时延网络控制系统的研究综述

太网技术的成熟应用和性能造价比的不断 提 高 , 网 络 控 制 系 统 (Networked Control Systems，NCS)以其资源共享、系统分布控 制、硬件连线较少、造价低、维护方便等优 势，迅速应用于电力、交通、机器人、航空 航天等各种系统和远程控制领域。 由于反馈 控制回路中通信网络的存在,使得传统的控 制理论必须重新评估后才能应用到 NCS 中, 因为传统控制理论的理想假设条件,如同步
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引 言
近年来随着现场总线控制技术、 工业以 控制、无延时传感和调节等,已经不再适用 于网络控制系统。在网络控制系统中,控制 器和远地控制对象的传感器和执行器等设 备间通过网络进行信息交换时， 由于源自多 个设备的信息流量变化不规则， 信息多包传 输、多路径传输、数据包碰撞、网络拥塞、 包时序错乱、包丢失、包重传、连接中断等 原因，信息传输时间延迟(时延)不可避免， 这种由网络引起的时延根据控制网络的不 同,可能是恒定的,时变的,甚至是随机不确
角度介绍了当前的研究状况。 从控制和通讯网络两方面出发,对目前关于延时问题的研究结果进行了详细的 论述和总结; 通过系统地分析和对比，指出现有理论成果中存在的问题和不足; 最后，指出该领域今后的 主要任务和发展方向。 关键词: 网络化控制系统; 时延; 通讯网络; 协同设计
Survey on Research of Time Delay Network Control System
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 该控制器不满足确定性等价原理。H.Chan
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控
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制
与
决
策
第1期
和 U．Ozguner
提出了一种具有发送队列
延进行预测计算， 以便补偿器能较好地跟随 时延的变化。 目前主要采用的时延预测算法 有： (1)滑动窗口平均值预测法。通过滑动 窗口来获取距离要预测时刻最近的一段时 间肉的延时历史信息，在预测开始之前，首 先由当前的网络状况确定滑动窗口宽度 n。 预测 k 时刻时延的时候， 选取 k-l， k-2…k-n 时刻接收到的实际网络时延的平均值作为 预测值。 (2)推理规则表预测法。尽管 NCS 中时 延是没有规律的，但从总体上看，时延是分 布在一个时间区域内的。因此，可以通过分 析历史时延信息， 给出时延信息的总体分布 规则表，按照分布规则预测时延状况。 (3)神经网络预测法。由于神经网络的 非线性辨识能力、自适应和自学习机能，近 年来在时延预测中得到了较为广泛地应用。 文献针对网络时延变化的不同情况， 提出了 利用线性神经网络和 RBF 径向基函数网络技 术对时延进行了预测比较， 得出了各自在时 延预测中的适用条件。 (4)平均时延窗口预测法。通过建立网 络连接， 使控制器能获得传感器采样周期 h， 作为 k 对的估计；通过预先在连接过程中
sc
的 NCS 结构， 该结构考虑了时延可能会超过 一个采样周期的情况， 在发送的传感器信息 后面附加了发送队列的长度信息， 使控制器 可对接收信息的产生时刻做出较为准确地 判定， 从而可以估计当前时刻的被控对象的 状态。 Nilsson 根据传感器采用时钟驱动，控 制器和执行器采用事件驱动的网络控制系 统模型，假设时延的械率分布已知，且不超 过一个采样周期， 并利用马尔可夫模型对时 延的概率分布进行了建模，给出了 NCS 的 LQG 随机最优控制律，该控制律满足确定性 等价原理。 魏震针对网络时延分布未知的情况， 改 进了 Nilsson 的 LQG 控制律， 提出了平均时 延窗口的在线估计方法， 该方法不需要网络 时钟同步和时延补偿。在此基础上，运用最 优控制设计了网络控制器。 Feng Dong-Mei
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网络控制系统的时延分析
在网络控制系统中， 时延是普遍存在的
1.1 网络时延产生的原因
现象。它来源于控制对象本身的时滞，控制 算法的复杂程度， 数据转换和传输以及外界 干扰等。在实时网络控制系统中，时延可以 分为控制算法时延和网络诱导时延两大类， 由于控制算法时延是如传感器、 控制器和执 行器完成自身功能所用的时间， 在实际情况 中相对采样周期较小并可以忽略， 所以在网 络控制系统中主要存在的是网络诱导时延。 产生网络诱导时延主要可能由以下三 点因素构成: 1)数据包排队等待时延。 当网络忙或发 生数据包碰撞时， 等待网络空闲所用的等待 时间。 2)信息产生时延。 发送端待发送信息封 装成数据包并进入排队队列所需时间。 3)传输时延。 数据包在实际传输媒体上 传输所需时间，其大小取决于数据包的大 小、网络带宽和传输距离。 以上三种时延构成了网络诱导时延的 主要部分。在网络环境下，多用户共享通讯 线路且流量变化不规则，所以，当 NCS 的 传感器、 控制器和执行器之间通过网络传递 信息、 网络交换数据时必然会导致网络诱导 时延，在经过路由器时还有排队等待时延， 以及不同网段间传输时延等。另外，有些网 络协议在发生数据包丢失或出错时允许重 发数据包，这又扩大了数据传输时延,在调
第1卷 第1期 VOL.1 No.1
控 制 与 决 策 Control and Decision
2015 年 6 月 2015.06
时延网络控制系统的研究综述
朱凯歌 1
（1.西北工业大学 自动化学院，西安 2014261623）
摘
要: 本文对网络控制系统中的时延分析进行了研究，从时延的产生机理，时延的种类以及解决措施等
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决时延问题：一是从网络的角度出发，设计 一种通信协议或调度算法， 以减小网络时延 对控制系统的影响； 另一个是从控制的角度 出发，在现有的网络结构和协议的基础上， 设计控制系统的结构、控制算法等，来补偿 或减少网络时延对控制系统的不良影响。 当 然， 有时候仅仅从网络的角度或者仅仅从控 制的角度出发可能还不能很好地解决时延 问题， 而是需要将两者结合起来考虑以取得 更好的效果。 2.1 网络角度 由于时延的产生与网络资源直接相关， 因此对 NCS 进行实时调度就显得非常重要， 采用合适的调度算法来减少时延也就成为 顺理成章的方法， 不少文献中已经出现了各 种调度算法。 当网络通讯遇到的流量超过其所能处 理的限度时， 文献提出在通讯协议中利用拥 塞控制和回避算法等方法来获得系统更好
kc kcf kcs
cf cs
（4）
其中 k 和 k 分别是指控制器开始计
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控
制
与
决
策
第1期
算的时刻和计算完成得到控制信号的时刻。 一般的 NCS 系统结构如图 1 所示。
的控制性能。 Walsh
1
提 出 了 TOD (Try -Once
-Discard)控制网络协议。该协议使周期性 执行器 被控对象 传感器 数据在传输过程中仅发送一次， 如果传输失 败则丢弃当前数据， 从而降低了网络拥塞发 生的可能，减少了平均传输时延。Orhan
2

