网络控制系统研究综述
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作者简介：江 军，男，电气工程系讲师 1
控制网络体系结构的变革对包括控制理论在 内的许多研究领域都将产生重大影响，对传统控制 理论相应地提出了新的挑战，对控制系统的分析也 将从“系统与控制”的概念转变到“网络和控制” 的范畴，分析的对象不再是孤立的控制过程，而是 整个网络控制系统的稳定性分析、调度管理和鲁棒 性问题等。由于连接到通讯介质上的每个设备都是 一个信息源，而通讯介质是分时复用的，待发送信 息只有等到网络空闲时才能被发送出去，这就不可 避免地导致了传输延迟的发生。 每个控制网络可以有多个控制系统构成， 其中 有一部分是闭环控制系统。由于这些闭环控制系统 是通过网络形成闭环的，因此称之为闭环网络控制 系统。由于信息传输延迟的存在，相应地就把延迟 环节引入了这些系统。网络控制系统的结构框图如 图 1 所示。 τ sc1 … τ scr 为传感器到控制器的传输延 迟，
时间，可将其归并入 τ ca 。节点的工作方式可以分 为 时 间 驱 动 (Time Driven) 和 事 件 驱 动 (Event Driven)[31]两种。所谓时间驱动的工作方式，是指 节点在采样时钟的作用下定时采样信号，然后进行 发送。而事件驱动是指信号一到达节点，节点立即 被激活，对数据进行处理和发送，即“信号到达” 这个事件“驱动”节点执行相应的动作，因此叫事 件驱动的工作方式。 设 NCS 中被控对象的连续状态方程为
虽然对网络时延系统的分析与建模的研究不 断发展，由于在 NCS 中的分布式时间延迟，使得 现有的方法不能直接应用于 NCS。 解决网络延时问 题有两种途径: 一是在不考虑延时的情况下设计控 制器，应用调度算法设法保证信息的实时性，确保 系统的稳定和性能这时网络调度问题; 二是在考虑 网络延时的影响，设计控制算法，使其在延时存在 甚至不确定的情况下能正常工作，并保证一定的性 能指标，即这里讨论的控制器设计问题。NCS 控制 器设计的难点在于：①如何减少时延及其不确定性 和设计延时预报算法；②对分布式时延的有效补偿 问题；③对被控对象存在不确定性或非线性时，如 何处理；④对于 MIMO 系统，如何对传输时延建模 和设计控制器。 目前， 针对网络控制系统的控制器设计方法主 要有： 1）确定性控制设计方法应用确定性设计方法 应首先将随机时变延迟转化为固定延迟，然后针对 转化后的固定延迟设计控制器。 Rogelio 针对模型(时间驱动)提出了基于观测 器的分布延迟补偿器[8]。在该补偿器算法中，首先 在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区，将时变 的传输延迟转化为固定的传输延迟。其优点是可用 已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控 制系统进行设计和分析， 不受延迟特性变化的影响;
τ sc 表示传感器到控制器的传输延迟，τ ca 表示
控制器到执行器的传输延迟，
知的情形。其中的方法是基于变量的残差和总最小 二乘法的。 为了得到递推算法， 采用了水平后退法， 即当考虑 k 时刻的值时，已经得到了[k-N， k]时间
2
τ c 为控制量的计算
应用技术研究
周期的一系列数据，并用这个数据块进行状态估 计。将问题归结为结构化总最小二乘(STLS)问题， 并用带约束的总最小二乘(CTLS)来解决 STLS 最优 问题，即将问题转化为非线性无约束问题。最后给 出了该方法与 Kalman 方法的仿真结果比较，说明 了该方法的优越性[6]。 Beldiman 对基于静态和 TOD 的网络控制系统设计了两种状态预估器(开环结构 和闭环结构)，对由延时导致的状态滞后进行估计， 以提高系统的性能[7]。 2.3 NCS 控制器设计方法
应用技术研究
网络控制系统研究综述
江军
