網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究綜述

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究綜述江軍文章摘要 本文介紹了控制系統(tǒng)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)出現(xiàn)的背景和研究內(nèi)容，從網(wǎng)絡(luò)和控制兩個角度對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行了討論。分析了控制網(wǎng)絡(luò)信息流傳輸?shù)娜舾蓡栴}，以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制器設(shè)計、可靠性和安全性等問題，在分析現(xiàn)狀的同時探討了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一些發(fā)展方向。關(guān) 鍵 詞 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 時延分析 安全性 可靠性1 概述控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的變革對包括控制理論在內(nèi)的許多研究領(lǐng)域都將產(chǎn)生重大影響，對傳統(tǒng)控制理論相應(yīng)地提出了新的挑戰(zhàn)，對控制系統(tǒng)的分析也將從“系統(tǒng)與控制”的概念轉(zhuǎn)變到“網(wǎng)絡(luò)和控制”的范疇，分析的對象不再是孤立的控制過程，而是整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、調(diào)度管

2、理和魯棒性問題等。由于連接到通訊介質(zhì)上的每個設(shè)備都是一個信息源，而通訊介質(zhì)是分時復(fù)用的，待發(fā)送信息只有等到網(wǎng)絡(luò)空閑時才能被發(fā)送出去，這就不可避免地導(dǎo)致了傳輸延遲的發(fā)生。每個控制網(wǎng)絡(luò)可以有多個控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中有一部分是閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于這些閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的，因此稱之為閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。由于信息傳輸延遲的存在，相應(yīng)地就把延遲環(huán)節(jié)引入了這些系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為傳感器到控制器的傳輸延遲， 為控制器到執(zhí)行器的傳輸延遲。圖 1進入21世紀，信息技術(shù)的飛速發(fā)展實現(xiàn)了將控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的封閉集中體系向開放的分布式體系發(fā)展，隨之應(yīng)運而生了，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS（Network

3、ed Control Systems）又稱為通信與控制系統(tǒng)ICCS（Integrated Communication and Control Systems）。它是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實時反饋控制系統(tǒng)，將某個區(qū)域現(xiàn)場傳感器、控制器及執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)集合，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使該區(qū)域內(nèi)不同地點的用戶實現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作1,2。網(wǎng)絡(luò)化控制是復(fù)雜大系統(tǒng)控制和遠程控制系統(tǒng)的客觀需求，傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設(shè)備的智能化。為通信網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)更深層次的應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和成熟解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自身的可靠性和開放性問題,使之成為現(xiàn)實。NCS廣泛地應(yīng)

4、用于自動化制造工廠、電廠、機器人、高級的航天航空器和電氣化運輸工具3,4。與其它相關(guān)的計算機控制系統(tǒng)(如直接數(shù)字控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))不同的是，NCS中所有的實時性傳感器和控制數(shù)據(jù)是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模W(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須緊密協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)。而直接數(shù)字控制系統(tǒng)中計算機是直接對過程進行控制的，分布式控制系統(tǒng)中許多的實時性控制任務(wù)(傳感,計算,執(zhí)行)是在各自的模塊中完成的，僅僅開/關(guān)信號、監(jiān)控信號、警報信號等這類信息是通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸?shù)?。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來說，NCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)并沒有區(qū)別，都是總線網(wǎng)絡(luò)，多個節(jié)點共享信道傳輸實時或者非實時信息.但是從定義上看，F(xiàn)CS著重點是節(jié)點之間

5、實時或者非實時信息的傳輸和共享，而NCS強調(diào)在串行實時總線上建立閉環(huán)控制回路。從這一點上看，NCS對于網(wǎng)絡(luò)的實時性要求更高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加分散化。NCS中的控制網(wǎng)絡(luò)是一個大的范疇，包括了現(xiàn)場總線，但是不局限于現(xiàn)場總線，還可以包括工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等多種形式，這也是與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的。 2.1NCS的數(shù)學(xué)模型如圖4所示，被控對象為連續(xù)時間對象，而控制器為一數(shù)字類型的控制器，控制器輸出通過一執(zhí)行器施加到被控對象上。表示傳感器到控制器的傳輸延遲，表示控制器到執(zhí)行器的傳輸延遲， 為控制量的計算時間，可將其歸并入。節(jié)點的工作方式可以分為時間驅(qū)動(Time Driven)和事件驅(qū)動(Event D

