1 引言

　　網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)NCS（Networked Control Systems）,又稱集成通訊與控制系統(tǒng) ICCS（Integrated Communication and Control System），最早可見于Ray A.等人發(fā)表的論文中。一般認為ICCS是一種全分布式、網(wǎng)絡化實時反饋控制系統(tǒng)，是將控制系統(tǒng)的傳感器、控制器、執(zhí)行器等單元通過通訊網(wǎng)絡連接起來形成閉環(huán)的分布式控制系統(tǒng)。其涵蓋了兩方面的內(nèi)容：系統(tǒng)節(jié)點的分布化和控制回路的網(wǎng)絡化。這種網(wǎng)絡化的控制模式具有信息資源能夠共享、連接線數(shù)大大減少、易于擴展、易于維護等優(yōu)點，但由于網(wǎng)絡中的信息源很多，信息的傳送藥分時占用網(wǎng)絡通訊資源，而網(wǎng)絡的承載能力和通訊帶寬有限，必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生，使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中不可避免地存在時延。時延由于受到網(wǎng)絡所采用的通訊協(xié)議、負載狀況、網(wǎng)絡速率以及數(shù)據(jù)包大小等情況到影響，呈現(xiàn)出或固定或隨機，或有界或無界的特征，從而導致控制系統(tǒng)性能下降甚至不穩(wěn)定，也給控制系統(tǒng)的分析和設計帶來困難。網(wǎng)絡給NCS帶來的主要問題包括：時延采樣時刻和執(zhí)行器響應時刻間出現(xiàn)了不可忽略的滯后;在某時間間隔內(nèi)存在于時間相關的抖動;由于數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中傳輸發(fā)生丟失或沖突，導致時延增大甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制律器的設計，而且受到網(wǎng)絡通訊和網(wǎng)路資源的限制。信息調(diào)度應盡可能避免網(wǎng)絡中信息的沖突和擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，從而大大提高網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的服務性能。大量的國內(nèi)外文獻從不同角度對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的分析和設計以及信息調(diào)度等方面進行了研究。

2 問題描述

　　NCS結構圖可以用圖1來表示，與傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)比較，通訊網(wǎng)絡給NCS系統(tǒng)帶來的問題為：

圖1網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)結構圖
Fig. 1 A schematic diagram for an NCS

　　1） 控制時延是某個采樣時刻和對應的執(zhí)行期響應時刻之差。從控制的角度看，時延將導致向衛(wèi)滯后，惡化系統(tǒng)性能，從信息調(diào)度的角度看，時延將使信息不能準時到達，丟失截止期，甚至帶來不可預料的通訊多米諾效應。

　　2） 抖動是在任何特定的時間間隔，與時間相關的、突然的、亂真的變化，可以看成一種突發(fā)性的故障;表現(xiàn)為控制周期的抖動，時延抖動，采樣抖動;從調(diào)度的角度看，抖動表現(xiàn)為輸出抖動，隊列抖動，截止期抖動等。

　　3） 瞬態(tài)誤差是控制信號在網(wǎng)絡中傳輸時發(fā)生丟失或沖突而產(chǎn)生的，會使數(shù)據(jù)和通訊時延加劇，時序采樣值不能準時到達，產(chǎn)生空采樣問題以及樣本數(shù)據(jù)拒絕問題。

圖 2 單回路控制系統(tǒng)結構示意圖
Fig. 3 structure chart of single-loop control system

圖 3 采樣時序圖
Fig. 3 sample timing

3 NCS的假設與模型

　　針對網(wǎng)絡的可變因素，目前的假設主要集中在以下方面：

　　1） 驅動方式的假設

　　傳感器都是采用時間驅動，采樣周期為 ，執(zhí)行器和控制器存在時間驅動和事件驅動兩種方式的組合。

　　2） 傳輸時延τ的假設

　　通常假設τ為常數(shù)、隨機分布，或有界或無界。τ和T滿足0<τ>T或。

　　3） NCS數(shù)據(jù)傳輸假設

　　傳輸?shù)拿恳粩?shù)據(jù)包都是一個完整的數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)被分成多個數(shù)據(jù)包，即單包和多包傳輸問題。