[文章摘要] 本文介绍了控制系统的研究发展现状，网络控制系统出现的背景和研究内容，从网络和控制两 个角度对网络控制系统进行了讨论。分析了控制网络信息流传输的若干问题，以及网络控制系统的建模与 控制器设计、可靠性和安全性等问题，在分析现状的同时探讨了网络控制系统的一些发展方向。 [关 键 词] 网络控制系统 时延分析 安全性 可靠性 1 概述 控制系统由传统的封闭集中体系向开放的分布式 体系发展，随之应运而生了，网络控制系统 NCS （Networked Control Systems） 又称为通信与控制系 统 ICCS （ Integrated Communication and Control Systems） 。它是一种全分布式、网络化实时反馈控 制系统，将某个区域现场传感器、控制器及执行器 和通信网络集合，用以提供设备之间的数据传输， 使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调 操作[1,2]。网络化控制是复杂大系统控制和远程控 制系统的客观需求，传感器、执行机构和驱动装置 等现场设备的智能化。为通信网络在控制系统更深 层次的应用提供了必要的物质基础，而高速以太网 和现场总线技术的发展和成熟解决了网络控制系 统自身的可靠性和开放性问题,使之成为现实。 NCS 广泛地应用于自动化制造工厂、电厂、机器人、高 级的航天航空器和电气化运输工具[3,4]。与其它相 关的计算机控制系统(如直接数字控制系统， 分布式 控制系统和现场总线控制系统)不同的是，NCS 中 所有的实时性传感器和控制数据是通过网络传输 的，网络节点必须紧密协调工作来完成控制任务。 而直接数字控制系统中计算机是直接对过程进行 图 1 进入 21 世纪，信息技术的飞速发展实现了将 控制的，分布式控制系统中许多的实时性控制任务 (传感,计算,执行)是在各自的模块中完成的， 仅仅开 /关信号、监控信号、警报信号等这类信息是通过网
3
应用技术研究
要求很高，如果某些微小故障不能及时排出，将造 延时， 提出了延时估计和在线获得延时数据的 方法，建立了控制对象的数学模型，利用 z 变换来 处理延时，由等价关系产生残差，通过参数设计解 耦干扰向量，从而对 NCS 的控制故障进行了诊断， 并给出了仿真结果。
成巨大的灾难和损失。文献[14]中针对 NCS 的随机 网络控制系统作为一种新的研究课题， 从提出 至今已经取得了一定的成果，本文对此作了归纳与 总结。但作为一种新的事物，还有许多问题需要进 一步的研究和解决: NCS 作为一种新的控制系统结 构体现在其对最新计算机网络技术和通信技术的 改造和应用。
& (t ) = Ax(t ) + Bu (t − τ ) x y (t ) = Cx(t )
根据节点不同的工作方式， 可以得到不同的系 统离散时间模型。 吴迎年[5]等根据结点的不同的工 作方式，总结了 NCS 的多种离散化模型。 由于网络延时的存在， 使得网络控制系统的分 析变得复杂，尤其是当时延为随机情况时，此时系 统为一随机不确定系统，正是由于网络传输时间这
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总结与展望
参考文献 [1] Ray A, Halevi Y. Integrated communication and control systems: Part1 analysis [J]. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 1988, 110(4): 367-373 [2] Raji R S. Smart networks for control [J]. IEEE Spectrum, 1994,31(6): 49-55 [3] Baruch J, Cox M. Remote control and robots: an internet solution [J]. Computing & Control Engineering Control.1996, 7:39-45 [4] Lian F,et al. Control performance study of a networked machining cell. Proceedings of the American Control Conference[C]. 2000,3:2337-2341 [5] 吴迎年，张建华，侯国莲，李泉.网络控制系统研究综述(II).现代电力.2003.6 [6] Goodwin C. Juan Carlo A. State estimation for systems having random measurement delays using errors in variables. The 15th Triennial World Congress.2002 [7] Beldiman O, Walsh G C. Predictors for networked control systems. Proceedings of ACC. 2000.4:2347-2351 [8] [9] Rogelio Yorke J L. A. Ray A. An Observe-based for one compomsators dimentional for distributed J of delays[J]. differential Automatica.1990.