时延网络控制系统的研究综述

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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
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
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
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
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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
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，并且对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
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
2
控
制
与
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:
1
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
kc kcf kcs
cf cs
（4）
其中 k 和 k 分别是指控制器开始计
3
控
பைடு நூலகம்
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
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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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
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:
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