基于預測控制的網(wǎng)絡時延補償策略研究

孫嘉航

摘 要：文章指出，當前，網(wǎng)絡控制這一課題已經(jīng)逐漸成為學術界研究的一個重點問題，為使網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的時鐘不同步問題得到解決，可以采取基于預測控制的網(wǎng)絡時延補償策略對系統(tǒng)時延進行補償。而通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，該策略的實施能夠使網(wǎng)絡時延得到精確補償，并且能夠使網(wǎng)絡控制系統(tǒng)性能得到有效改善，因此可以在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中得到應用。

關鍵詞：預測控制；網(wǎng)絡時延；補償策略

在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)信息交換的實現(xiàn)需要通過各節(jié)點對網(wǎng)絡資源進行共享。而在這一過程中，系統(tǒng)將不可避免的出現(xiàn)時延問題，以至于將導致系統(tǒng)性能受到影響。因此，有必要對基于預測控制的網(wǎng)絡時延補償策略展開研究，從而更好地提高網(wǎng)絡的使用性能。

1 網(wǎng)絡時延與預測控制分析

在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，控制器、被控對象和驅動器將利用公共的網(wǎng)絡平臺連接，所以信息資源能夠在系統(tǒng)內部實現(xiàn)有效共享。但是，受到網(wǎng)絡帶寬的限制，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中比較容易出現(xiàn)資源競爭和網(wǎng)絡擁塞等現(xiàn)象，從而導致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)延遲。這種現(xiàn)象被稱為網(wǎng)絡時延，會對網(wǎng)絡系統(tǒng)性能產(chǎn)生不良的影響。而預測控制是一種計算機閉環(huán)控制算法，可以通過將實際反饋信息反復優(yōu)化實現(xiàn)在線的滾動優(yōu)化計算，所以不需要被控對象的數(shù)學模型就能夠取得良好的綜合控制效果。使用該種控制算法，可以對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的不確定性影響進行估計，并且實現(xiàn)系統(tǒng)校正，在網(wǎng)絡時延補償方面具有較好的魯棒性。

網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是由被控對象、控制器、傳感器和執(zhí)行器所構成的，是以控制網(wǎng)絡為核心樞紐，對控制器和系統(tǒng)等組成部分進行連接和網(wǎng)絡傳輸，具體如圖1所示，對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究的基本問題，主要包含以下幾個方面。

第一部分：單包傳輸和多包傳輸。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)同其他傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別就在于，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)包的形式進行信息的傳輸，其中，網(wǎng)絡傳輸中的數(shù)據(jù)包傳輸，又被劃分為單包傳輸和多包傳輸。

第二部分：網(wǎng)絡誘導時延。因在反饋回路中引入了控制網(wǎng)絡，所以使信息在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生一定的時延，將這一現(xiàn)象稱之為網(wǎng)絡誘導時延，這一問題也是整個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中需要解決的主要問題之一。

第三部分：數(shù)據(jù)包丟失。數(shù)據(jù)包丟失的產(chǎn)生原因是多方面的，例如網(wǎng)絡阻塞現(xiàn)象、連接中斷，以及節(jié)點競爭數(shù)據(jù)發(fā)送權失敗等，都可能造成數(shù)據(jù)包的丟失。

第四部分：網(wǎng)絡調度。所謂調度是指確定各系統(tǒng)各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的先后順序、發(fā)送的時間以及時間間隔等。網(wǎng)絡調度是網(wǎng)絡用戶層、網(wǎng)絡傳輸上層的必要環(huán)節(jié)，其主要目的在于盡可能的避免網(wǎng)絡沖突及阻塞現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 基于預測控制的網(wǎng)絡時延補償策略

2.1 研究假設

針對基于預測控制的網(wǎng)絡時延補償問題的研究，可以先假設在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中帶有時戳的數(shù)據(jù)都采用單包傳輸方式，并且對控制器的計算時延進行忽略。在此基礎上，需要假設反饋時延和前向時延均有界，并且前向網(wǎng)絡傳輸過程中連續(xù)丟包數(shù)不大于時延的最大值。此外，需要假設系統(tǒng)執(zhí)行器和控制器都需要利用相同周期的時間驅動，并且使用事件—時間驅動器進行控制器的驅動。而正常的情況下，使用該方式進行控制器驅動，需要立刻對其接收到的傳感數(shù)據(jù)執(zhí)行控制算法[1]。在反饋時延超出界限的情況下，需要使用時鐘驅動方式進行控制器的驅動，并且利用自動運行控制算法進行控制量的輸出，從而使數(shù)據(jù)包丟失的問題得到解決。最后，需假設反饋時延是可以測量的，并且可以利用在線估計技術進行反饋時延的獲取。

