網絡化控制系統研究綜述

1 引言

　　網絡化控制系統NCS（Networked Control Systems）,又稱集成通訊與控制系統 ICCS（Integrated Communication and Control System），最早可見于Ray A.等人發表的論文中。一般認為ICCS是一種全分布式、網絡化實時反饋控制系統，是將控制系統的傳感器、控制器、執行器等單元通過通訊網絡連接起來形成閉環的分布式控制系統。其涵蓋了兩方面的內容：系統節點的分布化和控制回路的網絡化。這種網絡化的控制模式具有信息資源能夠共享、連接線數大大減少、易于擴展、易于維護等優點，但由于網絡中的信息源很多，信息的傳送藥分時占用網絡通訊資源，而網絡的承載能力和通訊帶寬有限，必然造成信息的沖撞、重傳等現象的發生，使得數據在傳輸過程中不可避免地存在時延。時延由于受到網絡所采用的通訊協議、負載狀況、網絡速率以及數據包大小等情況到影響，呈現出或固定或隨機，或有界或無界的特征，從而導致控制系統性能下降甚至不穩定，也給控制系統的分析和設計帶來困難。網絡給NCS帶來的主要問題包括：時延采樣時刻和執行器響應時刻間出現了不可忽略的滯后;在某時間間隔內存在于時間相關的抖動;由于數據包在網絡中傳輸發生丟失或沖突，導致時延增大甚至系統失穩。NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制律器的設計，而且受到網絡通訊和網路資源的限制。信息調度應盡可能避免網絡中信息的沖突和擁塞現象的發生，從而大大提高網絡化控制系統的服務性能。大量的國內外文獻從不同角度對網絡控制系統的分析和設計以及信息調度等方面進行了研究。

2 問題描述

　　NCS結構圖可以用圖1來表示，與傳統的點對點控制系統比較，通訊網絡給NCS系統帶來的問題為：

圖1網絡化控制系統結構圖
Fig. 1 A schematic diagram for an NCS

　　1） 控制時延是某個采樣時刻和對應的執行期響應時刻之差。從控制的角度看，時延將導致向衛滯后，惡化系統性能，從信息調度的角度看，時延將使信息不能準時到達，丟失截止期，甚至帶來不可預料的通訊多米諾效應。

　　2） 抖動是在任何特定的時間間隔，與時間相關的、突然的、亂真的變化，可以看成一種突發性的故障;表現為控制周期的抖動，時延抖動，采樣抖動;從調度的角度看，抖動表現為輸出抖動，隊列抖動，截止期抖動等。

