网络控制系统（NetworkedControlSystems,NCS）,又称为网络化的控制系统，是一种全分布、网络化实时反馈控制系统。它是指某区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合，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。
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。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;其缺点是将所有延迟都转化为延迟,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。中已经证明,对于具有随机传输延迟的闭环控制系统,若按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(DCLQR),但不满足确定性等价原理。
于之训对控制器是事件驱动的,在τsck第k步传感器到控制器之间的延迟未知的情况下,基于动态规划和控制理论,得出了使系统均方指数稳定的控制律。
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Marcov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随机控制律,该控制律满足确定性等价原理。WeiZhen针对网络时延分布未知的情况,改进了Nilsson的LQG控制律,提出时延在线估计方法———平均时延窗口(ADW,AverageDelaysWindow)方法。该方法无需网络时钟同步和延时补偿,即可获得延时信息。并在10kbitPs的CAN总线上进行了实验研究。
WeiZhang针对网络控制系统中普遍存在的通讯延迟问题,对于控制器是时间驱动的,利用在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区的方法,提出了一种延迟补偿器结构,该结构可同时实现对噪声的滤波处理。
于之训针对控制网络中的随机传输延迟,提出控制器节点采用事件驱动的方式,同时在传感器和控制器节点发送端设置发送缓冲区,以确保信息按产生的时间先后依次到达接收端,采用这种控制模式,利用传输延迟的Markov特性,得到了具有多步随机传输延迟的网络控制系统的数学模型。并得到了满足给定二次型性能指标的控制律的解析表达式,成功地解决了原来事件驱动模式下对这类网络控制系统无法获取其解析随机控制律的难题。
Feng2LiLian针对MIMO网络控制系统进行了时延分析和建模,并设计了控制器。
③智能控制设计方法控制和智能控制对于解决变化的问题和情况有较好的适应能力,因此可以用智能控制和先进控制策略解决时延不确定和时延补偿问题,以提高系统的鲁棒性。KyungChang针对基于Profibus2DP的网络控制系统,在考虑传输迟延的基础上,设计了基于遗传算法(GeneticAlgorithm)对PID参数进行整定的控制器,并对马达的控制进行了实验研究。
SukLee利用模糊(Fuzzy)控制鲁棒性较好的特性,设计了基于模糊逻辑的控制器,并与传统的PID控制器和时延补偿PID控制器进行了比较,说明了模糊控制的效果优于传统控制方法。
Almutairi研究了基于IP网络的控制系统,利用对网络延时的补偿来提高系统的性能。首先利用Fuzzy理论设计了模糊补偿器,直接对PI控制器的参数进行整定,并给出了离线和在线的整定算法。进一步又考虑对模糊规则参数的自适应调整,并对马达进行了仿真实验。
任长清对基于互联网的液压远程控制进行了研究,为了解决不确定性变化的网络延时对系统性能的影响,在系统中设计了补偿器结构解决网络延时问题,同时采用延时预测算法解决网络延时不确定性变化的问题,以改善系统的动态性能和保持系统的稳定性。
王晓峰研究了基于TCPPIP网络的远程伺服控制系统,提出的动态模糊控制器可按网络中不断变化的传输延时,根据参数库不断调整其控制参数,使系统保持稳定并使输出达到一定的性能指标要求[19]。④鲁棒控制设计方法鲁棒控制理论是针对实际工程中模型不确定性发展起来的,因此对于此类问题可以直接应用鲁棒控制器的设计方法来解决。
采用该方法的关键是要将时延环节转化为系统的一个不确定块,同时可以考虑被控对象本身的不确定性,然后针对转化后的系统设计鲁棒控制器,这样设计出的控制器能同时保证NCS的鲁棒稳定性和鲁棒性能指标,该性能指标是确定性的性能指标,而不是概率意义上的性能指标。
