1 引言

　　網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS（Networked Control Systems）,又稱集成通訊與控制系統(tǒng) ICCS（Integrated Communication and Control System），最早可見于Ray A.等人發(fā)表的論文中。一般認(rèn)為ICCS是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，是將控制系統(tǒng)的傳感器、控制器、執(zhí)行器等單元通過通訊網(wǎng)絡(luò)連接起來形成閉環(huán)的分布式控制系統(tǒng)。其涵蓋了兩方面的內(nèi)容：系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的分布化和控制回路的網(wǎng)絡(luò)化。這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式具有信息資源能夠共享、連接線數(shù)大大減少、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但由于網(wǎng)絡(luò)中的信息源很多，信息的傳送藥分時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)通訊資源，而網(wǎng)絡(luò)的承載能力和通訊帶寬有限，必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生，使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中不可避免地存在時(shí)延。時(shí)延由于受到網(wǎng)絡(luò)所采用的通訊協(xié)議、負(fù)載狀況、網(wǎng)絡(luò)速率以及數(shù)據(jù)包大小等情況到影響，呈現(xiàn)出或固定或隨機(jī)，或有界或無界的特征，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能下降甚至不穩(wěn)定，也給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來困難。網(wǎng)絡(luò)給NCS帶來的主要問題包括：時(shí)延采樣時(shí)刻和執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)刻間出現(xiàn)了不可忽略的滯后;在某時(shí)間間隔內(nèi)存在于時(shí)間相關(guān)的抖動(dòng);由于數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸發(fā)生丟失或沖突，導(dǎo)致時(shí)延增大甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制律器的設(shè)計(jì)，而且受到網(wǎng)絡(luò)通訊和網(wǎng)路資源的限制。信息調(diào)度應(yīng)盡可能避免網(wǎng)絡(luò)中信息的沖突和擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，從而大大提高網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的服務(wù)性能。大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)從不同角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)以及信息調(diào)度等方面進(jìn)行了研究。

2 問題描述

　　NCS結(jié)構(gòu)圖可以用圖1來表示，與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)比較，通訊網(wǎng)絡(luò)給NCS系統(tǒng)帶來的問題為：

圖1網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig. 1 A schematic diagram for an NCS

　　1） 控制時(shí)延是某個(gè)采樣時(shí)刻和對(duì)應(yīng)的執(zhí)行期響應(yīng)時(shí)刻之差。從控制的角度看，時(shí)延將導(dǎo)致向衛(wèi)滯后，惡化系統(tǒng)性能，從信息調(diào)度的角度看，時(shí)延將使信息不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)，丟失截止期，甚至帶來不可預(yù)料的通訊多米諾效應(yīng)。

　　2） 抖動(dòng)是在任何特定的時(shí)間間隔，與時(shí)間相關(guān)的、突然的、亂真的變化，可以看成一種突發(fā)性的故障;表現(xiàn)為控制周期的抖動(dòng)，時(shí)延抖動(dòng)，采樣抖動(dòng);從調(diào)度的角度看，抖動(dòng)表現(xiàn)為輸出抖動(dòng)，隊(duì)列抖動(dòng)，截止期抖動(dòng)等。

　　3） 瞬態(tài)誤差是控制信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)發(fā)生丟失或沖突而產(chǎn)生的，會(huì)使數(shù)據(jù)和通訊時(shí)延加劇，時(shí)序采樣值不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)，產(chǎn)生空采樣問題以及樣本數(shù)據(jù)拒絕問題。

圖 2 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
Fig. 3 structure chart of single-loop control system

圖 3 采樣時(shí)序圖
Fig. 3 sample timing

3 NCS的假設(shè)與模型

　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可變因素，目前的假設(shè)主要集中在以下方面：

　　1） 驅(qū)動(dòng)方式的假設(shè)

　　傳感器都是采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)，采樣周期為 ，執(zhí)行器和控制器存在時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)兩種方式的組合。

　　2） 傳輸時(shí)延τ的假設(shè)

　　通常假設(shè)τ為常數(shù)、隨機(jī)分布，或有界或無界。τ和T滿足0<τ>T或。

　　3） NCS數(shù)據(jù)傳輸假設(shè)