ca k

控制器
Cagri Imer
sc k
等提出了一种新颖的 ABR 拥塞
控制算法， 该算法能够自动适应网络状况的 变化，并且Baidu Nhomakorabea于网络时延具有鲁棒性。 万仁君
3
设计了一种基于时间窗口的
NCS 调度算法。该调度算法从控制系统稳定
图 1 时延网络控制系统
性能角度出发， 利用控制环的最大允许环延 时确定控制环的采样周期， 同时基于时间窗
c sc ca
适当的软硬件设计来减小， 因此在大多数分 析中 k 可以忽略不计。
c
1）传感器到控制器的时延
ksc : 当一
个传感器给控制器发送测量值时， 就产生该 延时。在 k 时刻可以表示为:
ksc kcs kss
sc k ss k
（2）
1）其中 和 分别是传感器开始采 样的时刻和控制器开始运算的时刻。 2)控制器到执行器的时延 k : 该延时
Kaige Zhu1
(1.Shcool of Northwestern Polytechnical University ，xi’an , 2014261623，China) Abstract: In this paper,time-delay analysis of NCS is studied.It introduces the current situation of time-delay analysis from the perspective of the mechanism resulting in time-delay,solving method and the kinds.Then,starting from the two aspects of control and communication network ， the result of the current research of time delay problem are discussed and summarized;Through systematic analysis and comparison ， points out the problems existing in the existing theoretical results and shortcomings;Finally， it is pointed out that the main task of the future in this field and developing direction. Key words: Networked control systems; time-delay; Communication network; Collaborative design
2
时延的解决措施
当前理论界主要从两个方面着手来解
口得出控制环中各个节点的起始传输时刻， 最终确定了系统静态调度表的结构。 2.2 控制角度 从控制角度进行时延补偿， 通常有两种 方法： 确定性控制设计方法和随机控制设计 方法。采用确定性控制设计方法时，往往都 是将随机时延转化为固定时延， 这样虽然能 很好的解决时延的不确定性问题， 但同时也 人为增大了时延， 降低了系统应有的控制性 能。 随机控制设计方法的关键地方在于能够 合理地对时延进行建模和预测， 将时延作为 系统中的随机变量，设计随机最优控制律。 根据不同的时延状况，随机或时变的延迟， 要建立合理的模型和比较准确地预测时延 的变化，具有非常大的难度。 2.2.1 随机控制设计方法 早期研究中．Asok Ray
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控
制
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决
策
第1期
定的。时延会降低系统的性能,使系统 的稳定范围变窄,甚至使系统不稳定。时延 对控制系统的性能有重大影响,在 NCS 的分 析和设计中是不可忽略的重要因素。
度网络中， 当节点在等待令牌或时间槽时也 会产生网络诱导时延， 其会降低系统的性能 甚至引起系统不稳定。 1.2 网络时延的组成 NCS 研究的核心问题是如何有效处理 网络引起的时延。从时延产生的过程来看， 系统中的总时延 τk 可以分为三个部分:
ca
在控制器发送控制信号给执行器的过程中 产生。可以定义为:
kca kas kcf
其中
as k
（3） 分别是执行器收到控制
和
cf k
信号并且开始执行的时刻和控制器运算完 成得到控制信号的时刻。 3) 控制器执行运算产生的时延 k : 该
c
时延指的是控制器开始计算到计算完成得 到控制信号这段时间，可以由下式定义:
k ksc kc kca
（1）
式中，k 表示第 k 个采样周期，τk 是传感器发出测量信号到执行器接收到控 制信号之间的总时延， k 为传感器到控制
sc
器的时延， k 为控制器的计算时延， k 为
c ca
控制器到执行器的时延。 k 是随机的， 但实
c
际上 k 比 k 、 k 小很多，而且可以通过
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改进了自适应 Smith
预测控制方法， 用模糊神经网络控制器代替 了惯常使用的 PID 控制器。 但该 Smith 预报 器却使用了一个未经证明的标识算法来确 定时变参数。 Oguchi 设计了一个用于解决时变延迟、 数据包丢失和数据包传输无序的补偿器。 该 补偿器包括一个基于模型的状态预报器， 一 个输入缓冲，并采用了带有时间戳的数据。 通过这种方法将非线性系统转化为了一个 带有固定时延的线性系统。 2.2.2 时延预测算法