由于NCS实际为采样控制系统,所以其等价模型为离散形式的,要使用采样系统鲁棒控制器的设计理论。当然,在系统的采样时间远小于系统的时间常数的情况下,可以近似地将整个采样系统看作是一个准连续系统,这样做得出的结果可能比较保守。
于之训等将H∞和μ综合的方法引入控制器的设计,文中给出了将传输延迟的不确定性转化为不确定块的等价框图,并用MATLAB的μ分析和综合工具箱设计了鲁棒控制器,使得闭环系统具有较好的抗干扰能力。
从目前的研究情况看,分析和设计网络控制器逐渐由单变量到多变量、由确定到随机、由经典控制理论到智能控制理论和控制算法发展。但这仅仅是个开端,到目前为止还没有一套系统的方法用于分析、建模、设计整个网络控制系统,而且网络控制系统的体系结构也还在不断发生变化,目前的方法基本上集中在网络时延不超过一个采样周期的情况,而对其他情况的研究还有待深入。
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。
在工程实现中,NCS对安全性和可靠性要求很高,如果某些微小故障不能及时排出,将造成巨大的灾难和损失。针对NCS的随机延时,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。
NCS作为一个包括网络与控制的整体,其性能既包括网络性能又包括控制性能,但最终的目的是优化和提高整个NCS的性能。
1、协同考虑控制与调度
NCS是有网络和控制组成的控制系统,其闭环性能不仅依赖于控制算法的设计,还依赖于对网络资源的调度。大多数研究集中于两个方面[22]:通信协议和控制器的设计。合适的传输协议可以保证网络的服务质量(QoS,QualityofService),而先进控制器设计是为了保证控制的品质(QoP,QualityofPerformance)。由于网络和控制的内在联系,在NCS中,有必要同时考虑网络和控制的参数,以保证网络的QoS和控制的QoP。同时也应该看到,即使能达到网络的QoS,也不一定能保证控制的QoP。综合这两个方面,设计智能型的可同时优化网络调度和控制器参数的算法,目前还不多见。
图是采样时间对连续、数字和网络控制系统的性能影响的曲线。
图连续、数字和网络控制系统的性能比较
从图中可以看出,数字控制系统的性能随着采样时间的减小逐渐提高;而对于网络控制系统而言,则是在一定的采样时间(B点以前)内,性能逐渐提高,在B和C之间,达到较为理想的性能,但随着采样时间的减小,并未像数字控制系统一样继续提高,而是呈下降趋势。这主要是因为网络控制系统带宽的限制导致的,随着采样时间的减小,更多更频繁的数据传输导致网络QoS的降低,从而影响了控制的效果。文献[23]中讨论了采样时间和网络带宽对系统稳定性和性能的影响,并给出了选取原则。
同时指出NCS性能的提高可分为两部分。首先是尽可能减少设备处理时间以及改进网络协议以进一步保证传输时间的确定性并减少传输延迟。其他提高系统性能的方法有采用先进控制或鲁棒控制器的设计,这些都能克服NCS系统的不确定性并取得最好的控制效果。这些改进可使网络控制系统的性能曲线优于数字控制。
2、并行计算在NCS中的应用
先进控制因其具有许多优异的性能,越来越多的受到人们的重视。但由于先进控制算法中存在大量的矩阵和迭代等大规模运算,使得计算量大大增加,势必导致算法的执行时间增加,常导致在一个采样周期内不能完成,使得无法满足实时控制的要求。
计算需求是并行处理技术发展的动力,而控制系统中更多的应用先进和智能控制策略,存在大量费时的计算密集问题,将并行计算技术应用到控制系统中,可以解决控制算法过于复杂而难以具体在工业现场应用的问题。
并行计算需要多处理器协同工作和相互通信,网络控制系统的出现无疑为此提供了必要的软硬件环境。如何在NCS中应用并行计算以获得理想的先进控制效果是值得研究的。应用先进控制并行计算技术的难点之一是如何设计适合于控制系统的并行算法,因为在传统计算机控制系统中,控制算法都是工作在单处理器上的,是串行算法。如果要采用并行计算,就要重新设计控制算法使之适合于并行计算,充分发挥并行计算的优势。
中总结了并行计算技术在控制领域应用的现状,提出了在网络控制系统中直接使用并行计算技术以缩短控制算法的执行时间、提高控制器的性能的新思路；比较了当今流行的并行计算机之一———工作站集群(NoW,NetworkofWorksta2tion)与现代控制系统在结构上的相似之处,得出可以在现代控制系统中实现并行计算的结论。