　　傳輸?shù)拿恳粩?shù)據(jù)包都是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)被分成多個(gè)數(shù)據(jù)包，即單包和多包傳輸問題。

　　4） NCS數(shù)據(jù)丟包

　　數(shù)據(jù)單元在傳輸中由于網(wǎng)絡(luò)擁塞、中斷等原因會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的時(shí)序錯(cuò)亂或數(shù)據(jù)包丟失等問題。

4 NCS研究現(xiàn)狀

　　NCS的研究涉及控制和通訊網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面，對(duì)同一個(gè)問題既可以從控制角度來研究，也可以從信息調(diào)度角度來研究，或者綜合兩方面進(jìn)行研究。

　　4.1 控制方法研究現(xiàn)狀

　　NCS中的控制時(shí)延主要包括：采樣器和控制器之間的通訊時(shí)延;控制器和執(zhí)行器之間的通訊時(shí)延，控制器的執(zhí)行時(shí)間。一般，可以將控制器的執(zhí)行時(shí)間歸入控制器和執(zhí)行器之間的通訊時(shí)延，從而將上述三種時(shí)延簡化為只有和。最簡單情形，假定和是恒定的，從而可以將問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐话隳堑暮愣〞r(shí)延控制問題進(jìn)行研究。通常采用的控制策略為：時(shí)間驅(qū)動(dòng)的傳感器和控制器，事件驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器。Ray A等人最早討論并研究了ICCS的建模、分析和設(shè)計(jì)問題，針對(duì)帶有分布式網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的ICCS，研究了其基于觀測器的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)問題;并針對(duì)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延設(shè)計(jì)了其輸出反饋控制器;Faik G等人同樣也研究了由于網(wǎng)絡(luò)的引入對(duì)控制系統(tǒng)性的影響。Liou L W 和Ray A等針對(duì)隨機(jī)ICCS研究了隨機(jī)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)問題。Lian Feng-li 針對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，對(duì)NCS進(jìn)行了性能的分析以及建模和控制器設(shè)計(jì)等工作。 Wittenmark B和Nilsson J針對(duì)隨機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)研究了其隨機(jī)最優(yōu)控制問題。朱其新，胡壽松將其推廣到時(shí)延大于采樣周期的情形，并研究了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的隨機(jī)狀態(tài)估計(jì)器和隨機(jī)最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)問題。方華京等人綜述了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基于模型的故障診斷和容錯(cuò)控制問題。 Zhang Wei等對(duì)此情形的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析及控制器的設(shè)計(jì)。Salt J等人研究了多率控制實(shí)現(xiàn)問題，討論了多率情況下的可變時(shí)延問題。 Rivera M G等研究了具有數(shù)據(jù)包丟失和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS的穩(wěn)定性分析問題。謝立華等研究了帶有多個(gè)數(shù)據(jù)丟包的線性NCS的最優(yōu)濾波問題，給出了最優(yōu)狀態(tài)濾波器和預(yù)測器的設(shè)計(jì)過程。

　　4.1.1 多率采樣理論

　　針對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的NCS，絕大多數(shù)的文獻(xiàn)對(duì)NCS進(jìn)行分析時(shí)，都假定傳感器、控制器和執(zhí)行器的采樣速率是一致的，即研究的是單率采樣系統(tǒng)下的情形。然而，對(duì)于NCS，由于節(jié)點(diǎn)的分散化，單一的采樣速率不符合實(shí)際情況。多率采樣是符合實(shí)際系統(tǒng)真實(shí)情形的，Salt等人針對(duì)多率采樣的控制問題進(jìn)行了研究，傳感器和控制器啟動(dòng)時(shí)又很小的時(shí)間偏差，新的傳感器值到達(dá)控制器的概率假定是已知的。若，則說明是在新的測量數(shù)據(jù)未知的情況下對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。但是對(duì)多率采樣系統(tǒng)來說，采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的采樣方式常常會(huì)出現(xiàn)很多問題，如過多的冗余信號(hào)將使系統(tǒng)的時(shí)延、空采樣、報(bào)文丟失扥變得更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。