(7):189-202 Asysmptotic stability differential. equations.1970(7):189-198. [10] Hirai K. Satoh Y. Stability of a systems with variable time-delay[J], IEEE transations on AC,1980,25(3):552 -554 [11] Ray A Output feedback control under randomly varying distributed delays[J]. Measurement and control,1994, 17(4):701-711 [12]于之训,陈辉堂,王月娟 时延网络控制系统均方指数稳定的研究[J] 控制与决策,2000,15(3):278～281 [13]Nilsson J. Real-time control systems with delays. Lund institute of Technology,1998 [14] 郑英 , 方华京 , 谢林柏等 具有随机时延的网络化控制系统基于等价空间的故障诊断 [J] 信息与控 制,2003,32(2):155～159
τ ca1 … τ cam 为控制器到执行器的传输延迟。
应用技术研究
络来传输的。从网络结构上来说，NCS 和现场总线 控制系统并没有区别，都是总线网络，多个节点共 享信道传输实时或者非实时信息.但是从定义上看， FCS 着重点是节点之间实时或者非实时信息的传输 和共享，而 NCS 强调在串行实时总线上建立闭环 控制回路。从这一点上看，NCS 对于网络的实时性 要求更高，网络结构也更加分散化。NCS 中的控制 网络是一个大的范畴，包括了现场总线，但是不局 限于现场总线，还可以包括工业以太网、无线网络 等多种形式，这也是与网络技术的发展相适应的。
与传统的控制系统相比， NCS 由于系统结构 简化，设备与连线减少，提高了可靠性。但 NCS 通常为一总线设计方案，所有设备挂于总线上，如 果主干网受损，应考虑其对策。而且网络数据传输 过程中的误码现象也应加以考虑。各种设备的联网 为控制系统的安全提出了新的挑战，既包括设备的 安全性又包括信息的安全性。尤其是基于 Internet 工业控制以太网的出现和远程控制的应用，更需要 在这方面进行研究。 随着控制系统向大型化和网络化发展， 网络控 制系统的故障诊断和容错控制已成为一个新的研 究课题。在工程实现中， NCS 对安全性和可靠性
其缺点是将所有延迟都转化为最大延迟，人为地将 传输延迟扩大化，因此降低了系统应有的控制性 能。文献[9，10]中已经证明，对于具有随机传输延 迟的闭环控制系统，若按最大传输延迟来设计控制 器，则所得闭环控制系统不一定稳定。 2）随机控制设计方法 应用随机控制的方法关键在于对网络延时的 合理建模和估计，将网络延时作为系统中的随机变 量或随机过程，设计随机最优控制律。Ray 对随机 时变分布延迟下的输出反馈时延网络系统进行研 究，基于最小方差滤波器和动态规划原理，得到了 具有随机延迟补偿的 LQR 控制器，但不满足确定 性等价原理[11]。于之训对控制器是事件驱动的， 在 τ sck 第 k 步传感器到控制器之间的延迟未知的情 况下，基于动态规划和最优控制理论，得出了使系 统均方指数稳定的控制律[12]。 Nilsson 利用模型(3)， 即传感器采用时间驱动， 控制器和执行器采用事件驱动的工作方式。假设时 延的概率分布已知，且不超过一个采样周期，并利 用 Markov 链对时延的概率分布进行了建模，给出 了闭环网络系统的 LQG 随机最优控制律，该控制 律满足确定性等价原理[13]。 2.4 NCS 的可靠性与安全性
2.1
NCS 的数学模型
种随机时变性和不确定性更增加了 NCS 分析和设 计的难度。 2.2 NCS 中的状态估计
在 NCS 中，进行状态估计的主要作用是利用 带延迟的部分状态信息计算系统的全状态，这方面 的估计问题一般通过最优状态估计来完成。另外， 如图 4 所示，被控对象为连续时间对象，而控 制器为一数字类型的控制器，控制器输出通过一执 行器施加到被控对象上。 由于 NCS 中信息是通过网络传送的，而网络网络时延。对于带有时间 戳的数据，网络时延可以在线得到，此时的状态估 计可以用标准的卡尔曼滤波器来实现。如果延时本 身满足 Markov 模型，那么就可将此问题作为隐式 Markov 模型状态估计问题来解决。 Goodwin 讨论了传感器的测量值通过网络传 输到控制器的情况，测量值不带时间戳，即延时未
