网络化控制系统研究综述

1 引言

　　网络化控制系统NCS（Networked Control Systems）,又称集成通讯与控制系统 ICCS（Integrated Communication and Control System），最早可见于Ray A.等人发表的论文中。一般认为ICCS是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，是将控制系统的传感器、控制器、执行器等单元通过通讯网络连接起来形成闭环的分布式控制系统。其涵盖了两方面的内容：系统节点的分布化和控制回路的网络化。这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护等优点，但由于网络中的信息源很多，信息的传送药分时占用网络通讯资源，而网络的承载能力和通讯带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得数据在传输过程中不可避免地存在时延。时延由于受到网络所采用的通讯协议、负载状况、网络速率以及数据包大小等情况到影响，呈现出或固定或随机，或有界或无界的特征，从而导致控制系统性能下降甚至不稳定，也给控制系统的分析和设计带来困难。网络给NCS带来的主要问题包括：时延采样时刻和执行器响应时刻间出现了不可忽略的滞后;在某时间间隔内存在于时间相关的抖动;由于数据包在网络中传输发生丢失或冲突，导致时延增大甚至系统失稳。NCS的性能不仅依赖于控制策略及控制律器的设计，而且受到网络通讯和网路资源的限制。信息调度应尽可能避免网络中信息的冲突和拥塞现象的发生，从而大大提高网络化控制系统的服务性能。大量的国内外文献从不同角度对网络控制系统的分析和设计以及信息调度等方面进行了研究。

2 问题描述

　　NCS结构图可以用图1来表示，与传统的点对点控制系统比较，通讯网络给NCS系统带来的问题为：

图1网络化控制系统结构图
Fig. 1 A schematic diagram for an NCS

　　1） 控制时延是某个采样时刻和对应的执行期响应时刻之差。从控制的角度看，时延将导致向卫滞后，恶化系统性能，从信息调度的角度看，时延将使信息不能准时到达，丢失截止期，甚至带来不可预料的通讯多米诺效应。

　　2） 抖动是在任何特定的时间间隔，与时间相关的、突然的、乱真的变化，可以看成一种突发性的故障;表现为控制周期的抖动，时延抖动，采样抖动;从调度的角度看，抖动表现为输出抖动，队列抖动，截止期抖动等。