　　4.1.2 事件驅(qū)動(dòng)的采樣理論

　　Astrom K J等人研究了一階隨機(jī)系統(tǒng)的周期采樣系統(tǒng)和基于事件采樣系統(tǒng)之間的性能對(duì)比。Hennningsson等人將其推廣到多環(huán)路系統(tǒng)的基于事件驅(qū)動(dòng)的分散控制上，研究了基于事件的調(diào)度和隨機(jī)估計(jì)器、控制器設(shè)計(jì)問題;并研究了具有對(duì)數(shù)凸特性噪聲的最優(yōu)觀測器設(shè)計(jì)問題。他們還研究了具有混合隨機(jī)和有界集擾動(dòng)的線形系統(tǒng)的遞歸狀態(tài)估計(jì)器設(shè)計(jì)問題。Sandee J H等人研究了基于事件的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和控制性能的綜合問題。

　　4.1.3 Markov跳變系統(tǒng)

　　可以將時(shí)延和建模成Markov鏈。所有的節(jié)點(diǎn)都是時(shí)間驅(qū)動(dòng)的。借助Markov跳變系統(tǒng)理論推導(dǎo)出零階均方指數(shù)穩(wěn)定性的充分必要條件。Chan H等人也應(yīng)用了 Markov跳變系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)建模，得出了無交叉的最優(yōu)控制策略。Nilsson等人對(duì)獨(dú)立隨機(jī)時(shí)延和具有Markov特性的時(shí)延條件下的LQG最優(yōu)控制問題作了研究，給出了不同時(shí)延特性下的LQG最優(yōu)控制器和閉環(huán)系統(tǒng)均方穩(wěn)定性的條件，文中假定+

　　4.1.4 切換系統(tǒng)

　　俞立等人提出一種新的切換系統(tǒng)模型來描述既帶有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，并推導(dǎo)出閉環(huán)系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性充分條件。然后建立了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和丟包率之間的定量關(guān)系，并使用增廣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)鎮(zhèn)定控制器。

　　4.1.5 故障診斷

　　方華京等人綜述了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基于模型的故障診斷和容錯(cuò)控制問題，包括基于信息調(diào)度的故障診斷，簡化時(shí)延系統(tǒng)及準(zhǔn)T-S模糊模型的故障診斷方法，以及帶有長時(shí)延的線性及非線性網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的故障診斷問題。并對(duì)時(shí)延系統(tǒng)的基于狀態(tài)估計(jì)器和觀測器理論的故障診斷方法、基于低通后向?yàn)V波的故障診斷方法以及基于結(jié)構(gòu)矩陣的故障診斷方法作了詳細(xì)的闡述。

　　4.2 信息調(diào)度研究現(xiàn)狀

　　在NCS中網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒖梢苑譃閮深悾簩?shí)時(shí)性信息和非實(shí)時(shí)性信息。實(shí)時(shí)性信息對(duì)時(shí)間要求非?？量?，如果在規(guī)定時(shí)間的上限內(nèi)信息未能起作用，則該信息將被丟棄，而使用最新的信息。NCS信息調(diào)度策略中主要調(diào)度兩類數(shù)據(jù)信息：周期信息和非周期信息。周期信息是一種實(shí)時(shí)性信息，也被稱為時(shí)間出發(fā)信息或者同步信息。非周期信息主要是指節(jié)點(diǎn)間的請(qǐng)求服務(wù)等信息，其發(fā)生時(shí)刻是隨機(jī)的，也被稱為事件觸發(fā)信息、異步信息或者隨機(jī)性信息。在NCS中，信息調(diào)度發(fā)生在應(yīng)用層，信息調(diào)度規(guī)定節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先發(fā)送次序、發(fā)送時(shí)刻和時(shí)間間隔，以避免網(wǎng)絡(luò)沖突。如果網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務(wù)時(shí)限內(nèi)完成，則稱傳輸是可調(diào)度的。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究可分為調(diào)度與控制分開設(shè)計(jì)和調(diào)度和控制協(xié)同設(shè)計(jì)兩類。

　　4.2.1 調(diào)度與控制分開設(shè)計(jì)

　　在目前的NCS研究中，一類研究是針對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)，研究提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的信息調(diào)度方法;另一類是在給定的網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度方法基礎(chǔ)上，研究提高NCS性能的控制方法。根據(jù)信息對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，信息調(diào)度分為靜態(tài)調(diào)度（離線調(diào)度）、動(dòng)態(tài)調(diào)度（在線調(diào)度）以及混合調(diào)度。

