基于時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

【 摘 要 】 在20世紀(jì)90年代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)問世了，它綜合了計算機技術(shù)、通信技術(shù)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(chǎn)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，基于時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析就顯得至關(guān)重要。本文簡單介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的定義和網(wǎng)絡(luò)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(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，針對不同控制系統(tǒng)的時延進行了分析。

【 關(guān)鍵詞 】 時延；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；穩(wěn)定性

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)通常理解為是對網(wǎng)絡(luò)的控制，或者是通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)，但二者的主次觀點不一致。對網(wǎng)絡(luò)的控制是指對網(wǎng)絡(luò)本身的控制，可以通過運籌學(xué)和控制理論來實現(xiàn)對網(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、布線簡單化等優(yōu)勢被大量應(yīng)用于工業(yè)自動化、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)會出現(xiàn)時延、數(shù)據(jù)包丟失等問題，而時延對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的影響是最大的，所以基于實驗的網(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)的點對點直接控制系統(tǒng)相對照，它們的區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的各個節(jié)點是通過有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)進行數(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)點發(fā)送控制信息。網(wǎng)絡(luò)的引入，自然會帶來一些問題，包括網(wǎng)絡(luò)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(luò)調(diào)度。

2.1 網(wǎng)絡(luò)時延

它是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)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(luò)時延有很大的不確定性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點往往需要競爭網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)時延，即使是采用減緩記得存儲轉(zhuǎn)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(luò)時延的產(chǎn)生。我們可以通過對網(wǎng)絡(luò)時延的產(chǎn)生原進行研究，進而總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)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(luò)信號傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)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(quán)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(yīng)的節(jié)點在規(guī)定的時間內(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)的較長的時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。路由器在傳輸數(shù)據(jù)過程中節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包會經(jīng)過不同的路徑達(dá)到目標(biāo)節(jié)點，再加上中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)等待時間的不同都會導(dǎo)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)中有驅(qū)動時，便會發(fā)生時鐘同步問題。

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)點發(fā)送數(shù)據(jù)的順序和發(fā)送時間來避免網(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 基于時延的不同控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析

因為網(wǎng)絡(luò)的存在，時系統(tǒng)信息存在時延，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(yù)估補償控制、監(jiān)督控制等。

3.1 基于廣義預(yù)測控制算法的網(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序進行，若在一定的時間沒有任何控制量到達(dá)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(nèi)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(dá)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(yīng)的解決措施，網(wǎng)絡(luò)時延的隨機性將會對控制系統(tǒng)的性能在成嚴(yán)重?fù)p壞。

3.1.2基于廣義預(yù)測控制算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)時延使原本能及時到達(dá)控制器的對象信息和控制量滯后一定時間到達(dá)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(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間內(nèi)沒有負(fù)面反饋，易使系統(tǒng)發(fā)散。廣義預(yù)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(yù)測，借助這種預(yù)估控制量來降低網(wǎng)絡(luò)時延對控制量到達(dá)時間的影響。廣義預(yù)測控制在被控對象的發(fā)送端設(shè)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(zhì)量的計算，在執(zhí)行器節(jié)點單獨設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)時延補償器來應(yīng)對控制量隨機到達(dá)引起的系統(tǒng)性能下降問題，這樣的設(shè)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(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)研究往往忽略時延的影響設(shè)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(shè)計是具有相當(dāng)大的保守性，而模型控制預(yù)測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)計是在網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(dāng)做描述對象動態(tài)特征的信息，建成了預(yù)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(yù)測模型——依照歷史信息和未來輸入，來預(yù)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(yù)測控制是通過某一個性能指標(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)測控制過程中每一步驟都要檢測真實輸出和預(yù)測值的偏差，進而校正模型預(yù)測的不準(zhǔn)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(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)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(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(dǎo)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(yīng)過程緩慢。通過建立考慮時延在內(nèi)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(yù)測輸出量，有效解決了從傳感器到控制器的時延。

4 結(jié)束語

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步的同時，也給控制領(lǐng)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(luò)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(luò)控制系統(tǒng)中的一個主要問題，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。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫海燕，侯朝楨，趙奇.基于模型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性[J].控制與決策，2005，20（4）： 412-416.

[2] 肖小慶，周磊，陸國平.帶有隨機時延的非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸出反饋鎮(zhèn)定[J].控制理論與應(yīng)用，2009，26（9）： 1023-1025.

[3] 岳東，彭晨，Han Q.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與綜合[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4] 嚴(yán)懷成，黃心漢，王敏.不確定多時變時滯網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時滯相關(guān)穩(wěn)定性[J].控制理論與應(yīng)用，2008，25（2）： 303-306.

作者簡介：

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