網絡控制系統研究

毛偉俊

（江漢大學，湖北 武漢 430056）

0 引言

網絡控制系統（Networked Control Systems，NCSs）是由多個學科領域相互交融而產生的，其中涉及控制技術、計算機技術以及通信技術等。傳統的控制系統多為點對點結構，而網絡控制系統與之相比具有諸多優勢，例如可靠性高，靈活性好，便于安裝、維護及擴展，可資源共享等，甚至在某些采用直接布線方式較為困難的場合，也可以在網絡控制系統的基礎上使用無線網擴展而滿足相應需求，鑒于此，網絡控制系統已經成為國內外控制理論領域的一個研究焦點。在此背景下，本文總結了網絡控制系統的基本建模方法以及控制策略，分析了網絡控制系統的實際應用以及未來的發展趨勢。

1 模型及控制策略

1.1 系統模型

在建立網絡控制系統模型之前，必須先設計系統控制器并對其穩定性進行分析。當前，國內外對網絡控制系統建立的模型主要包括以下幾類：時滯系統模型、量化器模型、馬爾科夫鏈模型以及切換系統模型。時滯控制系統又可以分為2種，一種采用狀態反饋控制器，另一種則是輸出反饋控制；量化器模型的主要特點在于信號數據需先進行量化，然后進入信道，該模型主要分為2種，即對數量化器模型和均勻量化器模型；馬爾科夫鏈模型的主要特點在于可以避免網絡誘導延時受到一些網絡通信過程中的基本參量的影響，例如通信協議、帶寬以及網絡拓撲結構等；切換系統模型主要是基于切換系統理論而建立的，切換系統是由多個離散時間子系統、連續時間子系統或者離散和連續時間子系統共同組成，其中還應包括一定的切換規則。

1.2 系統控制策略

網絡控制系統的控制策略主要有4種，下面逐一進行介紹：

1.2.1 魯棒控制策略

魯棒控制策略由于其在一定的參數擾動下能夠很好地維持控制系統的穩定性而被廣泛應用在網絡控制系統的設計中。例如，國外學者N.Vatan ski等基于補償策略設計出的魯棒控制器，對網絡誘導延時進行了測量，并采用Smith預估器對網絡誘導延時進行了補償。

1.2.2 學習控制策略

學習控制策略主要針對被控對象為多個變量的非線性系統難以建立十分精確的數學模型的情況，該控制策略由于其環境適應性好等特點，可以有效地提升控制系統的控制性能。例如，費敏銳等提出的一種雙層網絡學習控制系統設計方案，其控制策略是建立在強化學習和自學習模糊控制理論的基礎上的。

1.2.3 預測控制策略

預測控制策略在20世紀70年代后期被首先提出，這種控制策略主要包括廣義預測控制策略、動態矩陣控制策略和模型控制策略3種，目前已經被廣泛應用于工業生產過程中。例如，W.J.Kim等在控制器的節點上應用了多步預測方法，解決了丟包率一定的情況下系統穩定性較差的問題。

1.2.4 最優控制策略

最優控制策略主要是針對網絡性能參量，然后基于最優控制理論來對網絡控制系統的控制策略進行設計。根據網絡控制系統的數學模型是否為隨機模型，網絡控制系統中的最優控制策略還可分為隨機和非隨機最優控制策略2種。例如，國內學者唐功友等提出的一種方法，可以控制向量信息和歷史狀態數據為依據，對當前的控制量進行估算，然后綜合動態規劃算法，計算得到二次型離散性能指標下的網絡控制系統的最優控制序列，并給出了該控制序列的實現算法。

2 應用案例及發展前景

2.1 應用案例

在當前的工業生產中，網絡已經無處不在，其中基于工業以太網和現場總線的網絡控制系統已經相當成熟，其應用的工業領域包括電力、化工和冶金等等。專家學者們也設計開發了一些實驗軟件平臺，例如瑞典蘭德大學自動化學院的M.Ohlin等教授開發的當前全球功能最為完善的網絡控制系統仿真平臺。此外，基于因特網的網絡遠程控制系統也已經被一些專家學者所關注并進行了研究，例如G.P.Liu等專家設計的基于因特網的網絡伺服控制系統，采用了一種預測控制算法來對網絡誘導延時進行補償。目前，基于無線網的網絡控制系統也受到了一些專家學者和許多相關公司的重視，例如西門子公司和菲尼克斯公司就共同開發和推出了“無線工廠”，其采用了802.11技術。

2.2 發展前景

雖然目前網絡控制系統的相關研究已經取得了豐碩的成果，然而其還遠未達到能夠成熟應用的程度，網絡控制系統未來有望在以下幾個方面得到進一步發展：

（1）網絡性能參量主要取決于網絡基本參量，網絡性能參量還可以反映出對系統各項指標如穩定性等的影響，所以未來對于網絡控制系統的研究，應更加重視如何建立有關網絡基本參量和性能參量特性的數學模型，從而使得控制系統模型更加準確。

（2）由于網絡的不可靠特性而導致的數據不完整、不可信、不精確等問題，會十分嚴重地威脅到控制系統的控制性能，所以未來的網絡控制系統設計必須在數據處理方面進行全面考慮。

（3）實際的工業生產過程含有多個變量，而且是非線性的，參數也具有時變性，而在目前的網絡控制系統中，對于這些問題的考慮還較為欠缺，所以未來的研究中，應充分考慮工業生產的實時信息，采用多種方法（例如模糊控制和系統辨識）建立復雜被控對象的網絡控制系統。

（4）在某些情況下，網絡基本參量也會對網絡控制系統產生直接的影響，例如由通信協議決定的量化會引發網絡延時，與此同時帶來的誤差也會影響網絡系統的控制性能，所以在未來的網絡控制系統研究中，綜合考慮網絡性能參量及基本參量來對網絡控制系統進行設計，是一個值得重視的方向。

（5）現有的研究大都是在軟件平臺上進行模擬數字仿真，或者在硬件平臺上進行試驗模擬仿真，這和實際情況的差距還很大，在諸多實際工業生產過程中存在的問題都沒有得到深入、充分的研究。所以，在網絡控制系統的下一步研究中，如何將已經取得的研究成果在實際工業生產中進行應用反饋，也將成為一個值得探討的課題。

3 結語

近幾年來，網絡控制系統研究取得了諸多成果，也面臨著一些困難與挑戰。在此背景下，本文對網絡控制系統的研究進行了總結。主要工作有2點：（1）對網絡控制系統的基本建模方法以及控制策略進行了總結；（2）對網絡控制系統的實際應用以及未來的發展趨勢和前景進行了分析。目前網絡在工業系統中的應用已經十分廣泛，網絡控制系統也必然會成為未來工業系統的一個重要組成部分。目前，對于考慮了網絡性能參量的網絡控制系統的相關研究已經取得了豐碩的成果，但絕大多數的研究工作都是在理想條件下進行的，與實際的工業應用還有差距，所以下一步應努力探索已有成果的實際應用，這對于網絡控制系統的廣泛應用具有重要的意義。

［1］杜大軍，費敏銳，宋楊，等.網絡控制系統的簡要回顧及展望［J］.儀器儀表學報，2011（3）

［2］李超.網絡控制系統研究與設計［D］.華北電力大學，2012

［3］樊衛華.網絡控制系統的建模與控制［D］.南京理工大學，2004