控制系统网络控制系统的时延补偿与控制器设计

摘 要

随着计算机技术的发展控制系统与网络通信系统的集成成为控制网络技术研究的热点 为此提出了网络控制系统NCS 。本文介绍了网络控制系统的工业背景和研究现状重点介绍了网络时延问题的研究进展。分析了网络控制系统的时延产生原因及特性根据采样时间的不同和驱动方式的不同进行了建模分析。根据不同的模型分析了固定时延、随机时延的补偿控制器设计。本文重点介绍了针对不确定时延采用Fuzzy-PID控制器的设计和仿真研究。在最后介绍了一种Matlab环境下的实时控制系统仿真工具箱Truetime给出了具有时延特征的网络控制系统的控制仿真结果。

关键词 网络控制系统 网络时延时延补偿 Fuzzy-PID控制器

AB STRAC T

With the development of computer technology, some considerable attentions have beendirected to the integrated control systems and network communication control system. SoNetwork Control SystemNCS is proposed. In this thesis  the paper introduces theengineering background and research achievements, and focuses on the progress of networkdelay.The causes and the characteristic of network-induced delay are analyzed.According tothe different of sampling time and drive way,model is built and analyzed.Depending on thedifferent models, the controller with the compensation about the fixed time delay and randomdelay controller are designed. This paper focuses on using Fuzzy- PID controller againstuncertainty delay to design and simulation testing. In conclusionS imulink toolboxnamed byTruetime based on Matlab has been introduced in this paper.And the characteristics of theNCS simulation results are given.

L iu J ian(Control Theory and Control Engineering)

Directed by prof.Ma Yongguang

KEY WORDS  Networked control systems, Network-induced delay, Delaycompe ns ation,Fuzzy-PID controlle r

目 录

中文摘要

英文摘要

第一章绪 论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1 网络控制系统的发展与基本概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1.1计算机控制系统的发展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1.2 网络控制系统的描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

1.2 网络控制系统时延研究现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1.2.1NCS的数学模型的建立. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1.2.2NCS控制器设计方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.3本文研究的出发点与主要工作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.3.1 目的和意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.3.2研究内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

第二章 具有网络诱导时延的NCS分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.2 网络控制系统的采样技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.2.1 同步采样和非同步采样. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.2.2时间驱动方式和事件驱动方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

2.2.3多速率采样. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

2.3控制网络与网络控制系统的时延分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

2.3.1控制网络. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

2.3.2 网络控制系统的时延分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

2.4小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

第三章 具有网络诱导时延的NCS建模与控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.2具有网络诱导时延的NCS的数学建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.3具有固定时延的NCS的控制器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

3.4具有随机时延的NCS的控制器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

3.4.1基于时延统计规律的随机控制器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

3.4.2基于时变、有界时延的随机时延的补偿. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

3.5小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

第四章Fuzzy-PID网络控制器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

4.1引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

4.2模糊控制理论基础. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

4.2.1模糊控制系统的组成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

4.2.2模糊控制器原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

4.2.3模糊控制器的输入输出变量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

4.2.4模糊控制器设计的基本方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

4.3带PID的网络化控制系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

4.4模糊补偿PID控制器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

4.5 fuzzy-PID复合控制器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

4.6小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

第五章基于matlab/simul ink的NCS仿真环境研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

5.1引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

5.2 Truetime工具箱结构与功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

5.2.1计算机模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

5.2.2网络模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

5.3初始化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

5.4网络控制系统仿真研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

5.5仿真说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

5.5.1 PID控制器设计仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

5.5.2 Fuzzy-PID控制系统设计仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

5.6小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

第六章总结与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

6.1 总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

6.2研究展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

致 谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

在学期间发表的学术论文和参加科研情况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

第一章绪 论

1 . 1 网络控制系统的发展与基本概念

随着控制、计算机、通信网络等技术的发展信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场 因此迫切要求工业自动化水平也提高到了一个崭新的高度。从历史上看传统控制系统的通讯方式是点对点的包括早期的DCS 目前这种方式已经越来越不能适应某些新的需求 比如模块化、集散分布、综合诊断、快捷方便的维护及低成本化等。从整体上看计算机控制系统己呈现出向网络化、集成化、节点智能化、分布化的发展趋势。现场总线控制系统和工业以太网顺应了这一趋势是完全网络化、分布化的控制系统。

