摘要：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(jìn)步的同時(shí)，也給控制領(lǐng)域的發(fā)展帶來很多新的挑戰(zhàn)，本文在對(duì)基于時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹后，又針對(duì)不同系統(tǒng)的時(shí)延進(jìn)行分析。時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的一個(gè)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。本文選自：《中國科技產(chǎn)業(yè)》雜志由國家科技部主管，科技部火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心主辦 , 面向海內(nèi)外公開發(fā)行，由溫家寶總理題寫刊名，國務(wù)院原副秘書長(zhǎng)徐志堅(jiān)同志擔(dān)任主編，科技部原秘書長(zhǎng)、國務(wù)院參事石定環(huán)任副主編，是一份政策指導(dǎo)性和學(xué)術(shù)性強(qiáng)、理論與實(shí)踐密切結(jié)合的中央級(jí)優(yōu)秀月刊，是自主創(chuàng)新與建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要參考資料。

　　《中國科技產(chǎn)業(yè)》　主辦： 科技部火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)，周期： 月刊，出版地：北京市，語種： 中文，開本： 大16開，國際刊號(hào)：ISSN1002-0608，國內(nèi)刊號(hào)：CN11-2502/N，郵發(fā)代號(hào)：82-442，復(fù)合影響因子：0.422，綜合影響因子：0.260

　　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(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制，或者是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)控制系統(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(diǎn)不一致。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)本身的控制，可以通過運(yùn)籌學(xué)和控制理論來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(hù)、布線簡(jiǎn)單化等優(yōu)勢(shì)被大量應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)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(huì)出現(xiàn)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失等問題，而時(shí)延對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的影響是最大的，所以基于實(shí)驗(yàn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接控制系統(tǒng)相對(duì)照，它們的區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)是通過有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(diǎn)發(fā)送控制信息。網(wǎng)絡(luò)的引入，自然會(huì)帶來一些問題，包括網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包排序混亂、時(shí)鐘同步、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

　　它是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。時(shí)延通常是周期性的、定性的。然而采用隨機(jī)訪問機(jī)制的以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有很大的不確定性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往需要競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源，而競(jìng)爭(zhēng)一旦失敗就要在一定的隨機(jī)等待滯后才可重新競(jìng)爭(zhēng)，這樣的隨機(jī)等待也就構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，即使是采用減緩記得存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)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(shí)延的產(chǎn)生。我們可以通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的產(chǎn)生原進(jìn)行研究，進(jìn)而總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。

　　2.2 數(shù)據(jù)包丟失

　　主要會(huì)在三種情況下發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失：(1)在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)堵塞和連接中斷會(huì)造成數(shù)據(jù)包丟失;(2)節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間沒能成功發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)也是需要時(shí)間的;(3)數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能被錯(cuò)誤傳輸，而相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)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(zhǎng)的時(shí)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(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包會(huì)經(jīng)過不同的路徑達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，再加上中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)等待時(shí)間的不同都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包排序混亂。

　　2.4 時(shí)鐘同步

　　時(shí)鐘同步通常分為硬件同步和軟件同步。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中有驅(qū)動(dòng)時(shí)，便會(huì)發(fā)生時(shí)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(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的順序和發(fā)送時(shí)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(shí)延的不同控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析

　　因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的存在，時(shí)系統(tǒng)信息存在時(shí)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(gè)時(shí)段的控制信息，發(fā)生采樣過多時(shí)一般使使用最新數(shù)據(jù)將就得信息丟掉。但是長(zhǎng)此以往，多會(huì)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(shí)數(shù)據(jù)包只是滯后了一段時(shí)間出現(xiàn)。由于時(shí)延隨機(jī)波動(dòng)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(bǔ)償控制、監(jiān)督控制等。

