不確定時延網絡控制系統的建模與穩定性研究

李恒 張建 陳黎明 王亞寧

摘要：自從控制系統中有了網絡的介入，網絡傳輸的網絡限制、資源競爭都會影響網絡控制系統的穩定性，這就增加了控制系統的復雜性和不穩定性。為了保證系統的數據傳輸和控制信息傳輸的時延穩定，本篇論文將對網絡控制系統進行深入分析和研究。

關鍵詞：網絡控制系統;不確定時延;建模;穩定性研究

引言

現有的網絡控制系統分別由傳感器、控制器、執行器通過互聯網組成的控制系統，因為該系統里既包含互聯網技術又包含控制技術，正因為它的復雜性，所以它的穩定性問題就很難處理的。網絡控制系統的工作原理就是通過網絡數據將傳感器的數據傳送給控制器，控制器再傳輸給執行器進行執行，通過網絡通信技術達到系統的整體性。但是因為網絡環境的因素，經常會出現數據異常導致的網絡延時使系統出錯。這篇論文就將對不確定延時的網絡控制系統進行穩定性分析。

1網絡控制系統的概述

網絡控制系統起源于1980年左右，在當時工業化的大環境下，Ray等人通過對集成通信控制系統研究發展出的網絡控制系統。該系統一經發布就被迅速應用于國防軍事、工業生產等需要遠程控制的領域。而我國的網絡控制系統起步較晚，不過發展卻很迅速，很快將其應用于工業控制領域。

網絡控制系統有兩種結構：徑直結構和分層機構，徑直結構是通過將數據信息通過網絡數據由傳輸器傳到控制器，控制器可以是多個，然后控制器下達指令由執行器執行;分層結構里，傳輸器將控制信息轉變為信號傳輸到遠程系統，遠程系統根據信號分析返回給傳輸器，傳輸器再傳輸給控制器，這個比分層需要更長的周期。

隨著互聯網技術的發展，網絡控制系統在需要控制工程的工業上使用越廣泛，面對大量的信息數據，系統應該如何采集和處理都是現代網絡控制系統要面對的挑戰，NCS（網絡控制系統）可以通過是實現網絡數據傳輸和測量各種信息，它對數據的采集和分析相對比傳統控制系統相比更精確和高效率，如果使用無線傳感網絡技術，該系統的傳輸范圍還有進一步的提升。

簡而言之，網絡的介入讓控制系統由傳統向更大范圍、更復雜的控制系統發展，給控制系統帶來了革命性的創新。

2影響網絡控制系統穩定的因素

互聯網中的寬帶限制、網絡的擁擠都會導致控制系統的不穩定，尤其是無線網絡的干擾性更大，會因為磁場的改變而被影響。網絡控制系統的復雜性分為外部因素和內部因素，內部因素就是因為不同的網絡硬件導致的網絡傳輸有差異，盡管有著各種干擾，但是控制系統的嚴密性不允許在傳輸過程中存在數據丟失。因此要對控制系統的穩定做出變革，先就影響網絡控制系統的不穩定因素進行分析：

（1）在系統的使用中用戶的數據流量變化不規律;

（2）網絡的寬帶存在限制，導致傳輸設備在傳輸數據時效率不穩定;

（3）由于在網絡中算法存在差異，在傳輸設備遇到數據規模太大時會存在網絡數據匱乏傳輸不穩定。

因此，在實際的網絡控制系統里，信息的傳輸機器依賴網絡硬件：設備的好壞、寬帶的網速、網絡設備的算法和相應軟件的優秀與否。因為網絡環境的復雜就導致控制網絡的穩定是一項十分艱巨的任務，首先了解網絡數據傳輸的特性，對癥下藥對網絡控制系統的設計分析深入研究，保證系統的數據傳送達到穩定。

3網絡控制系統中的基本問題和控制方案

3.1基本問題

網絡控制系統在信息傳輸過程會遇到很多問題，基本問題有以下幾類：網絡時延、網絡調度、單包與多包傳輸、網絡掉包等等。

因為這篇論文主要討論網絡時延，我們就其進行分類和分析，并且建模求解。在具有網絡時延的控制系統，我們進行分析。網絡時延主要存在于系統里的網絡前向通道和網絡后向通道（就是各個傳輸器、控制器、執行器之間的變送器之間的通道），網絡通道之間的時延其實是很微小的，但是因為控制系統的嚴密和準確性。就這點對控制系統的影響需要研究和克服。首先，網絡控制里包含控制器、網絡通道、執行器、執行對象、傳感器，對它進行研究需要現代計算機知識支持，上面我們提到了導致網絡延時的因素，我們在這對延時進行分類

（1）短時延網絡控制是由于短時延網絡導致的;

（2）如果數據在過渡設備里等待時機大大延長，導致數據的信息傳遞時間大于數據的采集時間，這就是長時延網絡控制。

采集數據在傳輸過程中以及數據處理上就存在網絡時延，通道時延往往由于在控制系統里，數據傳輸時間在各節點競爭資源所占用的時間稱為期間時延，期間時延就是網絡時延的一部分組成。網絡時延存在這種時延導致系統對象變得特別復雜，NCS存在的多種時延，這些各種時延由于網絡硬件和數據傳輸的不穩定，它們的不穩定性是隨機的，我們對解決網絡時延的控制系統從以下幾個方面：將數據包的延時和丟失作為控制策略的主要參考，目的就是減少因為網絡延時對控制系統的影響，保證系統的穩定;網絡跟隨其原理就是基于不同的執行對象要對網絡實時性要求不同。

3.2控制方案

對于不確定時延網絡控制系統的研究，如20世紀Raya等人關于集成ICCS的早期研究，這個可以看作是網絡控制系統的研究原型，是他們先提出了網絡控制系統的建模思想，對于網絡控制系統的研究，可以有兩條途徑：通過增強網絡信號降低網絡時延時間;將時延當作參數建模應用數學知識進行解決。網絡時延可以通過相關專業知識進行解決，將網絡控制系統中的誘導時延始終保持在采樣的最高頻率下，這是基于時延必須在一定范圍內的基礎完成，對網絡控制系統的穩定性做定量分析，可以把對象看作是連續的，將傳輸的數據信號當作離散時間進行定性分析，將網絡寬帶的分析引進這個系統保持其穩定性。

4結束語

本文就網絡控制系統的不確定延時進行分析與研究，并且闡述了網絡控制系統的工作原理和不確定延時產生的原理，提出針對不同的網絡環境，怎么解決網絡延時對控制系統影響。