0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和智能傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了革命性的變化,。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從集中式控制過渡到集散控制以及現(xiàn)場總線控制,，直到今天的基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制。這種分布式工作方式徹底地改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中反饋的應(yīng)用,，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NCS)應(yīng)運(yùn)而生,。進(jìn)入二十一世紀(jì)，工業(yè)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合催生了現(xiàn)場總線系統(tǒng)[1],。這使得封閉的專用協(xié)議變成開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,，因設(shè)備節(jié)點(diǎn)中包含了數(shù)字處理器，而具有較強(qiáng)的數(shù)字計(jì)算和通信能力,，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的分布式控制,。

　　與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有連線少,、結(jié)構(gòu)靈活,、通信協(xié)議開放等諸多優(yōu)點(diǎn)。但通信網(wǎng)絡(luò)介入使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜[2],，不可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式導(dǎo)致許多的不確定性,，主要問題有：網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包,、單包傳輸與多包傳輸,、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂、噪聲干擾等,。

　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘀芷诤?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/時(shí)延" title="時(shí)延" target="_blank">時(shí)延的相關(guān)問題,，本文運(yùn)用預(yù)測控制算法，采用多步測試,、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略,，通過優(yōu)化控制序列來改善系統(tǒng)在擁堵環(huán)境下的控制效果。最后利用MATLAB對(duì)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制進(jìn)行仿真驗(yàn)證,，結(jié)果表明此預(yù)測控制算法能夠極大改善網(wǎng)絡(luò)時(shí)延下的控制輸出效果,。

1 網(wǎng)絡(luò)控制回路的設(shè)計(jì)

　　1.1 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制結(jié)構(gòu)

　　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特征是傳感器,、控制器和執(zhí)行器非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接相連,，而是通過串行數(shù)字通信接口接入公網(wǎng)（或者無線網(wǎng)）進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的交換[3]。所有設(shè)備共享一個(gè)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換,、資源共享和相互協(xié)作[4],。典型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在NCS中,，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式有兩類：時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng),。時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在預(yù)定的時(shí)間啟動(dòng)工作，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)可使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)周期性的工作,；而事件驅(qū)動(dòng)則使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在特定的事件發(fā)生時(shí)啟動(dòng)工作[5],。一般情況下，NCS中的傳感器為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),，且采用系統(tǒng)時(shí)鐘,；控制器和執(zhí)行器既可采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，也可以采用事件驅(qū)動(dòng),。本文針對(duì)解決網(wǎng)絡(luò)時(shí)延而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制分為控制端和被控對(duì)象端兩個(gè)部分,，它們通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接?？刂贫瞬捎檬录?qū)動(dòng),，被控對(duì)象端采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，整個(gè)控制回路的結(jié)構(gòu)如圖2,。

　　當(dāng)控制器端收到反饋通道回傳過來的數(shù)據(jù)時(shí),，事件被觸發(fā),，控制器生成相應(yīng)的預(yù)測序列,；如果沒有收到任何反饋數(shù)據(jù)，則控制器端處于閑置狀態(tài),。被控對(duì)象端以系統(tǒng)時(shí)鐘作為驅(qū)動(dòng),，以控制序列作為數(shù)據(jù)源并從中選取相應(yīng)的控制信號(hào)來對(duì)具體設(shè)備進(jìn)行控制，這些來自于預(yù)測控制算法的控制序列可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償[6],。

　　網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟：

　　(1)不考慮網(wǎng)絡(luò),，設(shè)計(jì)本地PI控制器，滿足系統(tǒng)性能需求,。

　　(2)根據(jù)已發(fā)出的控制信號(hào),、輸出信號(hào)以及參考輸入值，建立起預(yù)測控制序列生成器,，通過計(jì)算生成預(yù)測輸出控制信號(hào),。

　　(3)引入網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)，預(yù)測生成器在產(chǎn)生完整的數(shù)據(jù)序列后,，將輸出序列打包并傳送到被控對(duì)象端的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償器,。

　　(4)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償器作為數(shù)據(jù)選擇器，從控制序列中選擇出符合當(dāng)前時(shí)刻值的控制值作為執(zhí)行器輸入信號(hào)。

　　1.2 設(shè)備模型和本地控制

　　假設(shè)系統(tǒng)t時(shí)刻的輸入和輸出分別是u(t)和y(t),，則輸入輸出滿足的線性差分等式為：

　　y(t)+a1y(t-1)+…+any(t-n)=b1u(t-1)+…+bm u(t-m)

　　(1)

