關于網絡控制系統的最優通信和控制的協同設計研究

彭輕羽 汪玉堯

摘要：由于延遲問題的發生，降低了網絡控制系統的效果。基于此本文對網絡控制系統的最優通信和控制協同進行設計研究，在研究的過程中涉及到了總線的網絡控制系統，在設計過程中結合了通信協同內容。并且結合研究背景對網絡控制系統進行闡述，對于總線而言，主要針對以下三個方面進行研究：協議組成、技術特點和優勢。對于網絡控制系統而言，通信協同設計需要初步設定，并且在設定過程中還應考慮液位控制系統的影響因素，液位系統容易引起網絡延時，基于此針對上述情況，對網絡延時特點進行總結，并且以此建立出力模型。針對各類延時問題，給予具有針對性的解決措施，尤其對信息傳輸進行優化，并且結合實際情況對預估器進行補償，從而使其適應控制器，同時也體現出了協同設計的作用和思想。

關鍵詞：網絡控制系統;最優通信;協同設計

引言：在上世紀九十年代，工業控制領域發生了變革，主要針對工業控制技術進行優化完善。網絡控制系統主要包括幾個重點內容，首先是傳感器和執行器，其次是控制單元。通過計算機網絡將以上內容進行結合，并且在結合過程中控制總線閉環接入，使其能夠共同完成工作任務，并且將工作任務反饋給控制系統。在此過程中NCS系統可以結合共享功能對控制系統進行優化完善，并且結合特點對控制系統進行設計，此項工作具有一定挑戰性。在設計過程中主要的開銷如下：信道競爭、物理信號編碼、通信協議處理等等，都是額外開銷較大的內容，所以在對系統進行優化的過程中會出現各類不可確定因素的影響，尤其是在控制器和傳感器方面，影響因素較多。影響較為明顯的因素為：網絡延時和錯誤代碼，此兩類問題給設計工作帶來了一定的難度。

一、網絡控制系統容易出現的問題

傳統意義上控制系統所研究的內容是點對點的連接問題，實際上就是控制器與被控制之間的關聯，通過設計內容優化延時問題，降低延時問題發生的概率。網絡控制系統研究的最終目的是對信息的網絡傳輸，通過過程中各類部件進行傳輸工作，并且降低傳輸過程中出現延時問題。因其網絡存在各類不確定影響因素，所以對于網絡控制器的執行工作很難進行控制，整體控制難度較大，并且在控制的過程中會出現延時問題，加大了控制難度。此類內容與傳統的計算機網絡相比較有一定差距，因其被廣泛使用，所以網絡中的介質較多，提高了整體控制工作的復雜度。主要的問題內容如下：首先是網絡客戶的數量較多，由于網絡客戶共享通信介質角度，并且變化不可控，并且整體變化不具備一定規則，為后續控制工作加大了難度。其次是數據的傳輸途徑較多，有計算機終端也有通信設備終端，具體內容不固定。最后是數據單元在傳輸的過程中會根據網絡情況形成不同的影響因素，比如說連接中斷或者是數據包丟失情況，整體控制難度較大，并且由于網絡不可控因素較多，所產生的問題也具有一定差異性。綜上所述，我們不難看出網絡傳輸一直處于不穩定的狀態下，并且每一個動態所處的環境也具有一定差異。所以閉環反饋系統和非線性反饋控制系統具有一定復雜性，在此過程中加之延時問題的不可控性，對整體工作造成了嚴重影響，并且有一定不確定關系。網絡控制系統在工作過程中需要結合線性能力進行支持，才可更好的為其工作提供動力，在此過程中如果線性能力不能滿足實際工作需求，則降低了整體網絡環境，為了能夠維持良好的系統性能，相關設計人員需要確保設計的科學性和穩定性，在規定時間內還需對設計內容進行調整，制定一系列的設計準則，完善設計內容。

二、網絡控制系統的最優通信和控制的協同設計

（一）單主站系統網絡延時的“1-n”模型

首先是高級優先任務的設定，此任務主要包括了主站和底層傳感器之間的任務內容，需要二者任務互相交換，并且要求二者按照規定周期進行工作。在控制方面需要滿足高級任務需求，主要針對實時性進行研究，具體工作內容需要高級任務進行最大傳送。

其次是低優先級任務的設定：低級任務需要結合邏輯環節進行網絡設定，主要對任務進行維護，此類任務無需按照周期性進行工作。

再次是延遲令牌的設定：延遲令牌需要在主站中進行獲得，并且在獲得過程中以TRR>TTR代明。在延遲令牌的情況下，主站僅只可以處理一個高級任務，后續不可在進行其他任務的工作，所以延遲令牌主要依托于高級任務的工作模式。溢出主要指的是超出時間的預算被稱之為益處，指一項工作未按照工作時間內完成，我們可以稱之為溢出。臨界瞬時實際上是對任務的最大限制時間進行請求，主要針對于高級任務，并且還需滿足相應周期，結合隊列形式進行時刻的記錄。

最后是初始阻塞，初始阻塞指的是在臨界點發出的請求，并且等待請求的時間被稱之為阻塞時間。而臨界負載指的是在瞬間內發生問題，被處理時所間隔的時間被稱之為臨界負載。實際上臨界負載也可以被稱之為一個特定的時間值。比如說評估時所需時間為Rc，在進行設計的過程中就需要考慮臨界瞬時時刻，或者對初始阻塞進行考慮，以此完善設計的流暢性和合理性，以上兩個內容會直接導致時常問題，所以基于此需要對此項內容進行嚴格控制。初始阻塞也可以分為最長初始阻塞，最長初始阻塞主要是第一次報文請求到最終延時時長的距離。同時還有最長臨界負載，主要指的是獲取令牌的最長時間[1]。

（二）自適應模糊Smith控制器

在網絡控制系統中，針對網絡延時的不確定性，需要結合間隔時長進行設計，降低紊亂問題發生的概率，此過程還會造成相位的滯后問題，如果情節嚴重會影響整體系統的穩定性。所以在此內容的基礎之上需要對計算機主站系統進行最大傳輸延時設置，主要針對模糊控制器進行補償，以此優化延時所帶來的問題，比如說反饋和控制信號的滯后。以此保證控制系統的穩定性，降低影響因素帶來的危害，并且完善整體系統的工作質量[2]。

結論：綜上所述，隨著科技的發達，計算機技術的不斷普及，網絡具備了復雜性的特點，并且在此過程中延時問題極為突出，為了改善此類問題的發生，對以上系統進行設計，以此滿足實際需求。

參考文獻：

[1]杜明莉，周川，陳慶偉.具有通信約束的網絡控制系統動態調度與H_∞控制協同設計[J].控制理論與應用，2019，29（09）：1132-1138.

[2]杜明莉，周川，陳慶偉.具有通信約束的網絡控制系統動態調度與狀態反饋控制的協同設計[A].中國自動化學會智能自動化專業委員會：中國自動化學會智能自動化專業委員會，2019：6.

作者簡介：

彭輕羽（1995年5月-），男，漢族，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：從事通信網絡與優化控制方面的研究。