基于時延的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

【 摘 要 】 在20世紀90年代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)問世了，它綜合了計算機技術、通信技術和控制系統(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)生產發(fā)展的風向標，基于時延的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析就顯得至關重要。本文簡單介紹了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的定義和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題，研究了基于實驗補償和預測控制的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，針對不同控制系統(tǒng)的時延進行了分析。

【 關鍵詞 】 時延；網(wǎng)絡控制系統(tǒng)；穩(wěn)定性

1 引言

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

2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)存在的問題

網(wǎng)絡控制與傳統(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)絡控制系統(tǒng)的各個節(jié)點是通過有線網(wǎng)絡或者無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換和信息控制，最后在網(wǎng)絡作用下向執(zhí)行器各節(jié)點發(fā)送控制信息。網(wǎng)絡的引入，自然會帶來一些問題，包括網(wǎng)絡時延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包排序混亂、時鐘同步、網(wǎng)絡調度。

2.1 網(wǎng)絡時延

它是網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的關鍵問題。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)絡時延有很大的不確定性。網(wǎng)絡節(jié)點往往需要競爭網(wǎng)絡資源，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成了網(wǎng)絡時延，即使是采用減緩記得存儲轉發(fā)機制和訪問端口沖突、交換式以太網(wǎng)也不能避免網(wǎng)絡時延的產生。我們可以通過對網(wǎng)絡時延的產生原進行研究，進而總結出網(wǎng)絡時延對控制系統(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)絡信號傳輸過程中，由于網(wǎng)絡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，而相對應的節(jié)點在規(guī)定的時間內也未能成功重新發(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)關等中轉環(huán)節(jié)的較長的時延網(wǎng)絡控制系統(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)包會經過不同的路徑達到目標節(jié)點，再加上中轉環(huán)節(jié)等待時間的不同都會導致數(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。當網(wǎng)絡運動控制系統(tǒng)中有驅動時，便會發(fā)生時鐘同步問題。

2.5 網(wǎng)絡調度

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

3 基于時延的不同控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析

因為網(wǎng)絡的存在，時系統(tǒng)信息存在時延，導致出現(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預估補償控制、監(jiān)督控制等。

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

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

假如在一定的網(wǎng)絡控制結構圖中，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，如果不研究出相應的解決措施，網(wǎng)絡時延的隨機性將會對控制系統(tǒng)的性能在成嚴重損壞。

3.1.2基于廣義預測控制算法的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定設計

網(wǎng)絡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沒有負面反饋，易使系統(tǒng)發(fā)散。廣義預測控制算法在計算過程中能對未來多個采樣時刻系統(tǒng)輸出進行預測，借助這種預估控制量來降低網(wǎng)絡時延對控制量到達時間的影響。廣義預測控制在被控對象的發(fā)送端設立了一個緩沖區(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來完成控質量的計算，在執(zhí)行器節(jié)點單獨設置一個網(wǎng)絡時延補償器來應對控制量隨機到達引起的系統(tǒng)性能下降問題，這樣的設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)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究往往忽略時延的影響設計控制器，采用狀態(tài)估計對時延進行補償，這樣的控制器在設計是具有相當大的保守性，而模型控制預測是美國和法國的幾家公司在20世紀70年代左右提出的一種新型控制算法，在石油和航空等領域發(fā)展迅速。本設計是在網(wǎng)絡控制系統(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)值當做描述對象動態(tài)特征的信息，建成了預測模型。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）預測模型——依照歷史信息和未來輸入，來預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——模型預測控制是通過某一個性能指標的最優(yōu)來推斷出將來的控制作用，該性能指標牽涉到系統(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。指在預測控制過程中每一步驟都要檢測真實輸出和預測值的偏差，進而校正模型預測的不準確性，最后進行優(yōu)化。

（2） 基于動態(tài)矩陣控制算法的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性設計

標準的動態(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)響應過程緩慢。通過建立考慮時延在內的控制系統(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測輸出量，有效解決了從傳感器到控制器的時延。

4 結束語

網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領域應用廣泛，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在給人類帶來諸多進步的同時，也給控制領域的發(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)絡控制系統(tǒng)中的一個主要問題，研究人員們應該加大在這方面的研究力度，讓網(wǎng)絡控制系統(tǒng)更好地造福人類。

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作者簡介：

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