　　因?yàn)橛^測數(shù)據(jù)常常是通過采樣獲得的,，通過上面的表示方法可以很直接地將離散時(shí)間系統(tǒng)模型的相關(guān)觀測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。為了描述方便,，在式(1)中,，可以假設(shè)采樣時(shí)間間隔為一個(gè)時(shí)間單位。進(jìn)行簡單變換,，就可以變成一個(gè)能夠根據(jù)已經(jīng)給定的以前的觀測結(jié)果來得到之后的輸出公式：

　　y(t)=-a1y(t-1)-…-any(t-n)+b1u(t-1)+…+bm u(t-m)

　　(2)

　　1.3 預(yù)測控制器設(shè)計(jì)

　　往本地控制系統(tǒng)中引入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，帶控制相關(guān)序列的預(yù)測控制相應(yīng)的數(shù)據(jù)流通如圖3所示。

控制端主要由預(yù)測控制器組成,，預(yù)測控制器負(fù)責(zé)接收來自控制器端反饋通道并通過遞歸公式計(jì)算生成下一控制周期相應(yīng)的控制序列,，然后通過網(wǎng)絡(luò)回傳到設(shè)備端。設(shè)備端通過選擇器承接控制序列數(shù)據(jù),，然后選擇出控制數(shù)據(jù),，直接作為設(shè)備的輸入控制量。設(shè)備端完成對(duì)設(shè)備的控制后,，再將設(shè)備端相應(yīng)的數(shù)據(jù)打包通過反饋通道回傳到網(wǎng)絡(luò)的另一端的控制器,，再進(jìn)行下一控制周期，依次循環(huán),。

　　預(yù)測模型具有表達(dá)系統(tǒng)未來行為的功能,，對(duì)于不同的控制策略，可利用預(yù)測模型計(jì)算出不同的輸出軌跡,，從而為選擇最優(yōu)控制策略,、優(yōu)化系統(tǒng)性能提供條件。

　　當(dāng)控制周期從設(shè)備端開始,，每個(gè)采樣周期開始的時(shí)候,，設(shè)備端將已經(jīng)發(fā)生的控制序列u(t)和輸出序列y(t)以及當(dāng)前的設(shè)備端系統(tǒng)時(shí)刻點(diǎn)t存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)包中，并通過反饋通道發(fā)送到控制器端,。設(shè)備端發(fā)送的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下：

　　控制器端采用事件驅(qū)動(dòng)方式,，當(dāng)接收到來自設(shè)備端反饋通道的數(shù)據(jù)包時(shí)，控制器計(jì)算出未來的預(yù)測序列,，并將其和之前收到的設(shè)備系統(tǒng)時(shí)間t一起打包成下述結(jié)構(gòu)發(fā)送到設(shè)備端：

　　在NPC方法中,，設(shè)網(wǎng)絡(luò)傳送最大延時(shí)為M，采樣周期為T,，則從控制器發(fā)送到設(shè)備端的控制序列應(yīng)至少有N=M/N個(gè)元素,，這樣就為設(shè)備端的數(shù)據(jù)選擇器提供了充足的有效數(shù)據(jù)源[7]。

　　1.4 設(shè)備端數(shù)據(jù)選擇器

　　NPC數(shù)據(jù)選擇器的基本思想是：在大多數(shù)通信網(wǎng)絡(luò)如TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中,，數(shù)據(jù)是以包的形式傳輸,；網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送端可以用同一個(gè)包傳輸一組序列預(yù)測信號(hào),，接收端根據(jù)當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀況選擇一個(gè)合適的信號(hào)值，主動(dòng)補(bǔ)償?shù)艟W(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的延時(shí)和丟包等不利因素,。

　　在NPC方法中,，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)被考慮成一個(gè)周期為T的計(jì)算機(jī)離散采樣系統(tǒng)。系統(tǒng)中所涉及的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都以時(shí)間驅(qū)動(dòng)的方法工作,，即它們都在采樣時(shí)間點(diǎn)KT(0,，1，2,，…)接收和發(fā)送報(bào)文,。在時(shí)間區(qū)間[KT，(K+1)T]中被接收到的報(bào)文,，均認(rèn)為是在采樣時(shí)間點(diǎn)(K+1)T被接收到,。

　　幾種接收數(shù)據(jù)包異常情況的處理方法如下：

　　(1)包延時(shí)。有數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端,，而且此數(shù)據(jù)包所帶時(shí)間標(biāo)記在所有歷史數(shù)據(jù)中最新,，啟用此數(shù)據(jù)包。