控制网络体系结构的变革对包括控制理论在 内的许多研究领域都将产生重大影响，对传统控制 理论相应地提出了新的挑战，对控制系统的分析也 将从“系统与控制”的概念转变到“网络和控制” 的范畴，分析的对象不再是孤立的控制过程，而是 整个网络控制系统的稳定性分析、调度管理和鲁棒 性问题等。由于连接到通讯介质上的每个设备都是 一个信息源，而通讯介质是分时复用的，待发送信 息只有等到网络空闲时才能被发送出去，这就不可 避免地导致了传输延迟的发生。 每个控制网络可以有多个控制系统构成， 其中 有一部分是闭环控制系统。由于这些闭环控制系统 是通过网络形成闭环的，因此称之为闭环网络控制 系统。由于信息传输延迟的存在，相应地就把延迟 环节引入了这些系统。网络控制系统的结构框图如 图 1 所示。 τ sc1 … τ scr 为传感器到控制器的传输延 迟，
时间，可将其归并入 τ ca 。节点的工作方式可以分 为 时 间 驱 动 (Time Driven) 和 事 件 驱 动 (Event Driven)[31]两种。所谓时间驱动的工作方式，是指 节点在采样时钟的作用下定时采样信号，然后进行 发送。而事件驱动是指信号一到达节点，节点立即 被激活，对数据进行处理和发送，即“信号到达” 这个事件“驱动”节点执行相应的动作，因此叫事 件驱动的工作方式。 设 NCS 中被控对象的连续状态方程为
虽然对网络时延系统的分析与建模的研究不 断发展，由于在 NCS 中的分布式时间延迟，使得 现有的方法不能直接应用于 NCS。 解决网络延时问 题有两种途径: 一是在不考虑延时的情况下设计控 制器，应用调度算法设法保证信息的实时性，确保 系统的稳定和性能这时网络调度问题; 二是在考虑 网络延时的影响，设计控制算法，使其在延时存在 甚至不确定的情况下能正常工作，并保证一定的性 能指标，即这里讨论的控制器设计问题。NCS 控制 器设计的难点在于：①如何减少时延及其不确定性 和设计延时预报算法；②对分布式时延的有效补偿 问题；③对被控对象存在不确定性或非线性时，如 何处理；④对于 MIMO 系统，如何对传输时延建模 和设计控制器。 目前， 针对网络控制系统的控制器设计方法主 要有： 1）确定性控制设计方法应用确定性设计方法 应首先将随机时变延迟转化为固定延迟，然后针对 转化后的固定延迟设计控制器。 Rogelio 针对模型(时间驱动)提出了基于观测 器的分布延迟补偿器[8]。在该补偿器算法中，首先 在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区，将时变 的传输延迟转化为固定的传输延迟。其优点是可用 已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控 制系统进行设计和分析， 不受延迟特性变化的影响;
τ sc 表示传感器到控制器的传输延迟，τ ca 表示
控制器到执行器的传输延迟，
知的情形。其中的方法是基于变量的残差和总最小 二乘法的。 为了得到递推算法， 采用了水平后退法， 即当考虑 k 时刻的值时，已经得到了[k-N， k]时间
2
τ c 为控制量的计算
应用技术研究
周期的一系列数据，并用这个数据块进行状态估 计。将问题归结为结构化总最小二乘(STLS)问题， 并用带约束的总最小二乘(CTLS)来解决 STLS 最优 问题，即将问题转化为非线性无约束问题。最后给 出了该方法与 Kalman 方法的仿真结果比较，说明 了该方法的优越性[6]。 Beldiman 对基于静态和 TOD 的网络控制系统设计了两种状态预估器(开环结构 和闭环结构)，对由延时导致的状态滞后进行估计， 以提高系统的性能[7]。 2.3 NCS 控制器设计方法
应用技术研究
网络控制系统研究综述
江军
[文章摘要] 本文介绍了控制系统的研究发展现状，网络控制系统出现的背景和研究内容，从网络和控制两 个角度对网络控制系统进行了讨论。分析了控制网络信息流传输的若干问题，以及网络控制系统的建模与 控制器设计、可靠性和安全性等问题，在分析现状的同时探讨了网络控制系统的一些发展方向。 [关 键 词] 网络控制系统 时延分析 安全性 可靠性 1 概述 控制系统由传统的封闭集中体系向开放的分布式 体系发展，随之应运而生了，网络控制系统 NCS （Networked Control Systems） 又称为通信与控制系 统 ICCS （ Integrated Communication and Control Systems） 。