孫嘉航

摘 要：文章指出，當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)控制這一課題已經(jīng)逐漸成為學(xué)術(shù)界研究的一個重點(diǎn)問題，為使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時鐘不同步問題得到解決，可以采取基于預(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償策略對系統(tǒng)時延進(jìn)行補(bǔ)償。而通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，該策略的實(shí)施能夠使網(wǎng)絡(luò)時延得到精確補(bǔ)償，并且能夠使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能得到有效改善，因此可以在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：預(yù)測控制；網(wǎng)絡(luò)時延；補(bǔ)償策略

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)信息交換的實(shí)現(xiàn)需要通過各節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行共享。而在這一過程中，系統(tǒng)將不可避免的出現(xiàn)時延問題，以至于將導(dǎo)致系統(tǒng)性能受到影響。因此，有必要對基于預(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償策略展開研究，從而更好地提高網(wǎng)絡(luò)的使用性能。

1 網(wǎng)絡(luò)時延與預(yù)測控制分析

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，控制器、被控對象和驅(qū)動器將利用公共的網(wǎng)絡(luò)平臺連接，所以信息資源能夠在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有效共享。但是，受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中比較容易出現(xiàn)資源競爭和網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)延遲。這種現(xiàn)象被稱為網(wǎng)絡(luò)時延，會對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不良的影響。而預(yù)測控制是一種計算機(jī)閉環(huán)控制算法，可以通過將實(shí)際反饋信息反復(fù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)在線的滾動優(yōu)化計算，所以不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型就能夠取得良好的綜合控制效果。使用該種控制算法，可以對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的不確定性影響進(jìn)行估計，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校正，在網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償方面具有較好的魯棒性。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是由被控對象、控制器、傳感器和執(zhí)行器所構(gòu)成的，是以控制網(wǎng)絡(luò)為核心樞紐，對控制器和系統(tǒng)等組成部分進(jìn)行連接和網(wǎng)絡(luò)傳輸，具體如圖1所示，對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的基本問題，主要包含以下幾個方面。

第一部分：單包傳輸和多包傳輸。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)同其他傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別就在于，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行信息的傳輸，其中，網(wǎng)絡(luò)傳輸中的數(shù)據(jù)包傳輸，又被劃分為單包傳輸和多包傳輸。

第二部分：網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延。因在反饋回路中引入了控制網(wǎng)絡(luò)，所以使信息在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生一定的時延，將這一現(xiàn)象稱之為網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延，這一問題也是整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中需要解決的主要問題之一。

第三部分：數(shù)據(jù)包丟失。數(shù)據(jù)包丟失的產(chǎn)生原因是多方面的，例如網(wǎng)絡(luò)阻塞現(xiàn)象、連接中斷，以及節(jié)點(diǎn)競爭數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)失敗等，都可能造成數(shù)據(jù)包的丟失。

第四部分：網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。所謂調(diào)度是指確定各系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的先后順序、發(fā)送的時間以及時間間隔等。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度是網(wǎng)絡(luò)用戶層、網(wǎng)絡(luò)傳輸上層的必要環(huán)節(jié)，其主要目的在于盡可能的避免網(wǎng)絡(luò)沖突及阻塞現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 基于預(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償策略

2.1 研究假設(shè)

針對基于預(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償問題的研究，可以先假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中帶有時戳的數(shù)據(jù)都采用單包傳輸方式，并且對控制器的計算時延進(jìn)行忽略。在此基礎(chǔ)上，需要假設(shè)反饋時延和前向時延均有界，并且前向網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中連續(xù)丟包數(shù)不大于時延的最大值。此外，需要假設(shè)系統(tǒng)執(zhí)行器和控制器都需要利用相同周期的時間驅(qū)動，并且使用事件—時間驅(qū)動器進(jìn)行控制器的驅(qū)動。而正常的情況下，使用該方式進(jìn)行控制器驅(qū)動，需要立刻對其接收到的傳感數(shù)據(jù)執(zhí)行控制算法[1]。在反饋時延超出界限的情況下，需要使用時鐘驅(qū)動方式進(jìn)行控制器的驅(qū)動，并且利用自動運(yùn)行控制算法進(jìn)行控制量的輸出，從而使數(shù)據(jù)包丟失的問題得到解決。最后，需假設(shè)反饋時延是可以測量的，并且可以利用在線估計技術(shù)進(jìn)行反饋時延的獲取。