　　(2)包亂序,。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包達(dá)到數(shù)據(jù)選擇器時(shí),，數(shù)據(jù)選擇器先將所收到數(shù)據(jù)包中的時(shí)間標(biāo)記與內(nèi)存當(dāng)前數(shù)據(jù)包的時(shí)間標(biāo)記作比較。發(fā)生包亂序時(shí),，直接舍棄,。

　　(3)包堆積。當(dāng)接收到多個(gè)數(shù)據(jù)包,，數(shù)據(jù)選擇器選出具有最大時(shí)間標(biāo)記的數(shù)據(jù)包,，并將此數(shù)據(jù)包跟內(nèi)存中的數(shù)據(jù)包的時(shí)間標(biāo)記進(jìn)行比較，以決定其啟用或舍棄,。

　　(4)包丟失,。當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)沒有收到新數(shù)據(jù)，或者收到新數(shù)據(jù)但新數(shù)據(jù)因時(shí)間標(biāo)記過時(shí)都可導(dǎo)致包丟失,。包丟失的情況下，數(shù)據(jù)選擇器啟用歷史數(shù)據(jù)包,。

　　經(jīng)過初步數(shù)據(jù)選擇,，不管是當(dāng)前接收的還是歷史接收的，每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)都會(huì)一個(gè)供“第二次選擇”的數(shù)據(jù)包,。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NPC方法中,，對(duì)包延時(shí)和廣義包丟失進(jìn)行研究時(shí)，進(jìn)行如下約定：網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的延時(shí)具有上限M,，而且連續(xù)丟包的時(shí)間區(qū)間不大于最大延遲M（這樣才能將預(yù)測序列限定為有限長度）,。基于以上約定，經(jīng)過初步數(shù)據(jù)選擇后,，包延時(shí),、包亂序、包堆積,、包丟失這些問題都可以轉(zhuǎn)換成“隨機(jī)延時(shí)”的處理方式,。隨機(jī)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的NPC解決方案如圖4。

　　從接收端的角度進(jìn)行分析,，時(shí)間節(jié)點(diǎn)為n時(shí),，發(fā)生包延時(shí)，收到來自發(fā)送端n-2時(shí)刻的數(shù)據(jù)包P,，數(shù)據(jù)包發(fā)生了2個(gè)采樣周期的延時(shí),。如按傳統(tǒng)的控制方法，此時(shí)施加在設(shè)備上的端點(diǎn)為u(n-2),，顯然不符合控制要求,，如果傳送到接收端的是預(yù)測序列，則設(shè)備端數(shù)據(jù)選擇器只需根據(jù)延時(shí)情況,，從預(yù)測序列中選取出n時(shí)刻的控制值即可,，這樣就形成了對(duì)延時(shí)的有效補(bǔ)償；時(shí)間節(jié)點(diǎn)為n+1和n+2時(shí),，發(fā)生包丟失,，即在這些節(jié)點(diǎn)處沒有收到任何數(shù)據(jù)，則此時(shí)仍啟用舊的數(shù)據(jù)包,，即P中的n+1和n+2時(shí)刻的控制值,；時(shí)間節(jié)點(diǎn)為n+3時(shí)，和節(jié)點(diǎn)n處一樣,，只需從新的數(shù)據(jù)包中選擇對(duì)應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的控制量即可,。

2 算法仿真

　　前面對(duì)NPC的實(shí)現(xiàn)原理和過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，為了對(duì)上述的數(shù)據(jù)原理進(jìn)行驗(yàn)證,，下面通過具體的設(shè)備模型對(duì)算法進(jìn)行數(shù)字實(shí)驗(yàn),，對(duì)上述數(shù)學(xué)原理進(jìn)行仿真測試。

　　2.1 設(shè)備和控制器的數(shù)學(xué)模型

　　對(duì)于本地控制系統(tǒng),，設(shè)采樣周期為0.1 s,，然后對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化約定。

　　r(t)單位階躍輸入：1(t)=1,，t≥0

　　2.2 本地固定時(shí)延控制

　　在本地?zé)o延時(shí)的本地控制回路中增加一定的固定延時(shí),，控制回路如圖5所示[8]。

　　在本地?zé)o延時(shí)的本地控制回路中增加一定的固定延時(shí),，控制閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入在不同的固定延時(shí)情況下的輸出信號(hào)如圖6所示,。不難看出,，不帶任何延時(shí)的本地控制系統(tǒng)能夠取得很好的控制效果，設(shè)備的輸出值能夠很快地達(dá)到參考輸入值,。在本地控制系統(tǒng)中加入了2個(gè)和4個(gè)采樣周期倍數(shù)的延時(shí)后,，系統(tǒng)輸出曲線產(chǎn)生振蕩，而且固定延時(shí)越高,，系統(tǒng)的振蕩越劇烈,，最后甚至?xí)_(dá)到發(fā)散不穩(wěn)定的結(jié)果。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制

