網(wǎng)絡(luò)控制綜述

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究綜述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?jī)?nèi)容，從網(wǎng)絡(luò)和控制兩個(gè)角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行了討論。分析了控制網(wǎng)絡(luò)信息流傳輸?shù)娜舾蓡?wèn)題，以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制器設(shè)計(jì)、可靠性和安全性等問(wèn)題，在分析現(xiàn)狀的同時(shí)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(shí)延分析；安全性；可靠性AbstractThepaperintroducesthedevelopmentstatusofresearchcontrolsystem,networkcontrolsystem,thebackgroundandcontent,fromtwoanglesofnetworkandcontrolnetworkcontrolsystemisdiscussed.Thecontrolnetworktrafficanalysis,andsomeproblemsoftransmissionnetworkcontrolsystemmodelingandcontrollerdesign,reliabilityandsecurityissues,suchasintheanalysisofthecurrentsituationanddiscussessomeofthenetworkcontrolsystemdevelopmentdirection.Keywords:Networkcontrolsystem;Delayanalysis;Safety;Reliability1概述控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的變革對(duì)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(duì)傳統(tǒng)控制理論相應(yīng)地提出了新的挑戰(zhàn)，對(duì)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(duì)象不再是孤立的控制過(guò)程，而是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、調(diào)度管理和魯棒性問(wèn)題等。由于連接到通訊介質(zhì)上的每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)信息源，而通訊介質(zhì)是分時(shí)復(fù)用的，待發(fā)送信息只有等到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)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(gè)控制網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)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(guò)網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的，因此稱(chēng)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。-1…幕為傳感器到控制器的傳輸延遲，Tca1…工cam為控制器到執(zhí)行器的傳輸延遲。進(jìn)入21世紀(jì)，信息技術(shù)的飛速發(fā)展實(shí)現(xiàn)了將控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的封閉集中體系向開(kāi)放的分布式體系發(fā)展，隨之應(yīng)運(yùn)而生了，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS(NetworkedControlSystems)又稱(chēng)為通信與控制系統(tǒng)ICCS(IntegratedCommunicationandControlSystems)。它是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，將某個(gè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)的用戶實(shí)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客觀需求，傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(kāi)放性問(wèn)題,使之成為現(xiàn)實(shí)。NCS廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化制造工廠、電廠、機(jī)器人、高級(jí)的航天航空器和電氣化運(yùn)輸工具［3,4］。與其它相關(guān)的計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)）不同的是，NCS中所有的實(shí)時(shí)性傳感器和控制數(shù)據(jù)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須緊密協(xié)調(diào)工作來(lái)完成控制任務(wù)。而直接數(shù)字控制系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)是直接對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制的，分布式控制系統(tǒng)中許多的實(shí)時(shí)性控制任務(wù)（傳感,計(jì)算,執(zhí)行）是在各自的模塊中完成的，僅僅開(kāi)/關(guān)信號(hào)、監(jiān)控信號(hào)、警報(bào)信號(hào)等這類(lèi)信息是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸?shù)?。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，NCS和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)并沒(méi)有區(qū)別，都是總線網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享信道傳輸實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)信息.但是從定義上看，F(xiàn)CS著重點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)信息的傳輸和共享，而NCS強(qiáng)調(diào)在串行實(shí)時(shí)總線上建立閉環(huán)控制回路。