摘要：網絡控制系統在工業控制領域應用廣泛，網絡控制系統在給人類帶來諸多進步的同時，也給控制領域的發展帶來很多新的挑戰，本文在對基于時延的網絡控制系統進行簡單介紹后，又針對不同系統的時延進行分析。時延是網絡控制系統中的一個主要問題，研究人員們應該加大在這方面的研究力度，讓網絡控制系統更好地造福人類。本文選自：《中國科技產業》雜志由國家科技部主管，科技部火炬高技術產業開發中心主辦 , 面向海內外公開發行，由溫家寶總理題寫刊名，國務院原副秘書長徐志堅同志擔任主編，科技部原秘書長、國務院參事石定環任副主編，是一份政策指導性和學術性強、理論與實踐密切結合的中央級優秀月刊，是自主創新與建設創新型國家的重要參考資料。

　　《中國科技產業》　主辦： 科技部火炬高技術產業開發中心中國產學研合作促進會，周期： 月刊，出版地：北京市，語種： 中文，開本： 大16開，國際刊號：ISSN1002-0608，國內刊號：CN11-2502/N，郵發代號：82-442，復合影響因子：0.422，綜合影響因子：0.260

　　1 引言

　　近年來，越來越多的學者將研究目光放在了網絡控制系統身上，創造了許多優秀的成果。網絡控制系統通常理解為是對網絡的控制，或者是通過網絡傳輸的信號控制系統。這兩種理解方式都有控制和網絡，但二者的主次觀點不一致。對網絡的控制是指對網絡本身的控制，可以通過運籌學和控制理論來實現對網絡路由、網絡數據流量等的調控。網絡本身可以進行遠程的數據傳輸和交叉操作，網絡技術憑借節約成本，便于維護、布線簡單化等優勢被大量應用于工業自動化、遠程教學和培訓、智能汽車、航空航天等領域。在上述的應用過程中，網絡控制系統會出現時延、數據包丟失等問題，而時延對網絡控制系統的影響是最大的，所以基于實驗的網絡控制系統穩定性的分析影響深遠。

　　2 網絡控制系統存在的問題

　　網絡控制與傳統的點對點直接控制系統相對照，它們的區別在于網絡控制系統的各個節點是通過有線網絡或者無線網絡進行數據交換和信息控制，最后在網絡作用下向執行器各節點發送控制信息。網絡的引入，自然會帶來一些問題，包括網絡時延、數據包丟失、數據包排序混亂、時鐘同步、網絡調度。

　　2.1 網絡時延

　　它是網絡控制系統的關鍵問題。時延通常是周期性的、定性的。然而采用隨機訪問機制的以太網，網絡時延有很大的不確定性。網絡節點往往需要競爭網絡資源，而競爭一旦失敗就要在一定的隨機等待滯后才可重新競爭，這樣的隨機等待也就構成了網絡時延，即使是采用減緩記得存儲轉發機制和訪問端口沖突、交換式以太網也不能避免網絡時延的產生。我們可以通過對網絡時延的產生原進行研究，進而總結出網絡時延對控制系統性能的影響。

　　2.2 數據包丟失

　　主要會在三種情況下發生數據包丟失：(1)在網絡信號傳輸過程中，由于網絡堵塞和連接中斷會造成數據包丟失;(2)節點在規定的時間沒能成功發送數據，因為節點間競爭數據發送權也是需要時間的;(3)數據在傳輸過程中可能被錯誤傳輸，而相對應的節點在規定的時間內也未能成功重新發送數據。

　　2.3 數據包排序混亂

　　一般發生在具有路由、網關等中轉環節的較長的時延網絡控制系統中。路由器在傳輸數據過程中節點發送的數據包會經過不同的路徑達到目標節點，再加上中轉環節等待時間的不同都會導致數據包排序混亂。

　　2.4 時鐘同步

　　時鐘同步通常分為硬件同步和軟件同步。當網絡運動控制系統中有驅動時，便會發生時鐘同步問題。

　　2.5 網絡調度

　　文中所指的網絡調度常是發生在網絡用戶層，是通過控制網絡節點發送數據的順序和發送時間來避免網絡堵塞和中斷現象的發生。它關注的是網絡中傳輸數據的速度和被傳出數據的優先權。

