基于时延的网络控制系统稳定性分析

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【 摘 要 】 在20世纪90年代网络控制系统问世了，它综合了计算机技术、通信技术和控制系统理论，是一个新生的控制发展理论课题，是现代工业生产发展的风向标，基于时延的网络控制系统稳定性的分析就显得至关重要。本文简单介绍了网络控制系统的定义和网络控制系统发展现状、存在的问题，研究了基于实验补偿和预测控制的网络控制系统，针对不同控制系统的时延进行了分析。

【 关键词 】 时延；网络控制系统；稳定性

1 引言

近年来，越来越多的学者将研究目光放在了网络控制系统身上，创造了许多优秀的成果。网络控制系统通常理解为是对网络的控制，或者是通过网络传输的信号控制系统。这两种理解方式都有控制和网络，但二者的主次观点不一致。对网络的控制是指对网络本身的控制，可以通过运筹学和控制理论来实现对网络路由、网络数据流量等的调控。网络本身可以进行远程的数据传输和交叉操作，网络技术凭借节约成本，便于维护、布线简单化等优势被大量应用于工业自动化、远程教学和培训、智能汽车、航空航天等领域。在上述的应用过程中，网络控制系统会出现时延、数据包丢失等问题，而时延对网络控制系统的影响是最大的，所以基于实验的网络控制系统稳定性的分析影响深远。

2 网络控制系统存在的问题

网络控制与传统的点对点直接控制系统相对照，它们的区别在于网络控制系统的各个节点是通过有线网络或者无线网络进行数据交换和信息控制，最后在网络作用下向执行器各节点发送控制信息。网络的引入，自然会带来一些问题，包括网络时延、数据包丢失、数据包排序混乱、时钟同步、网络调度。

2.1 网络时延

它是网络控制系统的关键问题。时延通常是周期性的、定性的。然而采用随机访问机制的以太网，网络时延有很大的不确定性。网络节点往往需要竞争网络资源，而竞争一旦失败就要在一定的随机等待滞后才可重新竞争，这样的随机等待也就构成了网络时延，即使是采用减缓记得存储转发机制和访问端口冲突、交换式以太网也不能避免网络时延的产生。我们可以通过对网络时延的产生原进行研究，进而总结出网络时延对控制系统性能的影响。

2.2 数据包丢失

主要会在三种情况下发生数据包丢失：（1）在网络信号传输过程中，由于网络堵塞和连接中断会造成数据包丢失；（2）节点在规定的时间没能成功发送数据，因为节点间竞争数据发送权也是需要时间的；（3）数据在传输过程中可能被错误传输，而相对应的节点在规定的时间内也未能成功重新发送数据。

2.3 数据包排序混乱

一般发生在具有路由、网关等中转环节的较长的时延网络控制系统中。路由器在传输数据过程中节点发送的数据包会经过不同的路径达到目标节点，再加上中转环节等待时间的不同都会导致数据包排序混乱。

2.4 时钟同步

时钟同步通常分为硬件同步和软件同步。当网络运动控制系统中有驱动时，便会发生时钟同步问题。

2.5 网络调度

文中所指的网络调度常是发生在网络用户层，是通过控制网络节点发送数据的顺序和发送时间来避免网络堵塞和中断现象的发生。它关注的是网络中传输数据的速度和被传出数据的优先权。

3 基于时延的不同控制系统稳定性的分析

因为网络的存在，时系统信息存在时延，导致出现采样空置和采样过多。为解决此类问题，人们常常在发生采样空置之前利用他的前一个时段的控制信息，发生采样过多时一般使使用最新数据将就得信息丢掉。但是长此以往，多会发生数据包的丢失，也就是说在上述采样空置和采样过多时数据包只是滞后了一段时间出现。由于时延随机波动性比较大，造成了较高的数据丢包率，而为还存在传输数据的秩序混乱问题。为此研究人员做了大量的工作，找到了很多解决问题的办法，例如Smith预估补偿控制、监督控制等。