2.2 預測控制器設計

在設計網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的預測控制器時，需要在控制器節(jié)點引入GPC算法，并且進行緩沖區(qū)的設置。同時，也需要在執(zhí)行器節(jié)點進行緩沖區(qū)的設置，從而使數(shù)據(jù)包在到達緩沖區(qū)時按照時間戳實現(xiàn)排序的自動更新，以便使時序錯亂問題得到較好的解決。從結構上來看，網(wǎng)絡預測控制器由預測控制產(chǎn)生器和網(wǎng)絡時延補償器構成。其中，控制產(chǎn)生器主要用于進行未來控制信號的生產(chǎn)，時延補償器用于補償未知網(wǎng)絡的延遲。在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，被控制對象的控制量將受到執(zhí)行器的選擇作用。在此基礎上，這些控制量將與傳感器采集的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)一同大包，然后利用網(wǎng)絡傳遞給控制器[2]。根據(jù)控制器參數(shù)，控制器將完成數(shù)據(jù)的識別，并且解決被控對象模型參數(shù)不時變化的問題，繼而更好地完成網(wǎng)絡時延的自適應控制。

2.3 網(wǎng)絡時延補償策略

在對網(wǎng)絡時延進行補償時，需要根據(jù)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的實際運行情況采取相應的補償策略。首先，在網(wǎng)絡不受影響的條件下，需要進行保證系統(tǒng)性能需求的控制器的設計。其次，基于系統(tǒng)歷史輸出信號，并且根據(jù)控制器輸入信號和參考輸入信號，需要建立相應的輸出預估器，從而對系統(tǒng)未來輸出控制信號進行預測。再者，根據(jù)網(wǎng)絡時延控制器的設計，需要對預測控制產(chǎn)生器的輸出序列進行計算。在這一過程中，需要將序列劃分成時延產(chǎn)生的前一時刻的控制序列和時延產(chǎn)生后一時刻的預測控制序列[3]。而在時鐘驅動下，還要將預測控制產(chǎn)生器的輸出序列傳遞給被控對象端，并且打包輸送給網(wǎng)絡延遲補償器。最后，需要利用補償策略從被控對象網(wǎng)絡延時補償器中進行最新控制值的選擇，并且將其當成是輸入信號輸入執(zhí)行器。在這一階段，需要對補償器同時接到多個數(shù)據(jù)包和補償器在控制周期內無法接收數(shù)據(jù)包的情況進行分別考慮，從而合理進行控制補償器的選擇。

2.4 策略的仿真實驗分析

為了對基于預測控制的網(wǎng)絡時延補償策略展開研究，可以使用MATLAB工具箱構造一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，并且在不考慮網(wǎng)絡時延的情況下進行控制器的設計，然后在不改變PI參數(shù)的情況下運用補償策略進行網(wǎng)絡時延補償。而網(wǎng)絡傳輸速率可設為10M/S，系統(tǒng)為時鐘驅動。仿真實驗結果表明，在網(wǎng)絡時延增大的情況下，系統(tǒng)振動將逐漸加劇，系統(tǒng)性能則逐漸下降。使用預測控制策略，可以在系統(tǒng)網(wǎng)絡時延大于1個采樣周期時實現(xiàn)對網(wǎng)絡時延的有效補償，并且使系統(tǒng)性能與無網(wǎng)絡時延條件下基本相同，所以該預測控制器具有良好的補償效果。

3 結語

總而言之，在現(xiàn)實生活中，網(wǎng)絡時延幾乎是不可避免的一種現(xiàn)象。而使用預測控制理論進行預測控制器的設計，從而采取相應的網(wǎng)絡時延補償策略進行系統(tǒng)時延補償，則能使網(wǎng)絡性能得到有效改善。因此，本文對基于預測控制的網(wǎng)絡時延補償策略展開的研究，可為相關工作的開展提供指導。

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Research on the Network Time Delay Compensation Strategy Based on Predictive Control

Sun Jiahang

（ 91336 Units， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： The article points out that at present， the network control this subject has increasingly become a focus problem of the academic research， in order to make the clock out of sync problems in networked control systems is resolved， you can take the network time delay compensation strategy based on predictive control of system time delay compensation. And through the simulation analysis can be found that the implementation of the strategy can be made precise compensation network time delay， and and can improves the performance of the network control system to improve， so it can be applied in networked control systems.

Key words： predictive control； the network time delay； the compensation strategy