　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),，除了產(chǎn)生固定延時(shí)外,，更多地還會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)延時(shí)。當(dāng)向本地控制中加入固定延時(shí)和隨機(jī)延時(shí)環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)環(huán)境,，便構(gòu)造成了如圖7的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[9],。設(shè)備模型與PI控制器模型變成差分結(jié)構(gòu)：

　　y(t)=1.396y(t-Ts)-0.468 1y(t-2Ts)+0.466 2u(t-Ts)

　　-0.284 3u(t-2Ts)(3)

　　u(t)=u(t-Ts)+0.33e(t)-0.23e(t-Ts)(4)

　　其中e(t)=r(t)-y(t)

　　不難看出，差分式(3),、(4)已經(jīng)具備由過去序列推測未來序列的能力了,。由于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型階次不超過二階，一般只需要通過過去的兩組y,、u值就可以得到當(dāng)前時(shí)刻的y值和u值,。兩組差分遞推算法是實(shí)現(xiàn)預(yù)測控制器的核心所在。已經(jīng)發(fā)生的u,、y序列和當(dāng)前時(shí)刻值從反饋通道經(jīng)過一定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)傳遞到控制器端作為預(yù)測控制器輸入,。控制器將時(shí)間標(biāo)記及通過兩個(gè)遞推式得到一組u的未來預(yù)測序列再通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制器端的數(shù)據(jù)選擇器,。

　　數(shù)據(jù)選擇器接收到從控制器端發(fā)送過來數(shù)據(jù)包,，和此時(shí)的時(shí)刻值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)圖4中提供的NPC解決方案,，從u序列中選擇出和時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制值,，可以達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題的有效補(bǔ)償。圖8給出了本地控制和網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制設(shè)備輸出圖,，不難看出：在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中,，只要設(shè)備和控制器的模型足夠準(zhǔn)確，則在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器的有效補(bǔ)償后,，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制可以達(dá)到和本地?zé)o延時(shí)控制完全一樣的效果,。

3 結(jié)論

　　本文先對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的預(yù)測控制的基本原理和具體的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了相關(guān)介紹，然后以單入單出的網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)時(shí)延控制系統(tǒng)為例,，通過MATLAB行仿真，結(jié)果顯示NPC算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的有效補(bǔ)償,，使得即使存在不確定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)環(huán)境,，控制器仍然能夠達(dá)到和本地?zé)o時(shí)延系統(tǒng)一樣的控制效果,。本文從工程應(yīng)用層次對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行了深入淺出的分析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用起到積極的推廣作用,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] PLEINEVAUX P,，DECOTIGNIE J D.Time criti- cal communication networks: Field buses[J].Network，IEEE,，1988,，2(3)：55-63.

　　[2] HU W S，LIU G P,，REES D.Networked predic-tive control over the Internet using round-trip delay measurement[J].Instrumentation and Mea-surement,，IEEE Transactions on，2008,，57(10)：2231-2241.

　　[3] LIU G P,，XIA Y，REES D,，et al.Design and stability criteriaof networked predictive control systems with random networkdelay in the feedback channel[J].Systems,，Man，and Cyber-netics,，Part C：Applications and Reviews,，IEEE Transactionson，2007,，37(2)：173-184.

　　[4] LIU G P,，XIA Y，CHEN J,，et al.Networked predictive con-trol of systems with random network delays in both forward and feedback channels[J].Industrial Electronics,，IEEE Transactions on，2007,，54(3)：1282-1297.

　　[5] HU W S,，LIU G P，REES D.Event-driven networked pre-dictive control[J].Industrial Electronics,，IEEE Transactionson,，2007，54(3)：1603-1613.

　　[6] WALSH G C,，BELDIMAN O,，BUSHNELL L G.Error encoding algorithms for networked control systems[J].Auto- matica，2002,，38(2)：261-267.

　　[7] LIU G P,，MU J X，REES D,，et al.Design and stability analysis of networked control systems with random comm-unication time delay using the modified MPC[J].InternationalJournal of Control,，2006,，79(4)：288-297.

　　[8] LIU G P，REES D,，CHAI S C.Design and practical imple-mentation of networked predictive control systems[C].IEEE Networking,，Sensing and Control，ICNSC2005-Proceedings. 2005：336-341.

　　[9] ZHAO Y B,，LIU G P,，REES D.Design of a packet-based control framework for networked control systems[J].Control Systems Technology，IEEE Transactions on,，2009,，17(4)：859-865.