網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究

毛偉俊

（江漢大學(xué)，湖北 武漢 430056）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Networked Control Systems，NCSs）是由多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域相互交融而產(chǎn)生的，其中涉及控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)等。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)多為點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)，而網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與之相比具有諸多優(yōu)勢，例如可靠性高，靈活性好，便于安裝、維護(hù)及擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用無線網(wǎng)擴(kuò)展而滿足相應(yīng)需求，鑒于此，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外控制理論領(lǐng)域的一個(gè)研究焦點(diǎn)。在此背景下，本文總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本建模方法以及控制策略，分析了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用以及未來的發(fā)展趨勢。

1 模型及控制策略

1.1 系統(tǒng)模型

在建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型之前，必須先設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器并對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。當(dāng)前，國內(nèi)外對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建立的模型主要包括以下幾類：時(shí)滯系統(tǒng)模型、量化器模型、馬爾科夫鏈模型以及切換系統(tǒng)模型。時(shí)滯控制系統(tǒng)又可以分為2種，一種采用狀態(tài)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(diǎn)在于信號數(shù)據(jù)需先進(jìn)行量化，然后進(jìn)入信道，該模型主要分為2種，即對數(shù)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(diǎn)在于可以避免網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)受到一些網(wǎng)絡(luò)通信過程中的基本參量的影響，例如通信協(xié)議、帶寬以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等；切換系統(tǒng)模型主要是基于切換系統(tǒng)理論而建立的，切換系統(tǒng)是由多個(gè)離散時(shí)間子系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間子系統(tǒng)或者離散和連續(xù)時(shí)間子系統(tǒng)共同組成，其中還應(yīng)包括一定的切換規(guī)則。

1.2 系統(tǒng)控制策略

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制策略主要有4種，下面逐一進(jìn)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(shù)擾動(dòng)下能夠很好地維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。例如，國外學(xué)者N.Vatan ski等基于補(bǔ)償策略設(shè)計(jì)出的魯棒控制器，對網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)進(jìn)行了測量，并采用Smith預(yù)估器對網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)進(jìn)行了補(bǔ)償。

1.2.2 學(xué)習(xí)控制策略

學(xué)習(xí)控制策略主要針對被控對象為多個(gè)變量的非線性系統(tǒng)難以建立十分精確的數(shù)學(xué)模型的情況，該控制策略由于其環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，可以有效地提升控制系統(tǒng)的控制性能。例如，費(fèi)敏銳等提出的一種雙層網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其控制策略是建立在強(qiáng)化學(xué)習(xí)和自學(xué)習(xí)模糊控制理論的基礎(chǔ)上的。

1.2.3 預(yù)測控制策略

預(yù)測控制策略在20世紀(jì)70年代后期被首先提出，這種控制策略主要包括廣義預(yù)測控制策略、動(dòng)態(tài)矩陣控制策略和模型控制策略3種，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。例如，W.J.Kim等在控制器的節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用了多步預(yù)測方法，解決了丟包率一定的情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的問題。

1.2.4 最優(yōu)控制策略

最優(yōu)控制策略主要是針對網(wǎng)絡(luò)性能參量，然后基于最優(yōu)控制理論來對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是否為隨機(jī)模型，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的最優(yōu)控制策略還可分為隨機(jī)和非隨機(jī)最優(yōu)控制策略2種。例如，國內(nèi)學(xué)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(tài)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對當(dāng)前的控制量進(jìn)行估算，然后綜合動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，計(jì)算得到二次型離散性能指標(biāo)下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制序列，并給出了該控制序列的實(shí)現(xiàn)算法。

2 應(yīng)用案例及發(fā)展前景

2.1 應(yīng)用案例

在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無處不在，其中基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域包括電力、化工和冶金等等。專家學(xué)者們也設(shè)計(jì)開發(fā)了一些實(shí)驗(yàn)軟件平臺，例如瑞典蘭德大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的M.Ohlin等教授開發(fā)的當(dāng)前全球功能最為完善的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺。此外，基于因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)也已經(jīng)被一些專家學(xué)者所關(guān)注并進(jìn)行了研究，例如G.P.Liu等專家設(shè)計(jì)的基于因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)伺服控制系統(tǒng)，采用了一種預(yù)測控制算法來對網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。目前，基于無線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也受到了一些專家學(xué)者和許多相關(guān)公司的重視，例如西門子公司和菲尼克斯公司就共同開發(fā)和推出了“無線工廠”，其采用了802.11技術(shù)。

2.2 發(fā)展前景

雖然目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的相關(guān)研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，然而其還遠(yuǎn)未達(dá)到能夠成熟應(yīng)用的程度，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)未來有望在以下幾個(gè)方面得到進(jìn)一步發(fā)展：

（1）網(wǎng)絡(luò)性能參量主要取決于網(wǎng)絡(luò)基本參量，網(wǎng)絡(luò)性能參量還可以反映出對系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)如穩(wěn)定性等的影響，所以未來對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究，應(yīng)更加重視如何建立有關(guān)網(wǎng)絡(luò)基本參量和性能參量特性的數(shù)學(xué)模型，從而使得控制系統(tǒng)模型更加準(zhǔn)確。

（2）由于網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不完整、不可信、不精確等問題，會十分嚴(yán)重地威脅到控制系統(tǒng)的控制性能，所以未來的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須在數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行全面考慮。

（3）實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程含有多個(gè)變量，而且是非線性的，參數(shù)也具有時(shí)變性，而在目前的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，對于這些問題的考慮還較為欠缺，所以未來的研究中，應(yīng)充分考慮工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)信息，采用多種方法（例如模糊控制和系統(tǒng)辨識）建立復(fù)雜被控對象的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

（4）在某些情況下，網(wǎng)絡(luò)基本參量也會對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)生直接的影響，例如由通信協(xié)議決定的量化會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，與此同時(shí)帶來的誤差也會影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制性能，所以在未來的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)性能參量及基本參量來對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一個(gè)值得重視的方向。

（5）現(xiàn)有的研究大都是在軟件平臺上進(jìn)行模擬數(shù)字仿真，或者在硬件平臺上進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M仿真，這和實(shí)際情況的差距還很大，在諸多實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中存在的問題都沒有得到深入、充分的研究。所以，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的下一步研究中，如何將已經(jīng)取得的研究成果在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用反饋，也將成為一個(gè)值得探討的課題。

3 結(jié)語

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

［1］杜大軍，費(fèi)敏銳，宋楊，等.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的簡要回顧及展望［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011（3）

［2］李超.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.華北電力大學(xué)，2012

［3］樊衛(wèi)華.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制［D］.南京理工大學(xué)，2004