网络控制系统的预测控制算法研究进展
陈 勇，李 猛
【摘 要】【摘要】随着智能电网、大数据、云控制系统和遥操作系统等复杂网络控制系统的兴起，网络控制系统具有了广域、宽范围、大数据等新特点。因此，解决网络诱导的时延和数据丢包问题在复杂网络控制系统中更显重要。该文对网络诱导的时延和数据丢包进行了分析，对网络预测控制算法研究现状进行了分析和总结，并展望了网络控制系统未来的发展方向。该文旨在为复杂网络控制系统的预测控制提供理论基础和研究思路。 【期刊名称】电子科技大学学报 【年(卷),期】2016(045)004 【总页数】9
【关键词】关 键 词：时延； 网络控制系统； 网络预测控制； 丢包 自20世纪末开始，网络被逐渐引入控制系统中，由此，网络控制系统应运而生。通常“网络化控制”有两种不同的理解：从计算机网络角度，是对网络自身的控制（control of network），如对网络路由、网络流量等的调度和控制；从自动控制角度，是通过网络对系统的控制（control through network），具体是控制系统的各组成单元（如传感器、执行器、控制器）通过网络完成数据的传输。网络化控制的出现体现了控制系统向智能化、网络化、分布化、集成化的趋势发展。网络控制系统（NCSs）最早于1998年出现在文献［1］中，是通过实时网络将分布在空间不同位置的组成单元链接起来组成的闭环反馈控制系统。与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统有成本低、易于维护、系统可靠性高、灵活性高、可实现信息资源共享及远程操作等优点［2］。然而，
随着网络控制系统带来极大便利的同时，也给系统的分析与综合带来了巨大的挑战［3-4］。复杂网络控制系统如智能电网［5］、大数据［6］、云控制系统［7］和遥操作系统［8］等复杂网络控制系统的兴起，使网络控制系统具有广域、宽范围、大数据等新特点。由于受网络带宽及承载能力的限制，数据传输不可避免地受时延、时序错乱、数据丢包、网络抖动、时钟同步、误码等问题的影响。这些问题的存在会影响到网络控制系统的性能、分析与设计。其中，网络诱导时延和数据丢包是网络控制系统中最具挑战性的问题。它们不仅会降低系统的性能，还会破坏系统的稳定性。
近年来，为了解决网络控制系统中时延和数据丢包问题，许多控制方法被提出。主要解决方法有：状态增广法［9-10］、模糊逻辑调节法［11-12］、摄动法［13-14］、随机最优控制法［15-16］、鲁棒控制法［17-18］、缓冲队列法［19-20］、预测控制法［21-27］等。其中预测控制是一种非常有效的网络时延和数据丢包补偿算法，它的大致思想是，控制器利用被控对象的模型信息和以往的采样信号估计当前和将来的被控对象的状态信息或输出信息，然后利用估计的信息控制被控对象，从而达到补偿时延和（或）丢包对NCSs的影响。本文梳理了网络控制系统预测补偿算法的研究现状及重要成果，并进一步展望了网络控制系统的发展方向。
1 网络控制系统中最具挑战性的问题——时延和数据丢包
如图1所示，网络控制系统一般由被控对象、传感器、控制器、执行器组成。 1.1 网络时延的产生因素
时延的产生：由于网络中的信息源很多，当多个节点通过网络交换数据时，通常会出现数据碰撞、多路径传输、链接中断、网络拥塞等现象，不可避免地导
致网络时延的产生［28-29］。网络时延可分为控制算法时延和网络诱导时延两大类，控制算法时延如传感器、控制器和执行器完成自身功能所用的时间，网络诱导时延是控制系统的信息传输过程中产生的时延。 网络时延主要由以下4个因素组成：
1） 信息产生时延。发送端等待发送信息及将数据封装成数据包并进入队列所需时间。2） 传输时延。数据包在实际网络中传输所需的时间，由数据包大小、网络带宽和传输距离决定。3） 数据包等候时延。当网络处于忙碌状态或者发生数据包碰撞时，节点等候网络空闲再次发送数据所用的时间。4） 数据处理、计算时延。节点在数据的处理过程中所需时间。
时延的具体组成如图2所示，在网络控制系统结构中，系统主要由反馈通道和前馈通道两部分组成。在反馈通道中，表示数据预处理时延，是传感器把数据打包封装的时间；表示数据包排队等待延时，是网络中某个节点在实际发送一个数据包前等候排队的时间；表示传输时延，是数据包通过网络传输的时间；表示后处理延时，是控制器接收数据包并存储数据所需的时间。同理，分别表示前馈通道数据预处理时延、数据包排队等待延时、传输时延、后处理延时。图2中cτ表示控制器计算时延。令则系统中的总时延为：其中，scτ为反馈通道时延，即传感器到控制器时延，cτ为控制器计算时延，caτ为前馈通道时延，即控制器到执行器时延。在实际系统中，cτ与scτ和caτ相比，它的数值和变化都很小，在网络控制系统设计时，通过选择合适的硬件和进行高效率的软件编码，可以使计算时延产生的影响减少到相当小的程度，在实际计算中可以将其忽略。在实际计算中，根据网络协议的不同又可将时延分为：固定（constant）、时变（time-varying）和随机（random）时延。根据时延大小
网络控制系统的预测控制算法研究进展