從這一點(diǎn)上看，NCS對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)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(gè)大的范疇，包括了現(xiàn)場(chǎng)總線，但是不局限于現(xiàn)場(chǎng)總線，還可以包括工業(yè)以太網(wǎng)、無(wú)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3所示，被控對(duì)象為連續(xù)時(shí)間對(duì)象，而控制器為一數(shù)字類(lèi)型的控制器控制器輸出通過(guò)一執(zhí)行器施加到被控對(duì)象上。執(zhí)価節(jié)jfi畤).|VdTsc表示到控制器的傳輸延遲，Tca表示控制器到執(zhí)行器的傳輸Tca延遲,■■町■M-ImuTsc表示到控制器的傳輸延遲，Tca表示控制器到執(zhí)行器的傳輸Tca延遲,■■町■M-ImuTca為控制量的計(jì)算時(shí)間，可將其歸并入Tca。節(jié)點(diǎn)的工作方式可以i分為時(shí)間驅(qū)動(dòng)(TimeDriven)和事件驅(qū)動(dòng)(Event_Drive點(diǎn)在采樣時(shí)鐘的作用下定時(shí)采樣信■號(hào)，然后進(jìn)行發(fā)送。而事件驅(qū)動(dòng)是指信號(hào)一到謂時(shí)間驅(qū)動(dòng)的工作乍方式，是指節(jié)達(dá)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)立即被激會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和發(fā)送曲信號(hào)到達(dá)”這個(gè)事件“驅(qū)動(dòng)”節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，因此叫事件驅(qū)動(dòng)的工作方式。設(shè)NCS中被控對(duì)象的連續(xù)狀態(tài)方程為x(t)=Ax(t)+Bu(t-t)

y(t)=Cx(t)根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同的工作方式，可以得到不同的系統(tǒng)離散時(shí)間模型。吳迎年［5］等根據(jù)結(jié)點(diǎn)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(shí)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(dāng)時(shí)延為隨機(jī)情況時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)為一隨機(jī)不確定系統(tǒng)，正是由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間這種隨機(jī)時(shí)變性和不確定性更增加了NCS分析和設(shè)計(jì)的難度。NCS中的狀態(tài)估計(jì)在NCS中，進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)的主要作用是利用帶延遲的部分狀態(tài)信息計(jì)算系統(tǒng)的全狀態(tài)，這方面的估計(jì)問(wèn)題一般通過(guò)最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)來(lái)完成。另外，由于NCS中信息是通過(guò)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(jì)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(shí)延。對(duì)于帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可以在線得到，此時(shí)的狀態(tài)估計(jì)可以用標(biāo)準(zhǔn)的卡爾曼濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果延時(shí)本身滿足Markov模型，那么就可將此問(wèn)題作為隱式Markov模型狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題來(lái)解決。Goodwin討論了傳感器的測(cè)量值通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破鞯那闆r，測(cè)量值不帶時(shí)間戳，即延時(shí)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，采用了水平后退法，即當(dāng)考慮k時(shí)刻的值時(shí)，已經(jīng)得到了［k-N,k］時(shí)間周期的一系列數(shù)據(jù)，并用這個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。將問(wèn)題歸結(jié)為結(jié)構(gòu)化總最小二乘(STLS)問(wèn)題，并用帶約束的總最小二乘(CTLS)來(lái)解決STLS最優(yōu)問(wèn)題，即將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非線性無(wú)約束問(wèn)題。最后給出了該方法與Kalman方法的仿真結(jié)果比較，說(shuō)明了該方法的優(yōu)越性［6］。Beldiman對(duì)基于靜態(tài)和TOD的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種狀態(tài)預(yù)估器(開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu))，對(duì)由延時(shí)導(dǎo)致的狀態(tài)滯后進(jìn)行估計(jì)，以提高系統(tǒng)的性能［7］。NCS控制器設(shè)計(jì)方法雖然對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)間延遲，使得現(xiàn)有的方法不能直接應(yīng)用于NCS。解決網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問(wèn)題有兩種途徑:一是在不考慮延時(shí)的情況下設(shè)計(jì)控制器，應(yīng)用調(diào)度算法設(shè)法保證信息的實(shí)時(shí)性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能這時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度問(wèn)題;二是在考慮網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的影響，設(shè)計(jì)控制算法，使其在延時(shí)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(biāo)，即這里討論的控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題。NCS控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：①如何減少時(shí)延及其不確定性和設(shè)計(jì)延時(shí)預(yù)報(bào)算法；②對(duì)分布式時(shí)延的有效補(bǔ)償問(wèn)題；③對(duì)被控對(duì)象存在不確定性或非線性時(shí)，如何處理；④對(duì)于MIMO系統(tǒng)，如何對(duì)傳輸時(shí)延建模和設(shè)計(jì)控制器。