1 引言

　　網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)化。這種網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的信息源很多，信息的傳送藥分時占用網(wǎng)絡(luò)通訊資源，而網(wǎng)絡(luò)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(luò)所采用的通訊協(xié)議、負載狀況、網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(shè)計帶來困難。網(wǎng)絡(luò)給NCS帶來的主要問題包括：時延采樣時刻和執(zhí)行器響應(yīng)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(guān)的抖動;由于數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸發(fā)生丟失或沖突，導(dǎo)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(shè)計，而且受到網(wǎng)絡(luò)通訊和網(wǎng)路資源的限制。信息調(diào)度應(yīng)盡可能避免網(wǎng)絡(luò)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(luò)化控制系統(tǒng)的服務(wù)性能。大量的國內(nèi)外文獻從不同角度對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計以及信息調(diào)度等方面進行了研究。

2 問題描述

　　NCS結(jié)構(gòu)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(luò)給NCS系統(tǒng)帶來的問題為：

圖1網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig. 1 A schematic diagram for an NCS

　　1） 控制時延是某個采樣時刻和對應(yīng)的執(zhí)行期響應(yīng)時刻之差。從控制的角度看，時延將導(dǎo)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(yù)料的通訊多米諾效應(yīng)。

　　2） 抖動是在任何特定的時間間隔，與時間相關(guān)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(luò)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(jié)構(gòu)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(shè)與模型

　　針對網(wǎng)絡(luò)的可變因素，目前的假設(shè)主要集中在以下方面：

　　1） 驅(qū)動方式的假設(shè)

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

　　2） 傳輸時延τ的假設(shè)

　　通常假設(shè)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(shè)

　　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(luò)擁塞、中斷等原因會導(dǎo)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(luò)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(zhuǎn)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(qū)動的傳感器和控制器，事件驅(qū)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(shè)計問題，針對帶有分布式網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的ICCS，研究了其基于觀測器的補償器設(shè)計問題;并針對隨機網(wǎng)絡(luò)時延設(shè)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(luò)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(shè)計問題。Lian Feng-li 針對通訊網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)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(shè)計問題。方華京等人綜述了網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)誘導(dǎo)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(yù)測器的設(shè)計過程。

　　4.1.1 多率采樣理論

　　針對時間驅(qū)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(qū)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(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。

　　4.1.2 事件驅(qū)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(qū)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(shè)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(shè)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(shè)計問題。Sandee J H等人研究了基于事件的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)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(qū)動的。借助Markov跳變系統(tǒng)理論推導(dǎo)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(yīng)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(luò)時延有具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，并推導(dǎo)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(luò)穩(wěn)定性和丟包率之間的定量關(guān)系，并使用增廣技術(shù)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(luò)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(luò)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(jié)構(gòu)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(luò)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(wù)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(yīng)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(luò)沖突。如果網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務(wù)時限內(nèi)完成，則稱傳輸是可調(diào)度的。網(wǎng)絡(luò)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(shè)計和調(diào)度和控制協(xié)同設(shè)計兩類。

　　4.2.1 調(diào)度與控制分開設(shè)計

　　在目前的NCS研究中，一類研究是針對通訊網(wǎng)絡(luò)，研究提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的信息調(diào)度方法;另一類是在給定的網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度方法基礎(chǔ)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(wù)周期確定，在任務(wù)周期等于時限得同步實時任務(wù)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(fù)雜度是指數(shù)增長的，而且對任務(wù)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(wù)。針對以上不足，Tindell K等人考慮到任務(wù)的阻塞，給出了非搶占服務(wù)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(luò)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(wù)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(wù)的時間約束關(guān)系并沒有完全確定，新任務(wù)的到達時間是未知的。Liu和Layland提出時限最早的任務(wù)調(diào)度（Earliest Deadline First Scheduling），指出任務(wù)優(yōu)先級是任務(wù)時限與任務(wù)執(zhí)行時刻的差，該算法對同步周期任務(wù)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(wù)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(luò)傳輸誤差提出了一種動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上動態(tài)地丟棄一定比率的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(shè)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(luò)利用率的調(diào)度算法，建立了NCS控制系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)性能間的約束關(guān)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(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)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(luò)可調(diào)度的充分條件;并在此基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)傳輸時間進行了分配，給出了網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yù)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移概率是分析和設(shè)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(yīng)用于NCS 也是研究和設(shè)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(luò)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(luò)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。