1 . 1 . 1计算机控制系统的发展

计算机控制系统发展至今先后主要经历了以下几个阶段传统的集中式控制系统、集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS、 以及基于以太网的控制系统的广泛研究。

传统的集中式控制系统一般采用一个中央控制单元CPU完成控制计算、信息处理等所有工作控制器和对象之间的连接采用的是点对点的连接方式其典型结构如图1-1 。

传感器1    传感器N

图1-1 集中式控制系统示意图

随着现场采集信息量的增加集中式控制对中央控制单元的硬件性能要求越来越高软件编程也越来越复杂。 因此产生了集散式控制系统Distributed C ontrolSystem DCS来代替集中式控制系统如图1-2所示。

图1-2 DCS示意图

DCS又称分布或分散控制系统 它以微处理机为核心实现地理上和功能上的控制 同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来进行集中的监视和操作并实现复杂的控制和优化。DCS的设计原则是分散控制集中操作分级管理分而自治和综合协调。对各个现场设备的任务由现场级的控制单元P LC单片机等完成总体的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完成从而实现了控制功能和管理信息的分离。虽然提高了系统的可靠性和灵活性但集散控制系统和集中式控制系统都有一些共同的缺点就是随着现场设备的增加系统复杂成本大大提高 以及系统的抗干扰性、灵活性不够、扩展不方便等[1] 。为了从根本上解决这些问题新型的分布式控制系统——现场总线控制系统FieldbusControl Systems FCS应运而生如图1-3所示。

计算机 计算机

传感器1 执行器1    传感器N 执行器N

目前现场总线的主要种类有基金会现场总线F F P ro fiBusWo rldF IPContro lNet/DeviveN et C AN。

与传统的DCS相比 FCS具有如下一些技术特点[2] 

 1  FCS是现场通信网络把通信线路一直延伸到生产现场中的生产设备构成用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互联的现场通信网络。实现了

全数字化传输极大地提高了信号转换的精度和可靠性有效地避免了模拟信号在传输过程中存在的信号衰减、精度下降和信号干扰等问题。

2 FCS能进行现场设备互连传感器、变送器、执行器的等设备在现场总线系统中已成为由微处理机为控制核心的智能设备可以通过一对双绞线、 同轴电缆、光纤、或电源线互连具有较强的抗干扰能力。

3 FCS具有良好的互操作性实现“即插即用”并且用户可以对不同品牌的现场设备进行统一组态构成所需要的控制回路。

4 FCS具有分散的功能块便于用户组态将功能块分散到多台现场仪表中并进行统一组态有助于用户根据需要灵活的选用各功能块构成需要的控制回路实现彻底的分散控制。

5 FCS具有开放式互联网络可以与同类型的网络互联 既可以与同层网络互联又可以与不同层网络互联 既可以实现企业内部的网络互联又可以与企业外部的网络互联。

6 FCS对现场环境的适应性强。

由上可见控制系统随着计算机的应用发展现场设备的智能化、数字化发展也在不断的提高自身对现场的适应力和可靠性使得控制系统更加网络化、集成化、分布化。

1 . 1 . 2 网络控制系统的描述

随着控制系统规模的日益扩大越来越多的控制系统采用分布式控制的方式。分布式控制的形式多种多样很多复杂的控制系统例如制造业设备、运输工具、机器人等采用串行通讯网络作为监控计算机、控制器、现场传感器及执行器间信息和控制信号的交换通道这种通过串行通信网络实现闭环控制回路的控制系统被称为网络控制系统(Networked Control Systems NCS)有的文献用综合通讯和控制系统(Integrated Communication and ControlSystems ICCS)或者基于网络的控制系统(Network-based Control Systems)来称呼具有这种结构的控制系统[3] 。

