關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)通信和控制的協(xié)同設(shè)計(jì)研究

彭輕羽 汪玉堯

摘要：由于延遲問題的發(fā)生，降低了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的效果?；诖吮疚膶?duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)通信和控制協(xié)同進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，在研究的過程中涉及到了總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合了通信協(xié)同內(nèi)容。并且結(jié)合研究背景對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行闡述，對(duì)于總線而言，主要針對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行研究：協(xié)議組成、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言，通信協(xié)同設(shè)計(jì)需要初步設(shè)定，并且在設(shè)定過程中還應(yīng)考慮液位控制系統(tǒng)的影響因素，液位系統(tǒng)容易引起網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，基于此針對(duì)上述情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并且以此建立出力模型。針對(duì)各類延時(shí)問題，給予具有針對(duì)性的解決措施，尤其對(duì)信息傳輸進(jìn)行優(yōu)化，并且結(jié)合實(shí)際情況對(duì)預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，從而使其適應(yīng)控制器，同時(shí)也體現(xiàn)出了協(xié)同設(shè)計(jì)的作用和思想。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);最優(yōu)通信;協(xié)同設(shè)計(jì)

引言：在上世紀(jì)九十年代，工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)生了變革，主要針對(duì)工業(yè)控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化完善。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要包括幾個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，首先是傳感器和執(zhí)行器，其次是控制單元。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將以上內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，并且在結(jié)合過程中控制總線閉環(huán)接入，使其能夠共同完成工作任務(wù)，并且將工作任務(wù)反饋給控制系統(tǒng)。在此過程中NCS系統(tǒng)可以結(jié)合共享功能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善，并且結(jié)合特點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此項(xiàng)工作具有一定挑戰(zhàn)性。在設(shè)計(jì)過程中主要的開銷如下：信道競(jìng)爭(zhēng)、物理信號(hào)編碼、通信協(xié)議處理等等，都是額外開銷較大的內(nèi)容，所以在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的過程中會(huì)出現(xiàn)各類不可確定因素的影響，尤其是在控制器和傳感器方面，影響因素較多。影響較為明顯的因素為：網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和錯(cuò)誤代碼，此兩類問題給設(shè)計(jì)工作帶來了一定的難度。

一、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)的問題

傳統(tǒng)意義上控制系統(tǒng)所研究的內(nèi)容是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接問題，實(shí)際上就是控制器與被控制之間的關(guān)聯(lián)，通過設(shè)計(jì)內(nèi)容優(yōu)化延時(shí)問題，降低延時(shí)問題發(fā)生的概率。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的最終目的是對(duì)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過過程中各類部件進(jìn)行傳輸工作，并且降低傳輸過程中出現(xiàn)延時(shí)問題。因其網(wǎng)絡(luò)存在各類不確定影響因素，所以對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制器的執(zhí)行工作很難進(jìn)行控制，整體控制難度較大，并且在控制的過程中會(huì)出現(xiàn)延時(shí)問題，加大了控制難度。此類內(nèi)容與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比較有一定差距，因其被廣泛使用，所以網(wǎng)絡(luò)中的介質(zhì)較多，提高了整體控制工作的復(fù)雜度。主要的問題內(nèi)容如下：首先是網(wǎng)絡(luò)客戶的數(shù)量較多，由于網(wǎng)絡(luò)客戶共享通信介質(zhì)角度，并且變化不可控，并且整體變化不具備一定規(guī)則，為后續(xù)控制工作加大了難度。其次是數(shù)據(jù)的傳輸途徑較多，有計(jì)算機(jī)終端也有通信設(shè)備終端，具體內(nèi)容不固定。最后是數(shù)據(jù)單元在傳輸?shù)倪^程中會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況形成不同的影響因素，比如說連接中斷或者是數(shù)據(jù)包丟失情況，整體控制難度較大，并且由于網(wǎng)絡(luò)不可控因素較多，所產(chǎn)生的問題也具有一定差異性。綜上所述，我們不難看出網(wǎng)絡(luò)傳輸一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)下，并且每一個(gè)動(dòng)態(tài)所處的環(huán)境也具有一定差異。所以閉環(huán)反饋系統(tǒng)和非線性反饋控制系統(tǒng)具有一定復(fù)雜性，在此過程中加之延時(shí)問題的不可控性，對(duì)整體工作造成了嚴(yán)重影響，并且有一定不確定關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在工作過程中需要結(jié)合線性能力進(jìn)行支持，才可更好的為其工作提供動(dòng)力，在此過程中如果線性能力不能滿足實(shí)際工作需求，則降低了整體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為了能夠維持良好的系統(tǒng)性能，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性和穩(wěn)定性，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)還需對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，制定一系列的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。