它是一种全分布式、网络化实时反馈控 制系统，将某个区域现场传感器、控制器及执行器 和通信网络集合，用以提供设备之间的数据传输， 使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调 操作[1,2]。网络化控制是复杂大系统控制和远程控 制系统的客观需求，传感器、执行机构和驱动装置 等现场设备的智能化。为通信网络在控制系统更深 层次的应用提供了必要的物质基础，而高速以太网 和现场总线技术的发展和成熟解决了网络控制系 统自身的可靠性和开放性问题,使之成为现实。 NCS 广泛地应用于自动化制造工厂、电厂、机器人、高 级的航天航空器和电气化运输工具[3,4]。与其它相 关的计算机控制系统(如直接数字控制系统， 分布式 控制系统和现场总线控制系统)不同的是，NCS 中 所有的实时性传感器和控制数据是通过网络传输 的，网络节点必须紧密协调工作来完成控制任务。 而直接数字控制系统中计算机是直接对过程进行 图 1 进入 21 世纪，信息技术的飞速发展实现了将 控制的，分布式控制系统中许多的实时性控制任务 (传感,计算,执行)是在各自的模块中完成的， 仅仅开 /关信号、监控信号、警报信号等这类信息是通过网
3
应用技术研究
要求很高，如果某些微小故障不能及时排出，将造 延时， 提出了延时估计和在线获得延时数据的 方法，建立了控制对象的数学模型，利用 z 变换来 处理延时，由等价关系产生残差，通过参数设计解 耦干扰向量，从而对 NCS 的控制故障进行了诊断， 并给出了仿真结果。
成巨大的灾难和损失。文献[14]中针对 NCS 的随机 网络控制系统作为一种新的研究课题， 从提出 至今已经取得了一定的成果，本文对此作了归纳与 总结。但作为一种新的事物，还有许多问题需要进 一步的研究和解决: NCS 作为一种新的控制系统结 构体现在其对最新计算机网络技术和通信技术的 改造和应用。
& (t ) = Ax(t ) + Bu (t − τ ) x y (t ) = Cx(t )
根据节点不同的工作方式， 可以得到不同的系 统离散时间模型。 吴迎年[5]等根据结点的不同的工 作方式，总结了 NCS 的多种离散化模型。 由于网络延时的存在， 使得网络控制系统的分 析变得复杂，尤其是当时延为随机情况时，此时系 统为一随机不确定系统，正是由于网络传输时间这
3
总结与展望
参考文献 [1] Ray A, Halevi Y. Integrated communication and control systems: Part1 analysis [J]. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 1988, 110(4): 367-373 [2] Raji R S. Smart networks for control [J]. IEEE Spectrum, 1994,31(6): 49-55 [3] Baruch J, Cox M. Remote control and robots: an internet solution [J]. Computing & Control Engineering Control.1996, 7:39-45 [4] Lian F,et al. Control performance study of a networked machining cell. Proceedings of the American Control Conference[C]. 2000,3:2337-2341 [5] 吴迎年，张建华，侯国莲，李泉.网络控制系统研究综述(II).现代电力.2003.6 [6] Goodwin C. Juan Carlo A. State estimation for systems having random measurement delays using errors in variables. The 15th Triennial World Congress.2002 [7] Beldiman O, Walsh G C. Predictors for networked control systems. Proceedings of ACC. 2000.4:2347-2351 [8] [9] Rogelio Yorke J L. A. Ray A. An Observe-based for one compomsators dimentional for distributed J of delays[J]. differential Automatica.1990.