　　3） 瞬態誤差是控制信號在網絡中傳輸時發生丟失或沖突而產生的，會使數據和通訊時延加劇，時序采樣值不能準時到達，產生空采樣問題以及樣本數據拒絕問題。

圖 2 單回路控制系統結構示意圖
Fig. 3 structure chart of single-loop control system

圖 3 采樣時序圖
Fig. 3 sample timing

3 NCS的假設與模型

　　針對網絡的可變因素，目前的假設主要集中在以下方面：

　　1） 驅動方式的假設

　　傳感器都是采用時間驅動，采樣周期為 ，執行器和控制器存在時間驅動和事件驅動兩種方式的組合。

　　2） 傳輸時延τ的假設

　　通常假設τ為常數、隨機分布，或有界或無界。τ和T滿足0<τ>T或。

　　3） NCS數據傳輸假設

　　傳輸的每一數據包都是一個完整的數據，或者是數據被分成多個數據包，即單包和多包傳輸問題。

　　4） NCS數據丟包

　　數據單元在傳輸中由于網絡擁塞、中斷等原因會導致數據包的時序錯亂或數據包丟失等問題。

4 NCS研究現狀

　　NCS的研究涉及控制和通訊網絡兩個方面，對同一個問題既可以從控制角度來研究，也可以從信息調度角度來研究，或者綜合兩方面進行研究。

　　4.1 控制方法研究現狀

　　NCS中的控制時延主要包括：采樣器和控制器之間的通訊時延;控制器和執行器之間的通訊時延，控制器的執行時間。一般，可以將控制器的執行時間歸入控制器和執行器之間的通訊時延，從而將上述三種時延簡化為只有和。最簡單情形，假定和是恒定的，從而可以將問題轉變為一般那的恒定時延控制問題進行研究。通常采用的控制策略為：時間驅動的傳感器和控制器，事件驅動的執行器。Ray A等人最早討論并研究了ICCS的建模、分析和設計問題，針對帶有分布式網絡誘導時延的ICCS，研究了其基于觀測器的補償器設計問題;并針對隨機網絡時延設計了其輸出反饋控制器;Faik G等人同樣也研究了由于網絡的引入對控制系統性的影響。Liou L W 和Ray A等針對隨機ICCS研究了隨機系統的調節器設計問題。Lian Feng-li 針對通訊網絡對控制系統的影響，對NCS進行了性能的分析以及建模和控制器設計等工作。 Wittenmark B和Nilsson J針對隨機實時控制系統，對研究了其隨機最優控制問題。朱其新，胡壽松將其推廣到時延大于采樣周期的情形，并研究了網絡化控制系統的隨機狀態估計器和隨機最優控制器設計問題。方華京等人綜述了網絡化控制系統的基于模型的故障診斷和容錯控制問題。 Zhang Wei等對此情形的系統穩定性進行了分析及控制器的設計。Salt J等人研究了多率控制實現問題，討論了多率情況下的可變時延問題。 Rivera M G等研究了具有數據包丟失和網絡誘導時延的NCS的穩定性分析問題。謝立華等研究了帶有多個數據丟包的線性NCS的最優濾波問題，給出了最優狀態濾波器和預測器的設計過程。

　　4.1.1 多率采樣理論

　　針對時間驅動的NCS，絕大多數的文獻對NCS進行分析時，都假定傳感器、控制器和執行器的采樣速率是一致的，即研究的是單率采樣系統下的情形。然而，對于NCS，由于節點的分散化，單一的采樣速率不符合實際情況。多率采樣是符合實際系統真實情形的，Salt等人針對多率采樣的控制問題進行了研究，傳感器和控制器啟動時又很小的時間偏差，新的傳感器值到達控制器的概率假定是已知的。若，則說明是在新的測量數據未知的情況下對控制信號進行計算。但是對多率采樣系統來說，采用時間驅動的采樣方式常常會出現很多問題，如過多的冗余信號將使系統的時延、空采樣、報文丟失扥變得更加嚴重，從而導致系統性能惡化。

　　4.1.2 事件驅動的采樣理論

　　Astrom K J等人研究了一階隨機系統的周期采樣系統和基于事件采樣系統之間的性能對比。Hennningsson等人將其推廣到多環路系統的基于事件驅動的分散控制上，研究了基于事件的調度和隨機估計器、控制器設計問題;并研究了具有對數凸特性噪聲的最優觀測器設計問題。他們還研究了具有混合隨機和有界集擾動的線形系統的遞歸狀態估計器設計問題。Sandee J H等人研究了基于事件的網絡化控制系統的軟件設計和控制性能的綜合問題。

　　4.1.3 Markov跳變系統

　　可以將時延和建模成Markov鏈。所有的節點都是時間驅動的。借助Markov跳變系統理論推導出零階均方指數穩定性的充分必要條件。Chan H等人也應用了 Markov跳變系統對系統建模，得出了無交叉的最優控制策略。Nilsson等人對獨立隨機時延和具有Markov特性的時延條件下的LQG最優控制問題作了研究，給出了不同時延特性下的LQG最優控制器和閉環系統均方穩定性的條件，文中假定+

　　4.1.4 切換系統

　　俞立等人提出一種新的切換系統模型來描述既帶有網絡時延有具有丟包的網絡化控制系統，并推導出閉環系統的指數穩定性充分條件。然后建立了網絡穩定性和丟包率之間的定量關系，并使用增廣技術實現了狀態鎮定控制器。

　　4.1.5 故障診斷

　　方華京等人綜述了網絡化控制系統的基于模型的故障診斷和容錯控制問題，包括基于信息調度的故障診斷，簡化時延系統及準T-S模糊模型的故障診斷方法，以及帶有長時延的線性及非線性網絡化控制系統的故障診斷問題。并對時延系統的基于狀態估計器和觀測器理論的故障診斷方法、基于低通后向濾波的故障診斷方法以及基于結構矩陣的故障診斷方法作了詳細的闡述。

　　4.2 信息調度研究現狀

　　在NCS中網絡傳輸的信息可以分為兩類：實時性信息和非實時性信息。實時性信息對時間要求非常苛刻，如果在規定時間的上限內信息未能起作用，則該信息將被丟棄，而使用最新的信息。NCS信息調度策略中主要調度兩類數據信息：周期信息和非周期信息。周期信息是一種實時性信息，也被稱為時間出發信息或者同步信息。非周期信息主要是指節點間的請求服務等信息，其發生時刻是隨機的，也被稱為事件觸發信息、異步信息或者隨機性信息。在NCS中，信息調度發生在應用層，信息調度規定節點的優先發送次序、發送時刻和時間間隔，以避免網絡沖突。如果網絡化控制系統的所有數據傳輸都能在任務時限內完成，則稱傳輸是可調度的。網絡化控制系統中信息調度的研究可分為調度與控制分開設計和調度和控制協同設計兩類。