2.2 預(yù)測控制器設(shè)計

在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的預(yù)測控制器時，需要在控制器節(jié)點(diǎn)引入GPC算法，并且進(jìn)行緩沖區(qū)的設(shè)置。同時，也需要在執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩沖區(qū)的設(shè)置，從而使數(shù)據(jù)包在到達(dá)緩沖區(qū)時按照時間戳實(shí)現(xiàn)排序的自動更新，以便使時序錯亂問題得到較好的解決。從結(jié)構(gòu)上來看，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器由預(yù)測控制產(chǎn)生器和網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償器構(gòu)成。其中，控制產(chǎn)生器主要用于進(jìn)行未來控制信號的生產(chǎn)，時延補(bǔ)償器用于補(bǔ)償未知網(wǎng)絡(luò)的延遲。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，被控制對象的控制量將受到執(zhí)行器的選擇作用。在此基礎(chǔ)上，這些控制量將與傳感器采集的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)一同大包，然后利用網(wǎng)絡(luò)傳遞給控制器[2]。根據(jù)控制器參數(shù)，控制器將完成數(shù)據(jù)的識別，并且解決被控對象模型參數(shù)不時變化的問題，繼而更好地完成網(wǎng)絡(luò)時延的自適應(yīng)控制。

2.3 網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償策略

在對網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行補(bǔ)償時，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況采取相應(yīng)的補(bǔ)償策略。首先，在網(wǎng)絡(luò)不受影響的條件下，需要進(jìn)行保證系統(tǒng)性能需求的控制器的設(shè)計。其次，基于系統(tǒng)歷史輸出信號，并且根據(jù)控制器輸入信號和參考輸入信號，需要建立相應(yīng)的輸出預(yù)估器，從而對系統(tǒng)未來輸出控制信號進(jìn)行預(yù)測。再者，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時延控制器的設(shè)計，需要對預(yù)測控制產(chǎn)生器的輸出序列進(jìn)行計算。在這一過程中，需要將序列劃分成時延產(chǎn)生的前一時刻的控制序列和時延產(chǎn)生后一時刻的預(yù)測控制序列[3]。而在時鐘驅(qū)動下，還要將預(yù)測控制產(chǎn)生器的輸出序列傳遞給被控對象端，并且打包輸送給網(wǎng)絡(luò)延遲補(bǔ)償器。最后，需要利用補(bǔ)償策略從被控對象網(wǎng)絡(luò)延時補(bǔ)償器中進(jìn)行最新控制值的選擇，并且將其當(dāng)成是輸入信號輸入執(zhí)行器。在這一階段，需要對補(bǔ)償器同時接到多個數(shù)據(jù)包和補(bǔ)償器在控制周期內(nèi)無法接收數(shù)據(jù)包的情況進(jìn)行分別考慮，從而合理進(jìn)行控制補(bǔ)償器的選擇。

2.4 策略的仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了對基于預(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償策略展開研究，可以使用MATLAB工具箱構(gòu)造一個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并且在不考慮網(wǎng)絡(luò)時延的情況下進(jìn)行控制器的設(shè)計，然后在不改變PI參數(shù)的情況下運(yùn)用補(bǔ)償策略進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償。而網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可設(shè)為10M/S，系統(tǒng)為時鐘驅(qū)動。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)時延增大的情況下，系統(tǒng)振動將逐漸加劇，系統(tǒng)性能則逐漸下降。使用預(yù)測控制策略，可以在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時延大于1個采樣周期時實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的有效補(bǔ)償，并且使系統(tǒng)性能與無網(wǎng)絡(luò)時延條件下基本相同，所以該預(yù)測控制器具有良好的補(bǔ)償效果。

3 結(jié)語

總而言之，在現(xiàn)實(shí)生活中，網(wǎng)絡(luò)時延幾乎是不可避免的一種現(xiàn)象。而使用預(yù)測控制理論進(jìn)行預(yù)測控制器的設(shè)計，從而采取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償策略進(jìn)行系統(tǒng)時延補(bǔ)償，則能使網(wǎng)絡(luò)性能得到有效改善。因此，本文對基于預(yù)測控制的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償策略展開的研究，可為相關(guān)工作的開展提供指導(dǎo)。

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Research on the Network Time Delay Compensation Strategy Based on Predictive Control

Sun Jiahang

（ 91336 Units， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： The article points out that at present， the network control this subject has increasingly become a focus problem of the academic research， in order to make the clock out of sync problems in networked control systems is resolved， you can take the network time delay compensation strategy based on predictive control of system time delay compensation. And through the simulation analysis can be found that the implementation of the strategy can be made precise compensation network time delay， and and can improves the performance of the network control system to improve， so it can be applied in networked control systems.

Key words： predictive control； the network time delay； the compensation strategy