(yù)測(cè)控制的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償問(wèn)題的研究，可以先假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中帶有時(shí)戳的數(shù)據(jù)都采用單包傳輸方式，并且對(duì)控制器的計(jì)算時(shí)延進(jìn)行忽略。在此基礎(chǔ)上，需要假設(shè)反饋時(shí)延和前向時(shí)延均有界，并且前向網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中連續(xù)丟包數(shù)不大于時(shí)延的最大值。此外，需要假設(shè)系統(tǒng)執(zhí)行器和控制器都需要利用相同周期的時(shí)間驅(qū)動(dòng)，并且使用事件—時(shí)間驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制器的驅(qū)動(dòng)。而正常的情況下，使用該方式進(jìn)行控制器驅(qū)動(dòng)，需要立刻對(duì)其接收到的傳感數(shù)據(jù)執(zhí)行控制算法[1]。在反饋時(shí)延超出界限的情況下，需要使用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行控制器的驅(qū)動(dòng)，并且利用自動(dòng)運(yùn)行控制算法進(jìn)行控制量的輸出，從而使數(shù)據(jù)包丟失的問(wèn)題得到解決。最后，需假設(shè)反饋時(shí)延是可以測(cè)量的，并且可以利用在線估計(jì)技術(shù)進(jìn)行反饋時(shí)延的獲取。

2.2 預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制器時(shí)，需要在控制器節(jié)點(diǎn)引入GPC算法，并且進(jìn)行緩沖區(qū)的設(shè)置。同時(shí)，也需要在執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩沖區(qū)的設(shè)置，從而使數(shù)據(jù)包在到達(dá)緩沖區(qū)時(shí)按照時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)排序的自動(dòng)更新，以便使時(shí)序錯(cuò)亂問(wèn)題得到較好的解決。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制器由預(yù)測(cè)控制產(chǎn)生器和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償器構(gòu)成。其中，控制產(chǎn)生器主要用于進(jìn)行未來(lái)控制信號(hào)的生產(chǎn)，時(shí)延補(bǔ)償器用于補(bǔ)償未知網(wǎng)絡(luò)的延遲。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，被控制對(duì)象的控制量將受到執(zhí)行器的選擇作用。在此基礎(chǔ)上，這些控制量將與傳感器采集的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)一同大包，然后利用網(wǎng)絡(luò)傳遞給控制器[2]。根據(jù)控制器參數(shù)，控制器將完成數(shù)據(jù)的識(shí)別，并且解決被控對(duì)象模型參數(shù)不時(shí)變化的問(wèn)題，繼而更好地完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的自適應(yīng)控制。

2.3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償策略

在對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況采取相應(yīng)的補(bǔ)償策略。首先，在網(wǎng)絡(luò)不受影響的條件下，需要進(jìn)行保證系統(tǒng)性能需求的控制器的設(shè)計(jì)。其次，基于系統(tǒng)歷史輸出信號(hào)，并且根據(jù)控制器輸入信號(hào)和參考輸入信號(hào)，需要建立相應(yīng)的輸出預(yù)估器，從而對(duì)系統(tǒng)未來(lái)輸出控制信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)。再者，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延控制器的設(shè)計(jì)，需要對(duì)預(yù)測(cè)控制產(chǎn)生器的輸出序列進(jìn)行計(jì)算。在這一過(guò)程中，需要將序列劃分成時(shí)延產(chǎn)生的前一時(shí)刻的控制序列和時(shí)延產(chǎn)生后一時(shí)刻的預(yù)測(cè)控制序列[3]。而在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，還要將預(yù)測(cè)控制產(chǎn)生器的輸出序列傳遞給被控對(duì)象端，并且打包輸送給網(wǎng)絡(luò)延遲補(bǔ)償器。最后，需要利用補(bǔ)償策略從被控對(duì)象網(wǎng)絡(luò)延時(shí)補(bǔ)償器中進(jìn)行最新控制值的選擇，并且將其當(dāng)成是輸入信號(hào)輸入執(zhí)行器。在這一階段，需要對(duì)補(bǔ)償器同時(shí)接到多個(gè)數(shù)據(jù)包和補(bǔ)償器在控制周期內(nèi)無(wú)法接收數(shù)據(jù)包的情況進(jìn)行分別考慮，從而合理進(jìn)行控制補(bǔ)償器的選擇。

2.4 策略的仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)基于預(yù)測(cè)控制的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償策略展開研究，可以使用MATLAB工具箱構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并且在不考慮網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的情況下進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，然后在不改變PI參數(shù)的情況下運(yùn)用補(bǔ)償策略進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償。而網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可設(shè)為10M/S，系統(tǒng)為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增大的情況下，系統(tǒng)振動(dòng)將逐漸加劇，系統(tǒng)性能則逐漸下降。使用預(yù)測(cè)控制策略，可以在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大于1個(gè)采樣周期時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的有效補(bǔ)償，并且使系統(tǒng)性能與無(wú)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延條件下基本相同，所以該預(yù)測(cè)控制器具有良好的補(bǔ)償效果。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在現(xiàn)實(shí)生活中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延幾乎是不可避免的一種現(xiàn)象。而使用預(yù)測(cè)控制理論進(jìn)行預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)，從而采取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償策略進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)延補(bǔ)償，則能使網(wǎng)絡(luò)性能得到有效改善。因此，本文對(duì)基于預(yù)測(cè)控制的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償策略展開的研究，可為相關(guān)工作的開展提供指導(dǎo)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]付偉，楊先一，劉國(guó)權(quán).網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延的預(yù)測(cè)控制補(bǔ)償方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011（9）：2066-2071.

[2]隋樹林，朱孔陽(yáng)，翟偉.基于動(dòng)態(tài)矩陣控制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延補(bǔ)償策略[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（3）：308-310.

[3]朱孔陽(yáng).網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延在線估計(jì)與時(shí)延補(bǔ)償策略研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010（12）：75-77，81.

[4]田中大，高憲文，李琨.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2013（3）：303-308.

[5]陳晨，陳謀.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中隨機(jī)時(shí)延的DMC補(bǔ)償策略[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2013（3）：457-462.

Research on the Network Time Delay Compensation Strategy Based on Predictive Control

Sun Jiahang

（ 91336 Units， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： The article points out that at present， the network control this subject has increasingly become a focus problem of the academic research， in order to make the clock out of sync problems in networked control systems is resolved， you can take the network time delay compensation strategy based on predictive control of system time delay compensation. And through the simulation analysis can be found that the implementation of the strategy can be made precise compensation network time delay， and and can improves the performance of the network control system to improve， so it can be applied in networked control systems.

Key words： predictive control； the network time delay； the compensation strategy