　　3） 瞬态误差是控制信号在网络中传输时发生丢失或冲突而产生的，会使数据和通讯时延加剧，时序采样值不能准时到达，产生空采样问题以及样本数据拒绝问题。

图 2 单回路控制系统结构示意图
Fig. 3 structure chart of single-loop control system

图 3 采样时序图
Fig. 3 sample timing

3 NCS的假设与模型

　　针对网络的可变因素，目前的假设主要集中在以下方面：

　　1） 驱动方式的假设

　　传感器都是采用时间驱动，采样周期为 ，执行器和控制器存在时间驱动和事件驱动两种方式的组合。

　　2） 传输时延τ的假设

　　通常假设τ为常数、随机分布，或有界或无界。τ和T满足0<τ>T或。

　　3） NCS数据传输假设

　　传输的每一数据包都是一个完整的数据，或者是数据被分成多个数据包，即单包和多包传输问题。

　　4） NCS数据丢包

　　数据单元在传输中由于网络拥塞、中断等原因会导致数据包的时序错乱或数据包丢失等问题。

4 NCS研究现状

　　NCS的研究涉及控制和通讯网络两个方面，对同一个问题既可以从控制角度来研究，也可以从信息调度角度来研究，或者综合两方面进行研究。

　　4.1 控制方法研究现状

　　NCS中的控制时延主要包括：采样器和控制器之间的通讯时延;控制器和执行器之间的通讯时延，控制器的执行时间。一般，可以将控制器的执行时间归入控制器和执行器之间的通讯时延，从而将上述三种时延简化为只有和。最简单情形，假定和是恒定的，从而可以将问题转变为一般那的恒定时延控制问题进行研究。通常采用的控制策略为：时间驱动的传感器和控制器，事件驱动的执行器。Ray A等人最早讨论并研究了ICCS的建模、分析和设计问题，针对带有分布式网络诱导时延的ICCS，研究了其基于观测器的补偿器设计问题;并针对随机网络时延设计了其输出反馈控制器;Faik G等人同样也研究了由于网络的引入对控制系统性的影响。Liou L W 和Ray A等针对随机ICCS研究了随机系统的调节器设计问题。Lian Feng-li 针对通讯网络对控制系统的影响，对NCS进行了性能的分析以及建模和控制器设计等工作。 Wittenmark B和Nilsson J针对随机实时控制系统，对研究了其随机最优控制问题。朱其新，胡寿松将其推广到时延大于采样周期的情形，并研究了网络化控制系统的随机状态估计器和随机最优控制器设计问题。方华京等人综述了网络化控制系统的基于模型的故障诊断和容错控制问题。 Zhang Wei等对此情形的系统稳定性进行了分析及控制器的设计。Salt J等人研究了多率控制实现问题，讨论了多率情况下的可变时延问题。 Rivera M G等研究了具有数据包丢失和网络诱导时延的NCS的稳定性分析问题。谢立华等研究了带有多个数据丢包的线性NCS的最优滤波问题，给出了最优状态滤波器和预测器的设计过程。

　　4.1.1 多率采样理论

　　针对时间驱动的NCS，绝大多数的文献对NCS进行分析时，都假定传感器、控制器和执行器的采样速率是一致的，即研究的是单率采样系统下的情形。然而，对于NCS，由于节点的分散化，单一的采样速率不符合实际情况。多率采样是符合实际系统真实情形的，Salt等人针对多率采样的控制问题进行了研究，传感器和控制器启动时又很小的时间偏差，新的传感器值到达控制器的概率假定是已知的。若，则说明是在新的测量数据未知的情况下对控制信号进行计算。但是对多率采样系统来说，采用时间驱动的采样方式常常会出现很多问题，如过多的冗余信号将使系统的时延、空采样、报文丢失扥变得更加严重，从而导致系统性能恶化。

　　4.1.2 事件驱动的采样理论

　　Astrom K J等人研究了一阶随机系统的周期采样系统和基于事件采样系统之间的性能对比。Hennningsson等人将其推广到多环路系统的基于事件驱动的分散控制上，研究了基于事件的调度和随机估计器、控制器设计问题;并研究了具有对数凸特性噪声的最优观测器设计问题。他们还研究了具有混合随机和有界集扰动的线形系统的递归状态估计器设计问题。Sandee J H等人研究了基于事件的网络化控制系统的软件设计和控制性能的综合问题。

　　4.1.3 Markov跳变系统

　　可以将时延和建模成Markov链。所有的节点都是时间驱动的。借助Markov跳变系统理论推导出零阶均方指数稳定性的充分必要条件。Chan H等人也应用了 Markov跳变系统对系统建模，得出了无交叉的最优控制策略。Nilsson等人对独立随机时延和具有Markov特性的时延条件下的LQG最优控制问题作了研究，给出了不同时延特性下的LQG最优控制器和闭环系统均方稳定性的条件，文中假定+

　　4.1.4 切换系统

　　俞立等人提出一种新的切换系统模型来描述既带有网络时延有具有丢包的网络化控制系统，并推导出闭环系统的指数稳定性充分条件。然后建立了网络稳定性和丢包率之间的定量关系，并使用增广技术实现了状态镇定控制器。

　　4.1.5 故障诊断

　　方华京等人综述了网络化控制系统的基于模型的故障诊断和容错控制问题，包括基于信息调度的故障诊断，简化时延系统及准T-S模糊模型的故障诊断方法，以及带有长时延的线性及非线性网络化控制系统的故障诊断问题。并对时延系统的基于状态估计器和观测器理论的故障诊断方法、基于低通后向滤波的故障诊断方法以及基于结构矩阵的故障诊断方法作了详细的阐述。

　　4.2 信息调度研究现状

　　在NCS中网络传输的信息可以分为两类：实时性信息和非实时性信息。实时性信息对时间要求非常苛刻，如果在规定时间的上限内信息未能起作用，则该信息将被丢弃，而使用最新的信息。NCS信息调度策略中主要调度两类数据信息：周期信息和非周期信息。周期信息是一种实时性信息，也被称为时间出发信息或者同步信息。非周期信息主要是指节点间的请求服务等信息，其发生时刻是随机的，也被称为事件触发信息、异步信息或者随机性信息。在NCS中，信息调度发生在应用层，信息调度规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔，以避免网络冲突。如果网络化控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成，则称传输是可调度的。网络化控制系统中信息调度的研究可分为调度与控制分开设计和调度和控制协同设计两类。

