网络控制系统研究综述

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，而网络的可 用带宽是有限的。用状态估计得到系统的状态，可 以减少网络通信量，减小网络时延。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
& (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
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
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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 总结百度文库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。
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;
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，
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
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
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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。
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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。
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
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τ c 为控制量的计算
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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
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