目前，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法主要有：1） 確定性控制設(shè)計(jì)方法應(yīng)用確定性設(shè)計(jì)方法應(yīng)首先將隨機(jī)時(shí)變延遲轉(zhuǎn)化為固定延遲，然后針對(duì)轉(zhuǎn)化后的固定延遲設(shè)計(jì)控制器。Rogelio針對(duì)模型（時(shí)間驅(qū)動(dòng)）提出了基于觀測(cè)器的分布延遲補(bǔ)償器［8］。在該補(bǔ)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(shí)變的傳輸延遲轉(zhuǎn)化為固定的傳輸延遲。其優(yōu)點(diǎn)是可用已有的確定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析方法對(duì)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，不受延遲特性變化的影響;其缺點(diǎn)是將所有延遲都轉(zhuǎn)化為最大延遲，人為地將傳輸延遲擴(kuò)大化，因此降低了系統(tǒng)應(yīng)有的控制性能。文獻(xiàn)［9，10］中已經(jīng)證明，對(duì)于具有隨機(jī)傳輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，若按最大傳輸延遲來(lái)設(shè)計(jì)控制器，則所得閉環(huán)控制系統(tǒng)不一定穩(wěn)定。2） 隨機(jī)控制設(shè)計(jì)方法應(yīng)用隨機(jī)控制的方法關(guān)鍵在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的合理建模和估計(jì)，將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)作為系統(tǒng)中的隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程，設(shè)計(jì)隨機(jī)最優(yōu)控制律。Ray對(duì)隨機(jī)時(shí)變分布延遲下的輸出反饋時(shí)延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于最小方差濾波器和動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，得到了具有隨機(jī)延遲補(bǔ)償?shù)腖QR控制器，但不滿足確定性等價(jià)原理［11］。于之訓(xùn)對(duì)控制器是事件驅(qū)動(dòng)的，在sc第k步傳感器到控制器之間的延遲未知的情況下，基于動(dòng)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(shí)間驅(qū)動(dòng)，控制器和執(zhí)行器采用事件驅(qū)動(dòng)的工作方式。假設(shè)時(shí)延的概率分布已知，且不超過(guò)一個(gè)采樣周期，并利用Markov鏈對(duì)時(shí)延的概率分布進(jìn)行了建模，給出了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的LQG隨機(jī)最優(yōu)控制律，該控制律滿足確定性等價(jià)原理［13］。2.4NCS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(jiǎn)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(jì)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(duì)策。而且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)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(yuǎn)程控制的應(yīng)用，更需要在這方面進(jìn)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(cuò)控制已成為一個(gè)新的研究課題。在工程實(shí)現(xiàn)中，NCS對(duì)安全性和可靠性要求很高，如果某些微小故障不能及時(shí)排出，將造成巨大的災(zāi)難和損失。文獻(xiàn)［14］中針對(duì)NCS的隨機(jī)延時(shí)，提出了延時(shí)估計(jì)和在線獲得延時(shí)數(shù)據(jù)的方法，建立了控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，利用z變換來(lái)處理延時(shí)，由等價(jià)關(guān)系產(chǎn)生殘差，通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)解耦干擾向量，從而對(duì)NCS的控制故障進(jìn)行了診斷，并給出仿真結(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(duì)此作了歸納和總結(jié)。但作為一種新的事物，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)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(duì)最新計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的改造和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)RayA,HaleviY.Integratedcommunicationandcontrolsystems:Part1analysis[J].ASMEJournalofDynamicSystems,MeasurementandControl,1988,110(4):367-373RajiRS.Smartnetworksforcontrol[J].IEEESpectrum,1994,31(6):49-55BaruchJ,CoxM.Remotecontrolandrobots:aninternetsolution[J].Computing&ControlEngineeringControl.1996,7:39-45LianF,etal.Controlperformancestudyofanetworkedmachiningcell.ProceedingsoftheAmericanControlConference[C].2000,3:2337-2341吳迎年，張建華，侯國(guó)蓮，李泉?網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究綜述(II)現(xiàn)代電力.2003.6GoodwinC.JuanCarloA.Stateestimationforsystemshavingrandommeasurementdelaysusingerrorsinvariables.The15thTriennialWorldCongress.2002BeldimanO,WalshGC.Predictorsfornetworkedcontrolsystems.ProceedingsofACC.2000.4:2347-2351RogelioL.RayA.AnObserve-basedco