3.1 基于广义预测控制算法的网络控制系统的稳定性分析

3.1.1基于广义预测控制算法的网络控制系统的稳定性

假如在一定的网络控制结构图中，输出信息和控制信息在闭环控制系统中按照一定的传递时序进行，若在一定的时间没有任何控制量到达控制器则就会发生采样空置，这样控制器在一个采样周期内没法算出新的控制量；而在一定的情况下，控制量可能会晚些到达控制器，从而发生了时序混乱，所以控制器怎样选取输入值来计算控制量是一个值得研究的问题，如果不研究出相应的解决措施，网络时延的随机性将会对控制系统的性能在成严重损坏。

3.1.2基于广义预测控制算法的网络控制系统稳定设计

网络时延使原本能及时到达控制器的对象信息和控制量滞后一定时间到达执行器或者发生数据包的丢失。因为时延，系统的前向通道和反馈通道不能正常进行。前向通道的时延是指在一定的时间内没有任何控制信息到达控制器，反馈通道是指在一定时间内没有负面反馈，易使系统发散。广义预测控制算法在计算过程中能对未来多个采样时刻系统输出进行预测，借助这种预估控制量来降低网络时延对控制量到达时间的影响。广义预测控制在被控对象的发送端设立了一个缓冲区，在缓冲区中按照一定时间间隔进行自动更新排列，在控制器节点借助GPC来完成控质量的计算，在执行器节点单独设置一个网络时延补偿器来应对控制量随机到达引起的系统性能下降问题，这样的设计做到了完全处理随机时延问题。

3.2 基于动态矩阵控制算法的网络控制系统的稳定性分析

传统的网络控制系统研究往往忽略时延的影响设计控制器，采用状态估计对时延进行补偿，这样的控制器在设计是具有相当大的保守性，而模型控制预测是美国和法国的几家公司在20世纪70年代左右提出的一种新型控制算法，在石油和航空等领域发展迅速。本设计是在网络控制系统中使用动态矩阵进行控制，对时延进行建模和时序分析，再应用动态矩阵对模型进行分析。

（1）动态矩阵控制算法

通过工业过程得到的对象阶跃影响，将他们在采样时候的数值当做描述对象动态特征的信息，建成了预测模型。因为阶跃模型的影响，动态矩阵控制算法只针对逐渐稳定的对象。该模型通常由三部分组成：1）预测模型――依照历史信息和未来输入，来预测未来一个有限时间段的输出值，它是对系统动态特征的提前描述；

2）滚动优化――模型预测控制是通过某一个性能指标的最优来推断出将来的控制作用，该性能指标牵涉到系统未来的行为，随着时间的发展而在线优化，它是一种优化控制算法；3）反馈校正。指在预测控制过程中每一步骤都要检测真实输出和预测值的偏差，进而校正模型预测的不准确性，最后进行优化。

（2） 基于动态矩阵控制算法的网络控制系统稳定性设计

标准的动态矩阵控制算法通常取控制序列中的首个数据作为当前控制周期的控制增量，然而控制器每次只能发送首个控制量，并且该控制量都比较小，一旦时延推迟了控制量的更新，就会导致该小增量控制信号的实际作用时间被加长，进而造成控制系统响应过程缓慢。通过建立考虑时延在内的控制系统的模型并从控制时序方面进行分析，采用系统时延空间模型来确定预测输出量，有效解决了从传感器到控制器的时延。

4 结束语

网络控制系统在工业控制领域应用广泛，网络控制系统在给人类带来诸多进步的同时，也给控制领域的发展带来很多新的挑战，本文在对基于时延的网络控制系统进行简单介绍后，又针对不同系统的时延进行分析。时延是网络控制系统中的一个主要问题，研究人员们应该加大在这方面的研究力度，让网络控制系统更好地造福人类。

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作者简介：

马洪涛（1978-），男，硕士研究生，讲师；主要研究方向和关注领域：控制理论与控制工程。