网络控制实时优化设计

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1引言

随着计算机技术和网络通信技术的迅速发展，带来了工业控制领域的一次革命，技术的发展对企业管理信息化和生产自动化的进一步发展也产生了巨大的影响［1］。在企业信息化和工业自动化领域，计算机科学技术、信息处理技术、控制技术、网络技术和通信技术的结合，孕育了一个新的科技－－－网络控制系统［2］。网络控制系统是通过网络将分布于不同地区的传感器、控制器和操作站连接起来形成的一种完全分布式、网络化的实时控制系统。现场控制器通过网络与传感器和操作站信息互换，对远程目标进行控制，其最大的优势在于可以实现资源共享和远程分布控制，系统构建高度模块化、集成化、产品化，故障诊断和维护方便、易扩展、灵活性强［3］。网络控制系统充分体现了控制系统的网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势。由于其广泛的应用性，因此，以网络控制系统的性能为目的的各项研究成为众多学者的目标。然而，由于受到当今通信机制与通信协议的限制，以及网络带宽和硬件配置等因素的影响，当操作站、控制器和执行器通过网络进行数据交换的时候，大数据量的传输往往出现路径阻塞、多包丢失、数据碰撞、网络阻塞、通信连接中断等问题［4］，这使得网络控制系统不可避免地产生反馈信号传输时延、数据包时序错乱、数据包丢失等问题。网络控制系统是一个闭环系统，反馈信号的传递速度之间决定着系统的实时性，反馈信号的时延会造成系统死机等待，这样会降低控制系统的性能，严重时将使系统稳定性遭到严重破坏。因此，如何消除延迟的影响，提高系统实时性，成为一个难题［5］。为了解决这一问题，本文提出一种基于延时补偿的网络控制系统优化算法。提高分析网络控制系统延时原因，建立网络控制系统离散模型，通过分析系统中不确定性及非线性矩阵，运用信号延迟补偿控制理论重新进行反馈增益补偿，消除系统的不确定性。大幅提高系统的实时性，实验表明，这种方法简单高效，取得了不错的效果。

2网络控制系统工作原理

网络控制系统在我国工业控制领域有着巨大的作用，其能够完成远程区域、危险区域、的数据交换和自动化控制，给生活带来了巨大的便利。网络系统主要依靠系统之间通过网络进行反馈控制信号的交换，完成信息传递，通过得到的控制信号，现场控制站完成各种控制工作，其工作原理如下:首先，需要由底层硬件系统发出现场信号，如下所示:网络传递基于代价最小原则，选取传输信道进行传递，上式中，y(p)为传递代价，h为信道数模，J为最终决策信道，计算出代价最小的信道，传递控制信号，完成信号的通信。在网络控制系统中，实时性是衡量系统优劣的一个重要指标，因此，本文运用实时性计算来衡量一个网络控制系统的性能，实时性的计算公式如下所示:T＇为网络延迟系数，这个系数受到网络性能比如丢失数据包，网络延迟，网络风暴等因素的影响。大小变化。J为上面求出的信道宽度。通过以上网络控制系统工作原理可以看出，网络控制系统的实时性能受到很多因素的影响，式(3)中，影响实时性的一个重要因素就是网络延迟系数T＇，受到客观因素的限制，式(1)中信号丢失的影响，式(2)中网络阻塞的客观存在的因素影响，造成式(4)中的系数T＇很大，造成分母增大，影响式(4)的计算结果变大，延迟增加。影响网络控制系统的性能。针对以上问题，本文提出一种基于补偿控制的分布式控制系统设计算法。利用实时信号的可刻画性，加入系数矩阵，完成实时信号的补偿，克服延迟的影响。提高网络系统的性能。

3网络控制系统优化方法

3．1网络控制系统的描述网络控制系统的数学模型可以用如下公式建立:其中Ai，Ai1，Bi分别表示网络系统维数的矩阵，x(t)∈Rn是信号模式，u(t)∈Rm是输入的现场信号，i=1，2，．．．．．，r是补偿规则的数量，Ri表示该网络控制系统的第i条规则。假定所考虑参数的不确定性是范数有界的，且具有以下形式:以上为网络控制系统建立了一个完整的数学模型。

3．2建立补偿规则在网络中，丢包和延迟由于网络带宽的现在是不可避免的，随机出现的，为了避免由于丢包等问题造成的回馈信号延迟，需要进行补偿。写成以下形式:首先建立信号模型，如下:很显然上式的解在［t0，’)是连续的，η为ik+1(－i)kh+τk+1的上边界。在这个补偿区间函数中，只要信号量满足函数要求，在定义域内连续，输出的信号函数值在补偿区间内部，就可进行输出，而不必在等待输入信号的完全计算输入。克服由于输入信号故障造成的信号延迟问题。

3．3控制信号延迟补偿计算根据上文的描述能够获得有延迟的网络控制信号补偿规则数学模型，在延迟网络中，延迟因素中还存在非线性矩阵不等式，所以必须进行增益补偿计算，才能达到补偿控制的目的，信号增益补偿原理如下:

4实验结果及分析

为了验证本文算法的有效性，本文采用工业控制系统中，最为常用的分布式控制系统多机交换单元，进行测试。测试的步骤原理图如图1所示。在实验室中搭建分布式控制系统，随意选取几个需要回馈的中间变量点，通过交换机组成的冗余网络进行数据交换，并增加工况操作来影响其瞬间数值的变化，以及构建网络风暴进行网络阻塞环境，分别用传统方法和本文提出的方法对信号反馈情况进行检测，统计两种方法的信号实时性，并利用公式T=SJ*T＇×100%计算两种方法的网络信号传递实时性能，同时计算信号传递的延迟时间，两种方法对工况操作延迟趋势图如图2所示。图2为本文方法和传统算法在发生网络阻塞的情况下，信号实时性的统计趋势。上图中，很坐标表示网络中阻塞的次数，代表网络环境的变化。纵坐标表示信号的实时性，上面的曲线为本文算法，而下面曲线为传统算法，通过比较可以看出，本文算法在相同网络环境下，实时性要高于传统算法。实验结果数据比较如表1所示。由表1可以看出，传统的网络控制系统信号的实时性在遇到网络情况比较糟糕的情况下，无法准确地不受干扰地到达控制端，而基于补偿方法得到的信号在传递过程中，能够将干扰去除，对延迟进行补偿，有利于信号的传递。实时性大幅提高，可见文中方法能够有效去除噪声及工况操作的网络干扰，取得的结果很理想。

5结束语

针对网络控制系统的延时缺点，提出了基于增益信号补偿抗延时设计方法，首先采用时滞相关方法并引入自由权矩阵，同时得到了时滞相关稳定性条件，然后基于该充分条件设计了网络补偿保性能控制器，给出了闭环网络控制系统的性能指标界及保性能控制律。因为自动化系统的应用越来越广泛，因此本文的研究具有较强的商业价值。