　　4.2.1 調度與控制分開設計

　　在目前的NCS研究中，一類研究是針對通訊網絡，研究提高網絡服務質量的信息調度方法;另一類是在給定的網絡信息調度方法基礎上，研究提高NCS性能的控制方法。根據信息對實時性的要求，信息調度分為靜態調度（離線調度）、動態調度（在線調度）以及混合調度。

　　（1） 靜態優先即調度

　　速率單調靜態優先級調度（Rate Monotonic Scheduling Model）的調度優先級由任務周期確定，在任務周期等于時限得同步實時任務系統中是最佳靜態調度算法。但該算法調度判定時間復雜度是指數增長的，而且對任務的執行周期限制得過于嚴格，只能處理具有固定周期任務。針對以上不足，Tindell K等人考慮到任務的阻塞，給出了非搶占服務方式下RM算法的可調度條件。Hong等提出基于時間窗的靜態帶寬調度算法避免了數據在網絡傳輸中產生干擾和數據沖突，并且將該調度算法用于循環服務型NCS和CAN下NCS中。

　　（2）動態優先級調度

　　在動態優先即調度中，任務的時間約束關系并沒有完全確定，新任務的到達時間是未知的。Liu和Layland提出時限最早的任務調度（Earliest Deadline First Scheduling），指出任務優先級是任務時限與任務執行時刻的差，該算法對同步周期任務組是最佳的動態調度算法。鑒于EDF是基于搶占式的調度算法，并且任務間的切換需要大量的開銷，Eker J等人給出了非搶占式的EDF算法的可調度條件。 Walsh等基于在線獲取的網絡傳輸誤差提出了一種動態分配網絡帶寬的最大誤差-嘗試一次丟棄（Most Error First- try Once Discard）的調度算法。Otanez P等提出了基于死區的動態調度在確保系統性能的基礎上動態地丟棄一定比率的數據，以減輕網絡的負載。

　　（3）混合調度

　　Tabuada等給出的基于退火機制的控制任務的事件觸發實時調度算法就，其基于帶有反饋事例的事件觸發調度器，并且給出了保證系統性能的條件。

　　4.2.2 調度和控制的協同設計

　　可以分為開環調度和反饋控制實時調度兩類。

　　（1） 開環調度

　　Kim Y H 等基于窗口的概念，給出了一種通過調度采樣時間來減少時延影響并提高網絡利用率的調度算法，建立了NCS控制系統性能和網絡性能間的約束關系，并提出了適用于多維對象采樣時間的調度算法。Cervin A 考慮了變化時延的控制系統的采樣周期的選擇問題，對低于一個采樣周期的時延系統的采樣周期進行了分析。Branicky M S和Zhang W等提出將非搶占RM調度算法應用于網絡化控制系統得調度，并給出了保證系統穩定和網絡可調度的充分條件;并在此基礎上，對網絡傳輸時間進行了分配，給出了網絡調度優化方法。

　　（2） 反饋控制實時調度

　　開環調度在網絡負載能精確建模的動態系統或靜態系統中可以取得很好的效果，但在不可預測的動態系統中，算法的有效性則會降低。Cervin等提出一種將控制和調度動態彈性集成的框架，允許在線平衡控制性能和可用的計算資源。Eker等提出了針對線性二次型的反饋控制器，在可調度的情況下通過調整控制環頻率來優化控制性能。

5 展望

　　目前，針對時延和丟包情況下NCS的穩定性研究以及帶隨機噪聲的NCS的最優控制問題的研究較多，而針對帶有確定性干擾NCS的最優擾動抑制問題和故障診斷問題則不多見，將最優擾動抑制理論應用于帶有時延和丟包的NCS實現系統的最優擾動抑制是研究的一個重要方向。在用Markov鏈對NCS建模時，都假定狀態及其轉移概率是已知的，而實際上還存在Markov鏈中狀態未知的情形。如何通過HMM（Hidden Markov Model）來辨識 Markov狀態數及其轉移概率是分析和設計NCS必須面臨的問題。基于HMM的估計理論是處理混雜情況下辨識問題的有力工具，將HMM理論應用于NCS 也是研究和設計NCS的重要方向。NCS信息調度的研究大多限于單控制回路，對共享網絡的多個控制回路的優化調度等問題需要進一步的研究。考慮網絡利用率、數據包丟失率、系統穩定性等多重約束，建立NCS多目標優化的數學模型。進而考慮NCS的實時性要求，研究NCS分級多目標優化問題的求解方法。