基于預測控制的網絡時延補償策略研究

孫嘉航

摘 要：文章指出，當前，網絡控制這一課題已經逐漸成為學術界研究的一個重點問題，為使網絡控制系統中的時鐘不同步問題得到解決，可以采取基于預測控制的網絡時延補償策略對系統時延進行補償。而通過仿真分析可以發現，該策略的實施能夠使網絡時延得到精確補償，并且能夠使網絡控制系統性能得到有效改善，因此可以在網絡控制系統中得到應用。

關鍵詞：預測控制；網絡時延；補償策略

在網絡控制系統中，系統信息交換的實現需要通過各節點對網絡資源進行共享。而在這一過程中，系統將不可避免的出現時延問題，以至于將導致系統性能受到影響。因此，有必要對基于預測控制的網絡時延補償策略展開研究，從而更好地提高網絡的使用性能。

1 網絡時延與預測控制分析

在網絡控制系統中，控制器、被控對象和驅動器將利用公共的網絡平臺連接，所以信息資源能夠在系統內部實現有效共享。但是，受到網絡帶寬的限制，網絡控制系統中比較容易出現資源競爭和網絡擁塞等現象，從而導致數據傳輸出現延遲。這種現象被稱為網絡時延，會對網絡系統性能產生不良的影響。而預測控制是一種計算機閉環控制算法，可以通過將實際反饋信息反復優化實現在線的滾動優化計算，所以不需要被控對象的數學模型就能夠取得良好的綜合控制效果。使用該種控制算法，可以對網絡控制系統的不確定性影響進行估計，并且實現系統校正，在網絡時延補償方面具有較好的魯棒性。

網絡控制系統是由被控對象、控制器、傳感器和執行器所構成的，是以控制網絡為核心樞紐，對控制器和系統等組成部分進行連接和網絡傳輸，具體如圖1所示，對網絡控制系統研究的基本問題，主要包含以下幾個方面。

第一部分：單包傳輸和多包傳輸。網絡控制系統同其他傳統控制系統的主要區別就在于，網絡控制系統是以數據包的形式進行信息的傳輸，其中，網絡傳輸中的數據包傳輸，又被劃分為單包傳輸和多包傳輸。

第二部分：網絡誘導時延。因在反饋回路中引入了控制網絡，所以使信息在傳輸的過程中會產生一定的時延，將這一現象稱之為網絡誘導時延，這一問題也是整個網絡控制系統中需要解決的主要問題之一。

第三部分：數據包丟失。數據包丟失的產生原因是多方面的，例如網絡阻塞現象、連接中斷，以及節點競爭數據發送權失敗等，都可能造成數據包的丟失。

第四部分：網絡調度。所謂調度是指確定各系統各節點發送數據的先后順序、發送的時間以及時間間隔等。網絡調度是網絡用戶層、網絡傳輸上層的必要環節，其主要目的在于盡可能的避免網絡沖突及阻塞現象的產生。

2 基于預測控制的網絡時延補償策略

2.1 研究假設

針對基于預測控制的網絡時延補償問題的研究，可以先假設在網絡控制系統中帶有時戳的數據都采用單包傳輸方式，并且對控制器的計算時延進行忽略。在此基礎上，需要假設反饋時延和前向時延均有界，并且前向網絡傳輸過程中連續丟包數不大于時延的最大值。此外，需要假設系統執行器和控制器都需要利用相同周期的時間驅動，并且使用事件—時間驅動器進行控制器的驅動。而正常的情況下，使用該方式進行控制器驅動，需要立刻對其接收到的傳感數據執行控制算法[1]。在反饋時延超出界限的情況下，需要使用時鐘驅動方式進行控制器的驅動，并且利用自動運行控制算法進行控制量的輸出，從而使數據包丟失的問題得到解決。最后，需假設反饋時延是可以測量的，并且可以利用在線估計技術進行反饋時延的獲取。

