【4.3】网络控制及分布式控制

一、基本概念

随着控制系统的日益复杂化以及计算机技术和网络通信技术的飞速发展,NCS应运而生。NCS (networked control system,NCS,网络控制系统) 又称为集成通信控制系统(integrated communication and control system,ICCS),是指通过网络形成闭环的反馈控制系统。与传统的点对点控制系统相比,NCS具有布线少、成本低、易于扩展和维护、可实现信息资源共享及远程操作等优点,因而广泛应用于远程医疗、智能交通、航空航天、国防军事等领域。此外,采用无线网络技术更是可以构建应用于高危环境的无线网络控制系统,这是传统控制系统所不能实现的。

二、网络控制系统中的基本问题(Basic issues in NCS)

2.1 时延

在NCS中,当传感器、执行器和控制器等多个网络节点通过共享网络信道的方式交换数据时,由于网络带宽有限且网络中的数据流量变化不规则,常常出现数据碰撞、多路径传输、连接中断、网络拥塞等现象,因而不可避免地出现信息交换时间延迟,即网络诱导时延。同时,控制系统各个节点在量化、编/解码等数据处理过程中也会导致时间延迟。受网络拓扑结构、网络协议、路由算法、负载状况、传输速率和信息包大小等诸多因素的影响,网络时延呈现出固定或随机、有界或无界的特征。

2.2 数据包丢失

网络拥塞、连接中断、节点的发送权竞争失败是导致数据包丢失的主要原因。此外,数据信息在网络传输过程中可能会发生错误而被要求重发,如果某节点在规定的重发时间内仍没有成功发送数据信息,则该数据包被丢弃。在实时控制系统中,往往将一定时间内未到达的数据包主动丢弃,接着发送新数据,以保证信号的及时更新和采样数据的有效性。丢包受网络协议、负载状况等因素的综合影响,通常具有随机性、突发性等特点。一个稳定运行的NCS容许有一定量的数据包丢失,但数据包丢失率超过一定值时将使系统失稳

2.3 数据包时序错乱

由于多路传输机制的存在,系统节点发送的数据包会经过不同的网络传输路径到达目的节点,且数据包在中继环节(包括交换机、路由器、网关等)队列中的等待时间不相同,因而易导致数据包时序错乱。此外,节点冲突、网络拥塞、连接中断等因素也有可能造成数据包时序错乱。数据包的时序错乱将导致数据传输率降低,间接地增加了网络时延

2.4 网络信息调度

NCS中的网络负载通常很不规则,繁忙态和空闲态交替。但网络带宽是有限的,因此需要充分利用网络带宽、合理调度NCS中的各类数据以满足不同的实时性要求、实时控制网络负荷以提高网络运行效能。合理的调度能有效避免网络中的信息冲突和拥塞现象的发生,减小网络时延,降低数据丢包率,进一步改善系统控制性能,提高系统稳定性。

2.5 其它问题

除上述问题外,控制系统中还包括节点的驱动方式、单包传输和多包传输、通信约束、量化效应、多采样率、节点时钟同步等问题。这些问题始终贯穿于NCS的分析、设计以及实现过程中。这些因素并非独立存在,它们之间存在着耦合关系。在NCS的研究中需要综合考虑上述多种因素的影响。

三、目前的解决方案

目前,NCS作为一个新兴的研究领域,己成为国内外学术界的前沿方向和研究热点。历经近20年的发展,有关NCS的理论和应用研究取得了一系列成果。研究领域包括连续域、离散域和混合域。研究的对象包括线性定常、线性时变和非线性对象。研究方法包括确定性控制方法、随机控制方法、鲁棒控制方法、切换控制方法、预测控制方法、模糊控制方法、自适应控制方法等。研究问题围绕QoS (quality of service)、QoP (quality of protection)或兼顾QoS和QoP展开。研究内容主要包括控制网络体系架构、NCS建模、稳定性分析与控制器设计、控制与调度协同设计、故障诊断与容错控制等。

参考资料

  • 《网络控制系统研究综述与展望》 2011,芮万智,海军工程大学电力电子技术研究所
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