網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究綜述

琚垚

摘 要：進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了空前發(fā)展，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的控制系統(tǒng)理論及應(yīng)用逐漸成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)?；诖?，本文梳理了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究歷程，分析了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，探討了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的模型設(shè)立、評(píng)估狀態(tài)、信息遲滯、設(shè)計(jì)算法、通信約束等，并對(duì)下一步研究方向做了一定展望。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng);工業(yè)以太網(wǎng);時(shí)延;調(diào)度

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0022-03

Abstract： With the advent of the Internet era， the theory and application of networked control system has gradually become the focus of research. Therefore， This paper introduced the development history of networked control system， reviewed the current research situation in its field， and discussed the model establishment， evaluation status， information hysteresis， design algorithm， communication constraints of networked control system， and looked forward to its future research direction.

Keywords： networked control system; industrial ethernet; delay; scheduling

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的英文簡(jiǎn)稱NCS，是在閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的自動(dòng)反應(yīng)控制系統(tǒng)。自20世紀(jì)末NCS作為一個(gè)新名詞在學(xué)術(shù)界出現(xiàn)以后，一直是學(xué)術(shù)界的寵兒。與過(guò)去的電腦控制系統(tǒng)相比，NCS存在很多領(lǐng)先之處，特別是在資源流共享、遠(yuǎn)程操控、故障診斷力、設(shè)備安裝等方面。網(wǎng)絡(luò)和控制理論相結(jié)合對(duì)自動(dòng)控制理論提出了新的研究要求，自動(dòng)控制分析系統(tǒng)和傳統(tǒng)自動(dòng)控制存在較大不同，因?yàn)镹CS分析的對(duì)象不再是孤立的控制過(guò)程，而是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)健性等進(jìn)行分析。

1 NCS的發(fā)展歷程

20世紀(jì)中期，計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸嶄露頭角。在后來(lái)出現(xiàn)的直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器與計(jì)算機(jī)之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，信號(hào)的傳輸、執(zhí)行都由計(jì)算機(jī)控制[1]。簡(jiǎn)略的DDC示意圖如圖1所示。

1975年，分布式控制系統(tǒng)（DCS）TDC-2000作為理論與應(yīng)用相結(jié)合的實(shí)際成果問(wèn)世。在DCS系統(tǒng)中，用于控制的實(shí)時(shí)信號(hào)并不是通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)?，在以太網(wǎng)傳輸?shù)氖荢witching signal、Alarm information、Monitoring information。簡(jiǎn)略的DCS示意圖如圖2所示。

2 NCS的研究現(xiàn)狀

①Astrom 和Wittenmark對(duì)系統(tǒng)存在遲滯時(shí)的NCS模型設(shè)定進(jìn)行了研究。在實(shí)際分析時(shí)，將遲滯分為T兩種情況（T為樣本采集周期），并進(jìn)行分類討論，同時(shí)假定遲滯是常數(shù)，運(yùn)用System State Augmentation Method（SSAM），也就是將延遲信號(hào)作為增廣系統(tǒng)的狀態(tài)，通過(guò)增加系統(tǒng)維數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)的時(shí)頻特性[2]。

②NCS的status估計(jì)在NCS中網(wǎng)絡(luò)所占用系統(tǒng)資源是有限的，若用status估計(jì)得到系統(tǒng)狀態(tài)，可以減少系統(tǒng)資源占用率、減小網(wǎng)絡(luò)遲滯。status估計(jì)主要是通過(guò)Delayed and Local State Information（DLSI）估計(jì)出整體系統(tǒng)所處的狀態(tài)，至于算法方面，則較多采用Optimization Algorithm。Goodwin研究了通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)膕ensor測(cè)量，且測(cè)量值不包含時(shí)間戳情況，計(jì)算方法則在很多領(lǐng)域都廣為應(yīng)用。Ray對(duì)Minimum Error Filter（MEF最小誤差濾波器）進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。BeIdiman設(shè)計(jì)兩種形式的狀態(tài)預(yù)估器（Open-loop structure and closed-loop structure）以分別匹配TOD（Try-Once-Discard）和Static NCS精確計(jì)算延遲，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性。他的研究邏輯是：首先給定一個(gè)常量，可視作一個(gè)閾值，估計(jì)值和實(shí)際值小于給定的常量，那么控制裝置持續(xù)使用估計(jì)值來(lái)計(jì)算系，否則則使用實(shí)際值。NiIsson用經(jīng)驗(yàn)證據(jù)實(shí)證了分離原理同樣適用于NCS的LOG，認(rèn)為State Estimator（狀態(tài)估計(jì)器）的Optimal Controller（最優(yōu)控制器）是獨(dú)立的[3]。

③NCS延遲。目前，對(duì)系統(tǒng)性延遲的研究大多基于Lyapunov第二法、LMI等。其基本數(shù)學(xué)模型表達(dá)如下：

[xt=Axt+i=1ndAdixt-τi ] ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

Halevi & Ray提出了Integrated Control and Communication System（ICCS），研究了系統(tǒng)中的連續(xù)控制對(duì)象和離散控制器。通過(guò)系統(tǒng)狀態(tài)增廣法，將對(duì)象延遲的輸入輸出信號(hào)增廣到系統(tǒng)方程中，得到一個(gè)有限維的時(shí)變離散系統(tǒng)模型。