　　4.2.1 调度与控制分开设计

　　在目前的NCS研究中，一类研究是针对通讯网络，研究提高网络服务质量的信息调度方法;另一类是在给定的网络信息调度方法基础上，研究提高NCS性能的控制方法。根据信息对实时性的要求，信息调度分为静态调度（离线调度）、动态调度（在线调度）以及混合调度。

　　（1） 静态优先即调度

　　速率单调静态优先级调度（Rate Monotonic Scheduling Model）的调度优先级由任务周期确定，在任务周期等于时限得同步实时任务系统中是最佳静态调度算法。但该算法调度判定时间复杂度是指数增长的，而且对任务的执行周期限制得过于严格，只能处理具有固定周期任务。针对以上不足，Tindell K等人考虑到任务的阻塞，给出了非抢占服务方式下RM算法的可调度条件。Hong等提出基于时间窗的静态带宽调度算法避免了数据在网络传输中产生干扰和数据冲突，并且将该调度算法用于循环服务型NCS和CAN下NCS中。

　　（2）动态优先级调度

　　在动态优先即调度中，任务的时间约束关系并没有完全确定，新任务的到达时间是未知的。Liu和Layland提出时限最早的任务调度（Earliest Deadline First Scheduling），指出任务优先级是任务时限与任务执行时刻的差，该算法对同步周期任务组是最佳的动态调度算法。鉴于EDF是基于抢占式的调度算法，并且任务间的切换需要大量的开销，Eker J等人给出了非抢占式的EDF算法的可调度条件。 Walsh等基于在线获取的网络传输误差提出了一种动态分配网络带宽的最大误差-尝试一次丢弃（Most Error First- try Once Discard）的调度算法。Otanez P等提出了基于死区的动态调度在确保系统性能的基础上动态地丢弃一定比率的数据，以减轻网络的负载。

　　（3）混合调度

　　Tabuada等给出的基于退火机制的控制任务的事件触发实时调度算法就，其基于带有反馈事例的事件触发调度器，并且给出了保证系统性能的条件。

　　4.2.2 调度和控制的协同设计

　　可以分为开环调度和反馈控制实时调度两类。

　　（1） 开环调度

　　Kim Y H 等基于窗口的概念，给出了一种通过调度采样时间来减少时延影响并提高网络利用率的调度算法，建立了NCS控制系统性能和网络性能间的约束关系，并提出了适用于多维对象采样时间的调度算法。Cervin A 考虑了变化时延的控制系统的采样周期的选择问题，对低于一个采样周期的时延系统的采样周期进行了分析。Branicky M S和Zhang W等提出将非抢占RM调度算法应用于网络化控制系统得调度，并给出了保证系统稳定和网络可调度的充分条件;并在此基础上，对网络传输时间进行了分配，给出了网络调度优化方法。

　　（2） 反馈控制实时调度

　　开环调度在网络负载能精确建模的动态系统或静态系统中可以取得很好的效果，但在不可预测的动态系统中，算法的有效性则会降低。Cervin等提出一种将控制和调度动态弹性集成的框架，允许在线平衡控制性能和可用的计算资源。Eker等提出了针对线性二次型的反馈控制器，在可调度的情况下通过调整控制环频率来优化控制性能。

5 展望

　　目前，针对时延和丢包情况下NCS的稳定性研究以及带随机噪声的NCS的最优控制问题的研究较多，而针对带有确定性干扰NCS的最优扰动抑制问题和故障诊断问题则不多见，将最优扰动抑制理论应用于带有时延和丢包的NCS实现系统的最优扰动抑制是研究的一个重要方向。在用Markov链对NCS建模时，都假定状态及其转移概率是已知的，而实际上还存在Markov链中状态未知的情形。如何通过HMM（Hidden Markov Model）来辨识 Markov状态数及其转移概率是分析和设计NCS必须面临的问题。基于HMM的估计理论是处理混杂情况下辨识问题的有力工具，将HMM理论应用于NCS 也是研究和设计NCS的重要方向。NCS信息调度的研究大多限于单控制回路，对共享网络的多个控制回路的优化调度等问题需要进一步的研究。考虑网络利用率、数据包丢失率、系统稳定性等多重约束，建立NCS多目标优化的数学模型。进而考虑NCS的实时性要求，研究NCS分级多目标优化问题的求解方法。