2.2 預測控制器設計

在設計網絡控制系統的預測控制器時，需要在控制器節點引入GPC算法，并且進行緩沖區的設置。同時，也需要在執行器節點進行緩沖區的設置，從而使數據包在到達緩沖區時按照時間戳實現排序的自動更新，以便使時序錯亂問題得到較好的解決。從結構上來看，網絡預測控制器由預測控制產生器和網絡時延補償器構成。其中，控制產生器主要用于進行未來控制信號的生產，時延補償器用于補償未知網絡的延遲。在網絡控制系統中，被控制對象的控制量將受到執行器的選擇作用。在此基礎上，這些控制量將與傳感器采集的系統輸出數據一同大包，然后利用網絡傳遞給控制器[2]。根據控制器參數，控制器將完成數據的識別，并且解決被控對象模型參數不時變化的問題，繼而更好地完成網絡時延的自適應控制。

2.3 網絡時延補償策略

在對網絡時延進行補償時，需要根據網絡控制系統的實際運行情況采取相應的補償策略。首先，在網絡不受影響的條件下，需要進行保證系統性能需求的控制器的設計。其次，基于系統歷史輸出信號，并且根據控制器輸入信號和參考輸入信號，需要建立相應的輸出預估器，從而對系統未來輸出控制信號進行預測。再者，根據網絡時延控制器的設計，需要對預測控制產生器的輸出序列進行計算。在這一過程中，需要將序列劃分成時延產生的前一時刻的控制序列和時延產生后一時刻的預測控制序列[3]。而在時鐘驅動下，還要將預測控制產生器的輸出序列傳遞給被控對象端，并且打包輸送給網絡延遲補償器。最后，需要利用補償策略從被控對象網絡延時補償器中進行最新控制值的選擇，并且將其當成是輸入信號輸入執行器。在這一階段，需要對補償器同時接到多個數據包和補償器在控制周期內無法接收數據包的情況進行分別考慮，從而合理進行控制補償器的選擇。

2.4 策略的仿真實驗分析

為了對基于預測控制的網絡時延補償策略展開研究，可以使用MATLAB工具箱構造一個網絡控制系統，并且在不考慮網絡時延的情況下進行控制器的設計，然后在不改變PI參數的情況下運用補償策略進行網絡時延補償。而網絡傳輸速率可設為10M/S，系統為時鐘驅動。仿真實驗結果表明，在網絡時延增大的情況下，系統振動將逐漸加劇，系統性能則逐漸下降。使用預測控制策略，可以在系統網絡時延大于1個采樣周期時實現對網絡時延的有效補償，并且使系統性能與無網絡時延條件下基本相同，所以該預測控制器具有良好的補償效果。

3 結語

總而言之，在現實生活中，網絡時延幾乎是不可避免的一種現象。而使用預測控制理論進行預測控制器的設計，從而采取相應的網絡時延補償策略進行系統時延補償，則能使網絡性能得到有效改善。因此，本文對基于預測控制的網絡時延補償策略展開的研究，可為相關工作的開展提供指導。

[參考文獻]

[1]付偉，楊先一，劉國權.網絡控制系統時延的預測控制補償方法[J].系統工程與電子技術，2011（9）：2066-2071.

[2]隋樹林，朱孔陽，翟偉.基于動態矩陣控制的網絡控制系統時延補償策略[J].青島科技大學學報：自然科學版，2010（3）：308-310.

[3]朱孔陽.網絡控制系統的時延在線估計與時延補償策略研究[J].微型機與應用，2010（12）：75-77，81.

[4]田中大，高憲文，李琨.網絡控制系統的自適應預測控制[J].應用科學學報，2013（3）：303-308.

[5]陳晨，陳謀.無線網絡控制系統中隨機時延的DMC補償策略[J].太赫茲科學與電子信息學報，2013（3）：457-462.

Research on the Network Time Delay Compensation Strategy Based on Predictive Control

Sun Jiahang

（ 91336 Units， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： The article points out that at present， the network control this subject has increasingly become a focus problem of the academic research， in order to make the clock out of sync problems in networked control systems is resolved， you can take the network time delay compensation strategy based on predictive control of system time delay compensation. And through the simulation analysis can be found that the implementation of the strategy can be made precise compensation network time delay， and and can improves the performance of the network control system to improve， so it can be applied in networked control systems.

Key words： predictive control； the network time delay； the compensation strategy