　　4） NCS數(shù)據(jù)丟包

　　數(shù)據(jù)單元在傳輸中由于網(wǎng)絡擁塞、中斷等原因會導致數(shù)據(jù)包的時序錯亂或數(shù)據(jù)包丟失等問題。

4 NCS研究現(xiàn)狀

　　NCS的研究涉及控制和通訊網(wǎng)絡兩個方面，對同一個問題既可以從控制角度來研究，也可以從信息調(diào)度角度來研究，或者綜合兩方面進行研究。

　　4.1 控制方法研究現(xiàn)狀

　　NCS中的控制時延主要包括：采樣器和控制器之間的通訊時延;控制器和執(zhí)行器之間的通訊時延，控制器的執(zhí)行時間。一般，可以將控制器的執(zhí)行時間歸入控制器和執(zhí)行器之間的通訊時延，從而將上述三種時延簡化為只有和。最簡單情形，假定和是恒定的，從而可以將問題轉變?yōu)橐话隳堑暮愣〞r延控制問題進行研究。通常采用的控制策略為：時間驅動的傳感器和控制器，事件驅動的執(zhí)行器。Ray A等人最早討論并研究了ICCS的建模、分析和設計問題，針對帶有分布式網(wǎng)絡誘導時延的ICCS，研究了其基于觀測器的補償器設計問題;并針對隨機網(wǎng)絡時延設計了其輸出反饋控制器;Faik G等人同樣也研究了由于網(wǎng)絡的引入對控制系統(tǒng)性的影響。Liou L W 和Ray A等針對隨機ICCS研究了隨機系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設計問題。Lian Feng-li 針對通訊網(wǎng)絡對控制系統(tǒng)的影響，對NCS進行了性能的分析以及建模和控制器設計等工作。 Wittenmark B和Nilsson J針對隨機實時控制系統(tǒng)，對研究了其隨機最優(yōu)控制問題。朱其新，胡壽松將其推廣到時延大于采樣周期的情形，并研究了網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的隨機狀態(tài)估計器和隨機最優(yōu)控制器設計問題。方華京等人綜述了網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的基于模型的故障診斷和容錯控制問題。 Zhang Wei等對此情形的系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析及控制器的設計。Salt J等人研究了多率控制實現(xiàn)問題，討論了多率情況下的可變時延問題。 Rivera M G等研究了具有數(shù)據(jù)包丟失和網(wǎng)絡誘導時延的NCS的穩(wěn)定性分析問題。謝立華等研究了帶有多個數(shù)據(jù)丟包的線性NCS的最優(yōu)濾波問題，給出了最優(yōu)狀態(tài)濾波器和預測器的設計過程。

　　4.1.1 多率采樣理論

　　針對時間驅動的NCS，絕大多數(shù)的文獻對NCS進行分析時，都假定傳感器、控制器和執(zhí)行器的采樣速率是一致的，即研究的是單率采樣系統(tǒng)下的情形。然而，對于NCS，由于節(jié)點的分散化，單一的采樣速率不符合實際情況。多率采樣是符合實際系統(tǒng)真實情形的，Salt等人針對多率采樣的控制問題進行了研究，傳感器和控制器啟動時又很小的時間偏差，新的傳感器值到達控制器的概率假定是已知的。若，則說明是在新的測量數(shù)據(jù)未知的情況下對控制信號進行計算。但是對多率采樣系統(tǒng)來說，采用時間驅動的采樣方式常常會出現(xiàn)很多問題，如過多的冗余信號將使系統(tǒng)的時延、空采樣、報文丟失扥變得更加嚴重，從而導致系統(tǒng)性能惡化。

　　4.1.2 事件驅動的采樣理論

　　Astrom K J等人研究了一階隨機系統(tǒng)的周期采樣系統(tǒng)和基于事件采樣系統(tǒng)之間的性能對比。Hennningsson等人將其推廣到多環(huán)路系統(tǒng)的基于事件驅動的分散控制上，研究了基于事件的調(diào)度和隨機估計器、控制器設計問題;并研究了具有對數(shù)凸特性噪聲的最優(yōu)觀測器設計問題。他們還研究了具有混合隨機和有界集擾動的線形系統(tǒng)的遞歸狀態(tài)估計器設計問題。Sandee J H等人研究了基于事件的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的軟件設計和控制性能的綜合問題。

