网络控制系统研究

毛伟俊

（江汉大学，湖北 武汉 430056）

0 引言

网络控制系统（Networked Control Systems，NCSs）是由多个学科领域相互交融而产生的，其中涉及控制技术、计算机技术以及通信技术等。传统的控制系统多为点对点结构，而网络控制系统与之相比具有诸多优势，例如可靠性高，灵活性好，便于安装、维护及扩展，可资源共享等，甚至在某些采用直接布线方式较为困难的场合，也可以在网络控制系统的基础上使用无线网扩展而满足相应需求，鉴于此，网络控制系统已经成为国内外控制理论领域的一个研究焦点。在此背景下，本文总结了网络控制系统的基本建模方法以及控制策略，分析了网络控制系统的实际应用以及未来的发展趋势。

1 模型及控制策略

1.1 系统模型

在建立网络控制系统模型之前，必须先设计系统控制器并对其稳定性进行分析。当前，国内外对网络控制系统建立的模型主要包括以下几类：时滞系统模型、量化器模型、马尔科夫链模型以及切换系统模型。时滞控制系统又可以分为2种，一种采用状态反馈控制器，另一种则是输出反馈控制；量化器模型的主要特点在于信号数据需先进行量化，然后进入信道，该模型主要分为2种，即对数量化器模型和均匀量化器模型；马尔科夫链模型的主要特点在于可以避免网络诱导延时受到一些网络通信过程中的基本参量的影响，例如通信协议、带宽以及网络拓扑结构等；切换系统模型主要是基于切换系统理论而建立的，切换系统是由多个离散时间子系统、连续时间子系统或者离散和连续时间子系统共同组成，其中还应包括一定的切换规则。

1.2 系统控制策略

网络控制系统的控制策略主要有4种，下面逐一进行介绍：

1.2.1 鲁棒控制策略

鲁棒控制策略由于其在一定的参数扰动下能够很好地维持控制系统的稳定性而被广泛应用在网络控制系统的设计中。例如，国外学者N.Vatan ski等基于补偿策略设计出的鲁棒控制器，对网络诱导延时进行了测量，并采用Smith预估器对网络诱导延时进行了补偿。

1.2.2 学习控制策略

学习控制策略主要针对被控对象为多个变量的非线性系统难以建立十分精确的数学模型的情况，该控制策略由于其环境适应性好等特点，可以有效地提升控制系统的控制性能。例如，费敏锐等提出的一种双层网络学习控制系统设计方案，其控制策略是建立在强化学习和自学习模糊控制理论的基础上的。

1.2.3 预测控制策略

预测控制策略在20世纪70年代后期被首先提出，这种控制策略主要包括广义预测控制策略、动态矩阵控制策略和模型控制策略3种，目前已经被广泛应用于工业生产过程中。例如，W.J.Kim等在控制器的节点上应用了多步预测方法，解决了丢包率一定的情况下系统稳定性较差的问题。

1.2.4 最优控制策略

最优控制策略主要是针对网络性能参量，然后基于最优控制理论来对网络控制系统的控制策略进行设计。根据网络控制系统的数学模型是否为随机模型，网络控制系统中的最优控制策略还可分为随机和非随机最优控制策略2种。例如，国内学者唐功友等提出的一种方法，可以控制向量信息和历史状态数据为依据，对当前的控制量进行估算，然后综合动态规划算法，计算得到二次型离散性能指标下的网络控制系统的最优控制序列，并给出了该控制序列的实现算法。

2 应用案例及发展前景

2.1 应用案例

在当前的工业生产中，网络已经无处不在，其中基于工业以太网和现场总线的网络控制系统已经相当成熟，其应用的工业领域包括电力、化工和冶金等等。专家学者们也设计开发了一些实验软件平台，例如瑞典兰德大学自动化学院的M.Ohlin等教授开发的当前全球功能最为完善的网络控制系统仿真平台。此外，基于因特网的网络远程控制系统也已经被一些专家学者所关注并进行了研究，例如G.P.Liu等专家设计的基于因特网的网络伺服控制系统，采用了一种预测控制算法来对网络诱导延时进行补偿。目前，基于无线网的网络控制系统也受到了一些专家学者和许多相关公司的重视，例如西门子公司和菲尼克斯公司就共同开发和推出了“无线工厂”，其采用了802.11技术。

2.2 发展前景

虽然目前网络控制系统的相关研究已经取得了丰硕的成果，然而其还远未达到能够成熟应用的程度，网络控制系统未来有望在以下几个方面得到进一步发展：

（1）网络性能参量主要取决于网络基本参量，网络性能参量还可以反映出对系统各项指标如稳定性等的影响，所以未来对于网络控制系统的研究，应更加重视如何建立有关网络基本参量和性能参量特性的数学模型，从而使得控制系统模型更加准确。

（2）由于网络的不可靠特性而导致的数据不完整、不可信、不精确等问题，会十分严重地威胁到控制系统的控制性能，所以未来的网络控制系统设计必须在数据处理方面进行全面考虑。

（3）实际的工业生产过程含有多个变量，而且是非线性的，参数也具有时变性，而在目前的网络控制系统中，对于这些问题的考虑还较为欠缺，所以未来的研究中，应充分考虑工业生产的实时信息，采用多种方法（例如模糊控制和系统辨识）建立复杂被控对象的网络控制系统。

（4）在某些情况下，网络基本参量也会对网络控制系统产生直接的影响，例如由通信协议决定的量化会引发网络延时，与此同时带来的误差也会影响网络系统的控制性能，所以在未来的网络控制系统研究中，综合考虑网络性能参量及基本参量来对网络控制系统进行设计，是一个值得重视的方向。

（5）现有的研究大都是在软件平台上进行模拟数字仿真，或者在硬件平台上进行试验模拟仿真，这和实际情况的差距还很大，在诸多实际工业生产过程中存在的问题都没有得到深入、充分的研究。所以，在网络控制系统的下一步研究中，如何将已经取得的研究成果在实际工业生产中进行应用反馈，也将成为一个值得探讨的课题。

3 结语

近几年来，网络控制系统研究取得了诸多成果，也面临着一些困难与挑战。在此背景下，本文对网络控制系统的研究进行了总结。主要工作有2点：（1）对网络控制系统的基本建模方法以及控制策略进行了总结；（2）对网络控制系统的实际应用以及未来的发展趋势和前景进行了分析。目前网络在工业系统中的应用已经十分广泛，网络控制系统也必然会成为未来工业系统的一个重要组成部分。目前，对于考虑了网络性能参量的网络控制系统的相关研究已经取得了丰硕的成果，但绝大多数的研究工作都是在理想条件下进行的，与实际的工业应用还有差距，所以下一步应努力探索已有成果的实际应用，这对于网络控制系统的广泛应用具有重要的意义。

［1］杜大军，费敏锐，宋杨，等.网络控制系统的简要回顾及展望［J］.仪器仪表学报，2011（3）

［2］李超.网络控制系统研究与设计［D］.华北电力大学，2012

［3］樊卫华.网络控制系统的建模与控制［D］.南京理工大学，2004