“Network Control Systems”最早于1998年出现在马里兰大学G.C.Walsh的论著中但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控制系统”重庆大学的张结斌等用了“分布式控制网络系统”这样的术语。

清华大学的顾洪军给出了明确的定义[4] 网络控制系统NCSNetwork ControlSystems又称网络化的控制系统 即在网络环境下实现的控制系统。是指在各区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合用以提供设备之间的数据传输使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。其本质是信息

参考输入、对象输出和控制输入等在控制系统各部件间传感器、控制器和执

行器等通过网络进行交换。NCS典型的系统结构图如图1-4所示。

传感器

图1-4 NCS示意图

NCS中的网络是一个广义的范畴包含了FCS、工业以太网、无线通信网络、甚至Interne t这也是与网络技术的发展相适应的。视其回路中所嵌入的网络结构的不同可以将其分为广义网络控制系统和狭义网络控制系统。一般认为通过FCS和工业以太网组成的网络控制系统是狭义的网络控制系统而由通过计算机网络比如计算机广域网、 Internet等网络组成的控制系统则被视为广义的网络控制系统。本文主要针对狭义的网络控制系统进行研究和分析。

1 .2网络控制系统时延研究现状

工业控制网络不同于一般的计算机通信网络 它传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的分析的对象不再是孤立的控制过程而是整个网络控制系统的稳定性、调度管理和鲁棒性问题等。其通信网络特别强调实时性、可靠性、稳定性

[5] 。实时性向来是控制系统面临的重要问题 由于连接到通讯介质上的每个设备都是一个信息源而通讯介质是分时复用的待发送信息只有等到网络空闲时才能被发送出去这就不可避免地导致了传输延迟的发生。而闭环控制系统是通过网络形成闭环的相应地就把延迟环节引入到这些系统。不但会降低系统的控制性能而且还是引起系统不稳定的一个潜在因素[6] 。因此在研究NCS存在的许多新问题时如 网络诱导的时延、 网络调度、数据包的多包传输及丢失等主要还是集中在对NCS的时延补偿这个热点问题上。

1 . 2. 1 NCS的数学模型的建立

目前NCS的建模是NCS分析、仿真和设计的基础因此NCS的建模问题在NCS的研究中具有重要意义虽然NCS的概念早已被提出并取得了一系列成果但其建模问题依然没有很好地解决。 以下为几种有条件的模型建立

针对NCS的建模问题 Halevi和Ray考虑了传感器-控制器和控制器-执行器单时延的情况而且在传感器和控制器的采样时刻之间只有一个时间差。他们用增广状

态把过去的延迟信号也包括进来导出一个闭环模型[7][8] 。

Lian FengLi推导出一个离散的多输入多输出NCS模型在该模型中有分布式通信延迟。此外 为了得到传感器和控制器之间真实的时间延迟还表征了分布式传感器的异步采样机制。但是在该模型中所有的延迟都是定界在一个采样周期之内的而且并没有考虑数据丢失的情况[9] 。

朱其新、胡寿松在考虑系统噪声、控制器的动态特性及输出反馈的情况下建立了多包传输、单保传输有数据包丢失、多包传输有数据包丢失时NCS的离散随机模型的统一建模方法[10] 。

樊卫华等讨论了同时存在传输延时和数据包丢失的NCS建模问题并借助ADS的一些结论讨论了NCS的稳定性给出具有典型双线形矩阵不等式的结论但是他们既没有考虑控制器-执行器之间的延迟也没有考虑不同的节点的分布式异步多时延情况[1 1] 。

以往的建模方法都有一个共同的局限性 即基本上都针对网络时延不超过一个采样周期的情况来研究的。近年来人们开始逐步涉及时延大于一个采样周期时NCS的建模并取得一定的成果。从目前研究情况看 网络控制系统的建模逐渐从单变量到多变量从确定性到不确定性发展但是这只是一个开端。