二、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)通信和控制的協(xié)同設(shè)計(jì)

（一）單主站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的“1-n”模型

首先是高級(jí)優(yōu)先任務(wù)的設(shè)定，此任務(wù)主要包括了主站和底層傳感器之間的任務(wù)內(nèi)容，需要二者任務(wù)互相交換，并且要求二者按照規(guī)定周期進(jìn)行工作。在控制方面需要滿足高級(jí)任務(wù)需求，主要針對(duì)實(shí)時(shí)性進(jìn)行研究，具體工作內(nèi)容需要高級(jí)任務(wù)進(jìn)行最大傳送。

其次是低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的設(shè)定：低級(jí)任務(wù)需要結(jié)合邏輯環(huán)節(jié)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，主要對(duì)任務(wù)進(jìn)行維護(hù)，此類任務(wù)無需按照周期性進(jìn)行工作。

再次是延遲令牌的設(shè)定：延遲令牌需要在主站中進(jìn)行獲得，并且在獲得過程中以TRR>TTR代明。在延遲令牌的情況下，主站僅只可以處理一個(gè)高級(jí)任務(wù)，后續(xù)不可在進(jìn)行其他任務(wù)的工作，所以延遲令牌主要依托于高級(jí)任務(wù)的工作模式。溢出主要指的是超出時(shí)間的預(yù)算被稱之為益處，指一項(xiàng)工作未按照工作時(shí)間內(nèi)完成，我們可以稱之為溢出。臨界瞬時(shí)實(shí)際上是對(duì)任務(wù)的最大限制時(shí)間進(jìn)行請(qǐng)求，主要針對(duì)于高級(jí)任務(wù)，并且還需滿足相應(yīng)周期，結(jié)合隊(duì)列形式進(jìn)行時(shí)刻的記錄。

最后是初始阻塞，初始阻塞指的是在臨界點(diǎn)發(fā)出的請(qǐng)求，并且等待請(qǐng)求的時(shí)間被稱之為阻塞時(shí)間。而臨界負(fù)載指的是在瞬間內(nèi)發(fā)生問題，被處理時(shí)所間隔的時(shí)間被稱之為臨界負(fù)載。實(shí)際上臨界負(fù)載也可以被稱之為一個(gè)特定的時(shí)間值。比如說評(píng)估時(shí)所需時(shí)間為Rc，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中就需要考慮臨界瞬時(shí)時(shí)刻，或者對(duì)初始阻塞進(jìn)行考慮，以此完善設(shè)計(jì)的流暢性和合理性，以上兩個(gè)內(nèi)容會(huì)直接導(dǎo)致時(shí)常問題，所以基于此需要對(duì)此項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格控制。初始阻塞也可以分為最長初始阻塞，最長初始阻塞主要是第一次報(bào)文請(qǐng)求到最終延時(shí)時(shí)長的距離。同時(shí)還有最長臨界負(fù)載，主要指的是獲取令牌的最長時(shí)間[1]。

（二）自適應(yīng)模糊Smith控制器

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的不確定性，需要結(jié)合間隔時(shí)長進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低紊亂問題發(fā)生的概率，此過程還會(huì)造成相位的滯后問題，如果情節(jié)嚴(yán)重會(huì)影響整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以在此內(nèi)容的基礎(chǔ)之上需要對(duì)計(jì)算機(jī)主站系統(tǒng)進(jìn)行最大傳輸延時(shí)設(shè)置，主要針對(duì)模糊控制器進(jìn)行補(bǔ)償，以此優(yōu)化延時(shí)所帶來的問題，比如說反饋和控制信號(hào)的滯后。以此保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低影響因素帶來的危害，并且完善整體系統(tǒng)的工作質(zhì)量[2]。

結(jié)論：綜上所述，隨著科技的發(fā)達(dá)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及，網(wǎng)絡(luò)具備了復(fù)雜性的特點(diǎn)，并且在此過程中延時(shí)問題極為突出，為了改善此類問題的發(fā)生，對(duì)以上系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此滿足實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜明莉，周川，陳慶偉.具有通信約束的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度與H_∞控制協(xié)同設(shè)計(jì)[J].控制理論與應(yīng)用，2019，29（09）：1132-1138.

[2]杜明莉，周川，陳慶偉.具有通信約束的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度與狀態(tài)反饋控制的協(xié)同設(shè)計(jì)[A].中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)：中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)，2019：6.

作者簡介：

彭輕羽（1995年5月-），男，漢族，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：從事通信網(wǎng)絡(luò)與優(yōu)化控制方面的研究。