6、riven)31兩種。所謂時間驅(qū)動的工作方式，是指節(jié)點在采樣時鐘的作用下定時采樣信號，然后進行發(fā)送。而事件驅(qū)動是指信號一到達節(jié)點，節(jié)點立即被激活，對數(shù)據(jù)進行處理和發(fā)送，即“信號到達”這個事件“驅(qū)動”節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)的動作，因此叫事件驅(qū)動的工作方式。設(shè)NCS中被控對象的連續(xù)狀態(tài)方程為根據(jù)節(jié)點不同的工作方式，可以得到不同的系統(tǒng)離散時間模型。吳迎年5等根據(jù)結(jié)點的不同的工作方式，總結(jié)了NCS的多種離散化模型。由于網(wǎng)絡(luò)延時的存在，使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析變得復(fù)雜，尤其是當時延為隨機情況時，此時系統(tǒng)為一隨機不確定系統(tǒng)，正是由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時間這種隨機時變性和不確定性更增加了NCS分析和設(shè)計的難度。2.2NCS中的狀

7、態(tài)估計在NCS中，進行狀態(tài)估計的主要作用是利用帶延遲的部分狀態(tài)信息計算系統(tǒng)的全狀態(tài)，這方面的估計問題一般通過最優(yōu)狀態(tài)估計來完成。另外，由于NCS中信息是通過網(wǎng)絡(luò)傳送的，而網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬是有限的。用狀態(tài)估計得到系統(tǒng)的狀態(tài)，可以減少網(wǎng)絡(luò)通信量，減小網(wǎng)絡(luò)時延。對于帶有時間戳的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)時延可以在線得到，此時的狀態(tài)估計可以用標準的卡爾曼濾波器來實現(xiàn)。如果延時本身滿足Markov模型，那么就可將此問題作為隱式Markov模型狀態(tài)估計問題來解決。Goodwin討論了傳感器的測量值通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破鞯那闆r，測量值不帶時間戳，即延時未知的情形。其中的方法是基于變量的殘差和總最小二乘法的。為了得到遞推算法，采

8、用了水平后退法，即當考慮k時刻的值時，已經(jīng)得到了k-N， k時間周期的一系列數(shù)據(jù)，并用這個數(shù)據(jù)塊進行狀態(tài)估計。將問題歸結(jié)為結(jié)構(gòu)化總最小二乘(STLS)問題，并用帶約束的總最小二乘(CTLS)來解決STLS最優(yōu)問題，即將問題轉(zhuǎn)化為非線性無約束問題。最后給出了該方法與Kalman方法的仿真結(jié)果比較，說明了該方法的優(yōu)越性6。Beldiman對基于靜態(tài)和TOD的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計了兩種狀態(tài)預(yù)估器(開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu))，對由延時導(dǎo)致的狀態(tài)滯后進行估計，以提高系統(tǒng)的性能7。2.3NCS控制器設(shè)計方法雖然對網(wǎng)絡(luò)時延系統(tǒng)的分析與建模的研究不斷發(fā)展，由于在NCS中的分布式時間延遲，使得現(xiàn)有的方法不能直接應(yīng)用于NC

9、S。解決網(wǎng)絡(luò)延時問題有兩種途徑:一是在不考慮延時的情況下設(shè)計控制器，應(yīng)用調(diào)度算法設(shè)法保證信息的實時性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能這時網(wǎng)絡(luò)調(diào)度問題;二是在考慮網(wǎng)絡(luò)延時的影響，設(shè)計控制算法，使其在延時存在甚至不確定的情況下能正常工作，并保證一定的性能指標，即這里討論的控制器設(shè)計問題。NCS控制器設(shè)計的難點在于：如何減少時延及其不確定性和設(shè)計延時預(yù)報算法；對分布式時延的有效補償問題；對被控對象存在不確定性或非線性時，如何處理；對于MIMO系統(tǒng)，如何對傳輸時延建模和設(shè)計控制器。目前，針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法主要有：1）確定性控制設(shè)計方法應(yīng)用確定性設(shè)計方法應(yīng)首先將隨機時變延遲轉(zhuǎn)化為固定延遲，然后針對轉(zhuǎn)