1 . 2. 2 NCS控制器设计方法

现阶段根据以上不同的模型分析和设计网络控制器逐渐由单变量到多变量、由确定到随机、 由经典控制理论到智能控制理论和高级控制算法发展。 目前所采用的网络控制系统的控制器设计方法主要有确定性控制设计方法、随机控制设计方法、智能控制方法、鲁棒控制设计方法。

1 2 2 1确定性控制设计方法

应用确定性设计方法应首先将随机时变延迟通过在控制器和执行器之间设置缓冲区转化为固定延迟然后针对转化后的固定延迟设计控制器。

Rogelio针对模型(时间驱动)提出了基于观测器的分布延迟补偿器[12] 。在该补偿器算法中首先在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区将时变的传输延迟转化为固定的传输延迟。其优点是可用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控制系统进行设计和分析不受延迟特性变化的影响其缺点是将所有延迟都转化为最大延迟人为地将传输延迟扩大化 因此降低了系统应有的控制性能。对于具有随机传输延迟的闭环控制系统若按最大传输延迟来设计控制器则所得闭环控制系统不一定稳定。

熊远生俞立徐建明将时间延迟的不确定性通过引入一个信息接收缓冲区来实现时间延迟的确定化的基础上将滑模变结构控制和预估控制的方法引入控制器的设计中得出的结果的时间延迟可以大于一个采样周期[13][14] 。

1 2 2 2随机控制设计方法

应用随机控制的方法关键在于对网络延时的合理建模和估计可假设时延符合某种统计规律并且是相互独立的从概率分布的角度将网络延时作为系统中的随机变量或随机过程设计随机最优控制律。

Ray对随机时变分布延迟下的输出反馈时延网络系统进行研究基于最小方差滤波器和动态规划原理得到了具有随机延迟补偿的LQ R控制器(DC LQ R)但不满足确定性等价原理[15] 。

于之训对控制器是事件驱动的在第k步传感器到控制器之间延迟未知的情况下基于动态规划和最优控制理论得出了使系统均方指数稳定的控制律[16] 。针对控制网络中的随机传输延迟提出控制器节点采用事件驱动的方式 同时在传感器和控制器节点发送端设置发送缓冲区 以确保信息按产生的时间先后依次到达接收端采用这种控制模式利用传输延迟的Markov特性得到了具有多步随机传输延迟的网络控制系统的数学模型。并得到了满足给定二次型性能指标的最优控制律的解析表达式成功地解决了原来事件驱动模式下对这类网络控制系统无法获取其解析随机控制律的难题[17] 。

Nillson假设时延的概率分布已知不超过一个采样周期传感器采用事件驱动控制器和执行器采用事件驱动。并利用M arko v链对时延的概率分布进行了建模给出了闭环网络系统的LQ G随机最优控制律该控制律满足确定性等价原理[18] 。

Wei Zhen针对网络时延分布未知的情况改进了Nilsson的LQG控制律提出时延在线估计方法——平均时延窗口(ADW Average Delays Window)方法。该方法无需网络时钟同步和延时补偿即可获得延时信息。并在10 kb it/s的C AN总线上进行了实验研究[19] 。

Wei Zhang针对网络控制系统中普遍存在的通讯延迟问题对于控制器是时间驱动的利用在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区的方法提出了一种延迟补偿器结构该结构可同时实现对噪声的滤波处理[20] 。

Lian FengLi针对MIMO网络控制系统进行了时延分析和建模并设计了最优控制器[8] 。

1 2 2 3智能控制设计方法

确定性控制方法和随机性控制方法都是基于时延和被控对象的精确数学模型之上的而在实际的NCS中往往存在着诸多的不确定性而智能控制对解决变化的问题和情况具有较好的适应能力 因此目前多采用智能控制策略来解决时延不确定和时延补偿问题 以提高系统的鲁棒性。

Kyung C hang针对基于P ro fibus—DP的网络控制系统在考虑传输迟延的基础上设计了基于遗传算法(Genetic Algorithm)对PID参数进行整定的控制器并对马达的控制进行了实验研究[21] 。