Nilsson針對(duì)Discrete-time Networked Control（DNC）系統(tǒng)及工業(yè)以太網(wǎng)的存在時(shí)間遲滯問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性建模，建立一個(gè)Markov Random（MR）模型，并得到了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的匹配模型，再以LOG最優(yōu)控制策略為最終研究目標(biāo)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Marinescu提出了輸入輸出信息時(shí)延系統(tǒng)的最優(yōu)LOG控制設(shè)計(jì)方法。研究思路是先對(duì)延遲的狀態(tài)進(jìn)行濾波估計(jì)，然后在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)系統(tǒng)目前的狀態(tài)值。盡管NCS各個(gè)端口進(jìn)出信息的時(shí)間遲滯不一樣，但在設(shè)計(jì)初期就考慮了這種情況，使?fàn)顟B(tài)估計(jì)器的維數(shù)與NCS系統(tǒng)一致，進(jìn)而避免問(wèn)題發(fā)生。

④Network Scheduling System Algorithm（NSSA）對(duì)NCS的重要性顯而易見(jiàn)。NSSA在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，還要考慮NCS整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Brockett首先對(duì)Communication Sequence進(jìn)行定義，所謂Communication Sequence（CS），指逐個(gè)調(diào)用下級(jí)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序，反復(fù)迭代執(zhí)行該時(shí)序來(lái)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源并分配優(yōu)化資源。顯然，先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型可以解決這一系列問(wèn)題，然后測(cè)算網(wǎng)絡(luò)資源使用率及合理性，識(shí)別NCS的控制功能是否達(dá)標(biāo)。Hristu則在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了在線性時(shí)序不變的前提下具有普通通信約束條件的NCS的整體穩(wěn)定和可靠性。研究認(rèn)為，將控制系統(tǒng)中的傳遞信息按一定時(shí)序表示成N（代表周期）通信序列，然后對(duì)控制器與對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一的、靜態(tài)形式的調(diào)度，得到一個(gè)Augmented Form of Discrete Time System Model（增廣形式的離散時(shí)間系統(tǒng)模型）。

⑤NCS中的Communication Constraints（CC）當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)傳輸速率限制或存在CC時(shí)，一般把這種通信受限制的NCS稱為帶約束的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。Brocket通過(guò)Periodic Time Sharing Method（PTSM）來(lái)實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，并研究了在CC下鎮(zhèn)定控制律的存在性。Wong & Brockett研究了由Bandwidth constraint（BC）的控制系統(tǒng)的status估計(jì)問(wèn)題，給出了網(wǎng)絡(luò)中信息編碼和解碼機(jī)制，并進(jìn)一步將BC控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為概率問(wèn)題。Tatikonda在傳統(tǒng)LOG最優(yōu)控制范圍內(nèi)研究了Control Problems with Communication Constraints，并在對(duì)象輸出和控制器輸入之間加入了噪聲模擬反饋鏈路假設(shè)。此外，其還給出了模型編碼器/解碼器，確定了序列速率失真方程，并實(shí)證了分離原理仍然適用。Hassibi等研究了有速率約束的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。在其的研究模型中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)被簡(jiǎn)化為異步操作開(kāi)關(guān)，因此，要保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定，必須要研究開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉速率以及信息丟失率等情況。

⑥國(guó)內(nèi)有關(guān)以太網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)NCS的Random Delay Analysis（RDA）、Robust Analysis （RA）等進(jìn)行了一定探討（如于之訓(xùn)、陳輝堂等）。還有一些學(xué)者進(jìn)一步探討了System Delay的線上估計(jì)系統(tǒng)和控制方案優(yōu)化（魏震、謝劍英等）。南航的兩位青年學(xué)者對(duì)附帶長(zhǎng)時(shí)滯的NCS即Long Time Delay-NCS進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究。NCS的穩(wěn)健性問(wèn)題被諸多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了探討。還有一些專家從另外一個(gè)角度如工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)層面，對(duì)NCS能夠提供的技術(shù)支持做了相關(guān)研究（吳秋峰、顧洪軍等）。此外，還有一些青年學(xué)者從較為前瞻性的觀點(diǎn)，如未來(lái)AI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)控制理論系統(tǒng)地結(jié)合來(lái)考慮，發(fā)掘出一批新的研究重點(diǎn)，為推動(dòng)該領(lǐng)域進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

研究至今，NCS在諸多工業(yè)領(lǐng)域中占有一席之地，且學(xué)術(shù)界也得出很多成果。NCS在自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究地位日顯突出，但仍然存在巨大的挖掘空間。①以太網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的模型化。現(xiàn)階段，以太網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的建模工作，多以Deterministic System（DS）或者Simple Stochastic Systems（SSS）為藍(lán)本，但是這些多是線性網(wǎng)絡(luò)化的研究，更復(fù)雜的研究則仍需探索。②NCS涉及的以太網(wǎng)信息優(yōu)化調(diào)配、調(diào)度任務(wù)和以太網(wǎng)信息匯報(bào)調(diào)配都對(duì)控制系統(tǒng)提出了要求，網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度的優(yōu)化問(wèn)題 的研究?jī)r(jià)值非常大。工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)層面會(huì)分別產(chǎn)生什么影響，是未來(lái)的一個(gè)研究方向。③工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在理論和實(shí)踐方面還存在很大空間，應(yīng)該加速推進(jìn)科研成果向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。④工業(yè)以太網(wǎng)理論方面的研究也可以再往前推進(jìn)，如low cost運(yùn)行控制、控制系統(tǒng)的robust驗(yàn)證等。

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