10、化后的固定延遲設(shè)計控制器。Rogelio針對模型(時間驅(qū)動)提出了基于觀測器的分布延遲補償器8。在該補償器算法中，首先在控制器和執(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)，將時變的傳輸延遲轉(zhuǎn)化為固定的傳輸延遲。其優(yōu)點是可用已有的確定性系統(tǒng)設(shè)計和分析方法對閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行設(shè)計和分析，不受延遲特性變化的影響;其缺點是將所有延遲都轉(zhuǎn)化為最大延遲，人為地將傳輸延遲擴大化，因此降低了系統(tǒng)應(yīng)有的控制性能。文獻9，10中已經(jīng)證明，對于具有隨機傳輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，若按最大傳輸延遲來設(shè)計控制器，則所得閉環(huán)控制系統(tǒng)不一定穩(wěn)定。2）隨機控制設(shè)計方法應(yīng)用隨機控制的方法關(guān)鍵在于對網(wǎng)絡(luò)延時的合理建模和估計，將網(wǎng)絡(luò)延時作為系統(tǒng)中的

11、隨機變量或隨機過程，設(shè)計隨機最優(yōu)控制律。Ray對隨機時變分布延遲下的輸出反饋時延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行研究，基于最小方差濾波器和動態(tài)規(guī)劃原理，得到了具有隨機延遲補償?shù)腖QR控制器，但不滿足確定性等價原理11。于之訓(xùn)對控制器是事件驅(qū)動的，在第k步傳感器到控制器之間的延遲未知的情況下，基于動態(tài)規(guī)劃和最優(yōu)控制理論，得出了使系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定的控制律12。Nilsson利用模型(3)，即傳感器采用時間驅(qū)動，控制器和執(zhí)行器采用事件驅(qū)動的工作方式。假設(shè)時延的概率分布已知，且不超過一個采樣周期，并利用Markov鏈對時延的概率分布進行了建模，給出了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的LQG隨機最優(yōu)控制律，該控制律滿足確定性等價原理13。2.

12、4NCS的可靠性與安全性與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比， NCS由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，提高了可靠性。但NCS通常為一總線設(shè)計方案，所有設(shè)備掛于總線上，如果主干網(wǎng)受損，應(yīng)考慮其對策。而且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼現(xiàn)象也應(yīng)加以考慮。各種設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)為控制系統(tǒng)的安全提出了新的挑戰(zhàn)，既包括設(shè)備的安全性又包括信息的安全性。尤其是基于Internet工業(yè)控制以太網(wǎng)的出現(xiàn)和遠程控制的應(yīng)用，更需要在這方面進行研究。隨著控制系統(tǒng)向大型化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制已成為一個新的研究課題。在工程實現(xiàn)中， NCS對安全性和可靠性要求很高，如果某些微小故障不能及時排出，將造成巨大的災(zāi)難和損失。文獻14

13、中針對NCS的隨機延時，提出了延時估計和在線獲得延時數(shù)據(jù)的方法，建立了控制對象的數(shù)學(xué)模型，利用z變換來處理延時，由等價關(guān)系產(chǎn)生殘差，通過參數(shù)設(shè)計解耦干擾向量，從而對NCS的控制故障進行了診斷，并給出了仿真結(jié)果。3 總結(jié)與展望網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為一種新的研究課題，從提出至今已經(jīng)取得了一定的成果，本文對此作了歸納與總結(jié)。但作為一種新的事物，還有許多問題需要進一步的研究和解決: NCS作為一種新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在其對最新計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的改造和應(yīng)用。參考文獻1 Ray A, Halevi Y. Integrated communication and control systems: Part

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