　　3.1 基于廣義預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)序進(jìn)行，若在一定的時(shí)間沒有任何控制量到達(dá)控制器則就會(huì)發(fā)生采樣空置，這樣控制器在一個(gè)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(huì)晚些到達(dá)控制器，從而發(fā)生了時(shí)序混亂，所以控制器怎樣選取輸入值來計(jì)算控制量是一個(gè)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(shí)延的隨機(jī)性將會(huì)對(duì)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(cè)控制算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)絡(luò)時(shí)延使原本能及時(shí)到達(dá)控制器的對(duì)象信息和控制量滯后一定時(shí)間到達(dá)執(zhí)行器或者發(fā)生數(shù)據(jù)包的丟失。因?yàn)闀r(shí)延，系統(tǒng)的前向通道和反饋通道不能正常進(jìn)行。前向通道的時(shí)延是指在一定的時(shí)間內(nèi)沒有任何控制信息到達(dá)控制器，反饋通道是指在一定時(shí)間內(nèi)沒有負(fù)面反饋，易使系統(tǒng)發(fā)散。廣義預(yù)測(cè)控制算法在計(jì)算過程中能對(duì)未來多個(gè)采樣時(shí)刻系統(tǒng)輸出進(jìn)行預(yù)測(cè)，借助這種預(yù)估控制量來降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)控制量到達(dá)時(shí)間的影響。廣義預(yù)測(cè)控制在被控對(duì)象的發(fā)送端設(shè)立了一個(gè)緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)中按照一定時(shí)間間隔進(jìn)行自動(dòng)更新排列，在控制器節(jié)點(diǎn)借助GPC來完成控質(zhì)量的計(jì)算，在執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償器來應(yīng)對(duì)控制量隨機(jī)到達(dá)引起的系統(tǒng)性能下降問題，這樣的設(shè)計(jì)做到了完全處理隨機(jī)時(shí)延問題。

　　3.2 基于動(dòng)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(shí)延的影響設(shè)計(jì)控制器，采用狀態(tài)估計(jì)對(duì)時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，這樣的控制器在設(shè)計(jì)是具有相當(dāng)大的保守性，而模型控制預(yù)測(cè)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(jì)是在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中使用動(dòng)態(tài)矩陣進(jìn)行控制，對(duì)時(shí)延進(jìn)行建模和時(shí)序分析，再應(yīng)用動(dòng)態(tài)矩陣對(duì)模型進(jìn)行分析。

　　(1)動(dòng)態(tài)矩陣控制算法

　　通過工業(yè)過程得到的對(duì)象階躍影響，將他們?cè)诓蓸訒r(shí)候的數(shù)值當(dāng)做描述對(duì)象動(dòng)態(tài)特征的信息，建成了預(yù)測(cè)模型。因?yàn)殡A躍模型的影響，動(dòng)態(tài)矩陣控制算法只針對(duì)逐漸穩(wěn)定的對(duì)象。該模型通常由三部分組成：1)預(yù)測(cè)模型——依照歷史信息和未來輸入，來預(yù)測(cè)未來一個(gè)有限時(shí)間段的輸出值，它是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的提前描述;

　　2)滾動(dòng)優(yōu)化——模型預(yù)測(cè)控制是通過某一個(gè)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(shí)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(cè)控制過程中每一步驟都要檢測(cè)真實(shí)輸出和預(yù)測(cè)值的偏差，進(jìn)而校正模型預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確性，最后進(jìn)行優(yōu)化。

　　(2) 基于動(dòng)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(jì)

　　標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法通常取控制序列中的首個(gè)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(gè)控制量，并且該控制量都比較小，一旦時(shí)延推遲了控制量的更新，就會(huì)導(dǎo)致該小增量控制信號(hào)的實(shí)際作用時(shí)間被加長(zhǎng)，進(jìn)而造成控制系統(tǒng)響應(yīng)過程緩慢。通過建立考慮時(shí)延在內(nèi)的控制系統(tǒng)的模型并從控制時(shí)序方面進(jìn)行分析，采用系統(tǒng)時(shí)延空間模型來確定預(yù)測(cè)輸出量，有效解決了從傳感器到控制器的時(shí)延。