　　3 基于時延的不同控制系統穩定性的分析

　　因為網絡的存在，時系統信息存在時延，導致出現采樣空置和采樣過多。為解決此類問題，人們常常在發生采樣空置之前利用他的前一個時段的控制信息，發生采樣過多時一般使使用最新數據將就得信息丟掉。但是長此以往，多會發生數據包的丟失，也就是說在上述采樣空置和采樣過多時數據包只是滯后了一段時間出現。由于時延隨機波動性比較大，造成了較高的數據丟包率，而為還存在傳輸數據的秩序混亂問題。為此研究人員做了大量的工作，找到了很多解決問題的辦法，例如Smith預估補償控制、監督控制等。

　　3.1 基于廣義預測控制算法的網絡控制系統的穩定性分析

　　3.1.1基于廣義預測控制算法的網絡控制系統的穩定性

　　假如在一定的網絡控制結構圖中，輸出信息和控制信息在閉環控制系統中按照一定的傳遞時序進行，若在一定的時間沒有任何控制量到達控制器則就會發生采樣空置，這樣控制器在一個采樣周期內沒法算出新的控制量;而在一定的情況下，控制量可能會晚些到達控制器，從而發生了時序混亂，所以控制器怎樣選取輸入值來計算控制量是一個值得研究的問題，如果不研究出相應的解決措施，網絡時延的隨機性將會對控制系統的性能在成嚴重損壞。

　　3.1.2基于廣義預測控制算法的網絡控制系統穩定設計

　　網絡時延使原本能及時到達控制器的對象信息和控制量滯后一定時間到達執行器或者發生數據包的丟失。因為時延，系統的前向通道和反饋通道不能正常進行。前向通道的時延是指在一定的時間內沒有任何控制信息到達控制器，反饋通道是指在一定時間內沒有負面反饋，易使系統發散。廣義預測控制算法在計算過程中能對未來多個采樣時刻系統輸出進行預測，借助這種預估控制量來降低網絡時延對控制量到達時間的影響。廣義預測控制在被控對象的發送端設立了一個緩沖區，在緩沖區中按照一定時間間隔進行自動更新排列，在控制器節點借助GPC來完成控質量的計算，在執行器節點單獨設置一個網絡時延補償器來應對控制量隨機到達引起的系統性能下降問題，這樣的設計做到了完全處理隨機時延問題。

　　3.2 基于動態矩陣控制算法的網絡控制系統的穩定性分析

　　傳統的網絡控制系統研究往往忽略時延的影響設計控制器，采用狀態估計對時延進行補償，這樣的控制器在設計是具有相當大的保守性，而模型控制預測是美國和法國的幾家公司在20世紀70年代左右提出的一種新型控制算法，在石油和航空等領域發展迅速。本設計是在網絡控制系統中使用動態矩陣進行控制，對時延進行建模和時序分析，再應用動態矩陣對模型進行分析。

　　(1)動態矩陣控制算法

　　通過工業過程得到的對象階躍影響，將他們在采樣時候的數值當做描述對象動態特征的信息，建成了預測模型。因為階躍模型的影響，動態矩陣控制算法只針對逐漸穩定的對象。該模型通常由三部分組成：1)預測模型——依照歷史信息和未來輸入，來預測未來一個有限時間段的輸出值，它是對系統動態特征的提前描述;

　　2)滾動優化——模型預測控制是通過某一個性能指標的最優來推斷出將來的控制作用，該性能指標牽涉到系統未來的行為，隨著時間的發展而在線優化，它是一種優化控制算法;3)反饋校正。指在預測控制過程中每一步驟都要檢測真實輸出和預測值的偏差，進而校正模型預測的不準確性，最后進行優化。

　　(2) 基于動態矩陣控制算法的網絡控制系統穩定性設計

　　標準的動態矩陣控制算法通常取控制序列中的首個數據作為當前控制周期的控制增量，然而控制器每次只能發送首個控制量，并且該控制量都比較小，一旦時延推遲了控制量的更新，就會導致該小增量控制信號的實際作用時間被加長，進而造成控制系統響應過程緩慢。通過建立考慮時延在內的控制系統的模型并從控制時序方面進行分析，采用系統時延空間模型來確定預測輸出量，有效解決了從傳感器到控制器的時延。