　　4.1.3 Markov跳變系統(tǒng)

　　可以將時延和建模成Markov鏈。所有的節(jié)點都是時間驅動的。借助Markov跳變系統(tǒng)理論推導出零階均方指數(shù)穩(wěn)定性的充分必要條件。Chan H等人也應用了 Markov跳變系統(tǒng)對系統(tǒng)建模，得出了無交叉的最優(yōu)控制策略。Nilsson等人對獨立隨機時延和具有Markov特性的時延條件下的LQG最優(yōu)控制問題作了研究，給出了不同時延特性下的LQG最優(yōu)控制器和閉環(huán)系統(tǒng)均方穩(wěn)定性的條件，文中假定+

　　4.1.4 切換系統(tǒng)

　　俞立等人提出一種新的切換系統(tǒng)模型來描述既帶有網(wǎng)絡時延有具有丟包的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，并推導出閉環(huán)系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性充分條件。然后建立了網(wǎng)絡穩(wěn)定性和丟包率之間的定量關系，并使用增廣技術實現(xiàn)了狀態(tài)鎮(zhèn)定控制器。

　　4.1.5 故障診斷

　　方華京等人綜述了網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的基于模型的故障診斷和容錯控制問題，包括基于信息調(diào)度的故障診斷，簡化時延系統(tǒng)及準T-S模糊模型的故障診斷方法，以及帶有長時延的線性及非線性網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的故障診斷問題。并對時延系統(tǒng)的基于狀態(tài)估計器和觀測器理論的故障診斷方法、基于低通后向濾波的故障診斷方法以及基于結構矩陣的故障診斷方法作了詳細的闡述。

　　4.2 信息調(diào)度研究現(xiàn)狀

　　在NCS中網(wǎng)絡傳輸?shù)男畔⒖梢苑譃閮深悾簩崟r性信息和非實時性信息。實時性信息對時間要求非常苛刻，如果在規(guī)定時間的上限內(nèi)信息未能起作用，則該信息將被丟棄，而使用最新的信息。NCS信息調(diào)度策略中主要調(diào)度兩類數(shù)據(jù)信息：周期信息和非周期信息。周期信息是一種實時性信息，也被稱為時間出發(fā)信息或者同步信息。非周期信息主要是指節(jié)點間的請求服務等信息，其發(fā)生時刻是隨機的，也被稱為事件觸發(fā)信息、異步信息或者隨機性信息。在NCS中，信息調(diào)度發(fā)生在應用層，信息調(diào)度規(guī)定節(jié)點的優(yōu)先發(fā)送次序、發(fā)送時刻和時間間隔，以避免網(wǎng)絡沖突。如果網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務時限內(nèi)完成，則稱傳輸是可調(diào)度的。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究可分為調(diào)度與控制分開設計和調(diào)度和控制協(xié)同設計兩類。

　　4.2.1 調(diào)度與控制分開設計

　　在目前的NCS研究中，一類研究是針對通訊網(wǎng)絡，研究提高網(wǎng)絡服務質量的信息調(diào)度方法;另一類是在給定的網(wǎng)絡信息調(diào)度方法基礎上，研究提高NCS性能的控制方法。根據(jù)信息對實時性的要求，信息調(diào)度分為靜態(tài)調(diào)度（離線調(diào)度）、動態(tài)調(diào)度（在線調(diào)度）以及混合調(diào)度。

　　（1） 靜態(tài)優(yōu)先即調(diào)度

　　速率單調(diào)靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度（Rate Monotonic Scheduling Model）的調(diào)度優(yōu)先級由任務周期確定，在任務周期等于時限得同步實時任務系統(tǒng)中是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。但該算法調(diào)度判定時間復雜度是指數(shù)增長的，而且對任務的執(zhí)行周期限制得過于嚴格，只能處理具有固定周期任務。針對以上不足，Tindell K等人考慮到任務的阻塞，給出了非搶占服務方式下RM算法的可調(diào)度條件。Hong等提出基于時間窗的靜態(tài)帶寬調(diào)度算法避免了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸中產(chǎn)生干擾和數(shù)據(jù)沖突，并且將該調(diào)度算法用于循環(huán)服務型NCS和CAN下NCS中。