(7):189-202 Asysmptotic stability differential. equations.1970(7):189-198. [10] Hirai K. Satoh Y. Stability of a systems with variable time-delay[J], IEEE transations on AC,1980,25(3):552 -554 [11] Ray A Output feedback control under randomly varying distributed delays[J]. Measurement and control,1994, 17(4):701-711 [12]于之训,陈辉堂,王月娟 时延网络控制系统均方指数稳定的研究[J] 控制与决策,2000,15(3):278～281 [13]Nilsson J. Real-time control systems with delays. Lund institute of Technology,1998 [14] 郑英 , 方华京 , 谢林柏等 具有随机时延的网络化控制系统基于等价空间的故障诊断 [J] 信息与控 制,2003,32(2):155～159
τ ca1 … τ cam 为控制器到执行器的传输延迟。
应用技术研究
络来传输的。从网络结构上来说，NCS 和现场总线 控制系统并没有区别，都是总线网络，多个节点共 享信道传输实时或者非实时信息.但是从定义上看， FCS 着重点是节点之间实时或者非实时信息的传输 和共享，而 NCS 强调在串行实时总线上建立闭环 控制回路。从这一点上看，NCS 对于网络的实时性 要求更高，网络结构也更加分散化。NCS 中的控制 网络是一个大的范畴，包括了现场总线，但是不局 限于现场总线，还可以包括工业以太网、无线网络 等多种形式，这也是与网络技术的发展相适应的。
与传统的控制系统相比， NCS 由于系统结构 简化，设备与连线减少，提高了可靠性。但 NCS 通常为一总线设计方案，所有设备挂于总线上，如 果主干网受损，应考虑其对策。而且网络数据传输 过程中的误码现象也应加以考虑。各种设备的联网 为控制系统的安全提出了新的挑战，既包括设备的 安全性又包括信息的安全性。尤其是基于 Internet 工业控制以太网的出现和远程控制的应用，更需要 在这方面进行研究。 随着控制系统向大型化和网络化发展， 网络控 制系统的故障诊断和容错控制已成为一个新的研 究课题。在工程实现中， NCS 对安全性和可靠性
其缺点是将所有延迟都转化为最大延迟，人为地将 传输延迟扩大化，因此降低了系统应有的控制性 能。文献[9，10]中已经证明，对于具有随机传输延 迟的闭环控制系统，若按最大传输延迟来设计控制 器，则所得闭环控制系统不一定稳定。 2）随机控制设计方法 应用随机控制的方法关键在于对网络延时的 合理建模和估计，将网络延时作为系统中的随机变 量或随机过程，设计随机最优控制律。Ray 对随机 时变分布延迟下的输出反馈时延网络系统进行研 究，基于最小方差滤波器和动态规划原理，得到了 具有随机延迟补偿的 LQR 控制器，但不满足确定 性等价原理[11]。于之训对控制器是事件驱动的， 在 τ sck 第 k 步传感器到控制器之间的延迟未知的情 况下，基于动态规划和最优控制理论，得出了使系 统均方指数稳定的控制律[12]。 Nilsson 利用模型(3)， 即传感器采用时间驱动， 控制器和执行器采用事件驱动的工作方式。假设时 延的概率分布已知，且不超过一个采样周期，并利 用 Markov 链对时延的概率分布进行了建模，给出 了闭环网络系统的 LQG 随机最优控制律，该控制 律满足确定性等价原理[13]。 2.4 NCS 的可靠性与安全性
2.1
NCS 的数学模型
种随机时变性和不确定性更增加了 NCS 分析和设 计的难度。 2.2 NCS 中的状态估计
在 NCS 中，进行状态估计的主要作用是利用 带延迟的部分状态信息计算系统的全状态，这方面 的估计问题一般通过最优状态估计来完成。另外， 如图 4 所示，被控对象为连续时间对象，而控 制器为一数字类型的控制器，控制器输出通过一执 行器施加到被控对象上。 由于 NCS 中信息是通过网络传送的，而网络网络时延。对于带有时间 戳的数据，网络时延可以在线得到，此时的状态估 计可以用标准的卡尔曼滤波器来实现。如果延时本 身满足 Markov 模型，那么就可将此问题作为隐式 Markov 模型状态估计问题来解决。 Goodwin 讨论了传感器的测量值通过网络传 输到控制器的情况，测量值不带时间戳，即延时未