　　（2）動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度

　　在動態(tài)優(yōu)先即調(diào)度中，任務的時間約束關系并沒有完全確定，新任務的到達時間是未知的。Liu和Layland提出時限最早的任務調(diào)度（Earliest Deadline First Scheduling），指出任務優(yōu)先級是任務時限與任務執(zhí)行時刻的差，該算法對同步周期任務組是最佳的動態(tài)調(diào)度算法。鑒于EDF是基于搶占式的調(diào)度算法，并且任務間的切換需要大量的開銷，Eker J等人給出了非搶占式的EDF算法的可調(diào)度條件。 Walsh等基于在線獲取的網(wǎng)絡傳輸誤差提出了一種動態(tài)分配網(wǎng)絡帶寬的最大誤差-嘗試一次丟棄（Most Error First- try Once Discard）的調(diào)度算法。Otanez P等提出了基于死區(qū)的動態(tài)調(diào)度在確保系統(tǒng)性能的基礎上動態(tài)地丟棄一定比率的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡的負載。

　　（3）混合調(diào)度

　　Tabuada等給出的基于退火機制的控制任務的事件觸發(fā)實時調(diào)度算法就，其基于帶有反饋事例的事件觸發(fā)調(diào)度器，并且給出了保證系統(tǒng)性能的條件。

　　4.2.2 調(diào)度和控制的協(xié)同設計

　　可以分為開環(huán)調(diào)度和反饋控制實時調(diào)度兩類。

　　（1） 開環(huán)調(diào)度

　　Kim Y H 等基于窗口的概念，給出了一種通過調(diào)度采樣時間來減少時延影響并提高網(wǎng)絡利用率的調(diào)度算法，建立了NCS控制系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡性能間的約束關系，并提出了適用于多維對象采樣時間的調(diào)度算法。Cervin A 考慮了變化時延的控制系統(tǒng)的采樣周期的選擇問題，對低于一個采樣周期的時延系統(tǒng)的采樣周期進行了分析。Branicky M S和Zhang W等提出將非搶占RM調(diào)度算法應用于網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)得調(diào)度，并給出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和網(wǎng)絡可調(diào)度的充分條件;并在此基礎上，對網(wǎng)絡傳輸時間進行了分配，給出了網(wǎng)絡調(diào)度優(yōu)化方法。

　　（2） 反饋控制實時調(diào)度

　　開環(huán)調(diào)度在網(wǎng)絡負載能精確建模的動態(tài)系統(tǒng)或靜態(tài)系統(tǒng)中可以取得很好的效果，但在不可預測的動態(tài)系統(tǒng)中，算法的有效性則會降低。Cervin等提出一種將控制和調(diào)度動態(tài)彈性集成的框架，允許在線平衡控制性能和可用的計算資源。Eker等提出了針對線性二次型的反饋控制器，在可調(diào)度的情況下通過調(diào)整控制環(huán)頻率來優(yōu)化控制性能。

5 展望

　　目前，針對時延和丟包情況下NCS的穩(wěn)定性研究以及帶隨機噪聲的NCS的最優(yōu)控制問題的研究較多，而針對帶有確定性干擾NCS的最優(yōu)擾動抑制問題和故障診斷問題則不多見，將最優(yōu)擾動抑制理論應用于帶有時延和丟包的NCS實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)擾動抑制是研究的一個重要方向。在用Markov鏈對NCS建模時，都假定狀態(tài)及其轉移概率是已知的，而實際上還存在Markov鏈中狀態(tài)未知的情形。如何通過HMM（Hidden Markov Model）來辨識 Markov狀態(tài)數(shù)及其轉移概率是分析和設計NCS必須面臨的問題。基于HMM的估計理論是處理混雜情況下辨識問題的有力工具，將HMM理論應用于NCS 也是研究和設計NCS的重要方向。NCS信息調(diào)度的研究大多限于單控制回路，對共享網(wǎng)絡的多個控制回路的優(yōu)化調(diào)度等問題需要進一步的研究。考慮網(wǎng)絡利用率、數(shù)據(jù)包丟失率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重約束，建立NCS多目標優(yōu)化的數(shù)學模型。進而考慮NCS的實時性要求，研究NCS分級多目標優(yōu)化問題的求解方法。