　?。?） 靜態(tài)優(yōu)先即調(diào)度

　　速率單調(diào)靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度（Rate Monotonic Scheduling Model）的調(diào)度優(yōu)先級(jí)由任務(wù)周期確定，在任務(wù)周期等于時(shí)限得同步實(shí)時(shí)任務(wù)系統(tǒng)中是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。但該算法調(diào)度判定時(shí)間復(fù)雜度是指數(shù)增長的，而且對(duì)任務(wù)的執(zhí)行周期限制得過于嚴(yán)格，只能處理具有固定周期任務(wù)。針對(duì)以上不足，Tindell K等人考慮到任務(wù)的阻塞，給出了非搶占服務(wù)方式下RM算法的可調(diào)度條件。Hong等提出基于時(shí)間窗的靜態(tài)帶寬調(diào)度算法避免了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中產(chǎn)生干擾和數(shù)據(jù)沖突，并且將該調(diào)度算法用于循環(huán)服務(wù)型NCS和CAN下NCS中。

　?。?）動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度

　　在動(dòng)態(tài)優(yōu)先即調(diào)度中，任務(wù)的時(shí)間約束關(guān)系并沒有完全確定，新任務(wù)的到達(dá)時(shí)間是未知的。Liu和Layland提出時(shí)限最早的任務(wù)調(diào)度（Earliest Deadline First Scheduling），指出任務(wù)優(yōu)先級(jí)是任務(wù)時(shí)限與任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻的差，該算法對(duì)同步周期任務(wù)組是最佳的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。鑒于EDF是基于搶占式的調(diào)度算法，并且任務(wù)間的切換需要大量的開銷，Eker J等人給出了非搶占式的EDF算法的可調(diào)度條件。 Walsh等基于在線獲取的網(wǎng)絡(luò)傳輸誤差提出了一種動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大誤差-嘗試一次丟棄（Most Error First- try Once Discard）的調(diào)度算法。Otanez P等提出了基于死區(qū)的動(dòng)態(tài)調(diào)度在確保系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)地丟棄一定比率的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

　?。?）混合調(diào)度

　　Tabuada等給出的基于退火機(jī)制的控制任務(wù)的事件觸發(fā)實(shí)時(shí)調(diào)度算法就，其基于帶有反饋事例的事件觸發(fā)調(diào)度器，并且給出了保證系統(tǒng)性能的條件。

　　4.2.2 調(diào)度和控制的協(xié)同設(shè)計(jì)

　　可以分為開環(huán)調(diào)度和反饋控制實(shí)時(shí)調(diào)度兩類。

　?。?） 開環(huán)調(diào)度

　　Kim Y H 等基于窗口的概念，給出了一種通過調(diào)度采樣時(shí)間來減少時(shí)延影響并提高網(wǎng)絡(luò)利用率的調(diào)度算法，建立了NCS控制系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)性能間的約束關(guān)系，并提出了適用于多維對(duì)象采樣時(shí)間的調(diào)度算法。Cervin A 考慮了變化時(shí)延的控制系統(tǒng)的采樣周期的選擇問題，對(duì)低于一個(gè)采樣周期的時(shí)延系統(tǒng)的采樣周期進(jìn)行了分析。Branicky M S和Zhang W等提出將非搶占RM調(diào)度算法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)得調(diào)度，并給出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度的充分條件;并在此基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間進(jìn)行了分配，給出了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化方法。

　?。?） 反饋控制實(shí)時(shí)調(diào)度

　　開環(huán)調(diào)度在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能精確建模的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)或靜態(tài)系統(tǒng)中可以取得很好的效果，但在不可預(yù)測的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，算法的有效性則會(huì)降低。Cervin等提出一種將控制和調(diào)度動(dòng)態(tài)彈性集成的框架，允許在線平衡控制性能和可用的計(jì)算資源。Eker等提出了針對(duì)線性二次型的反饋控制器，在可調(diào)度的情況下通過調(diào)整控制環(huán)頻率來優(yōu)化控制性能。

5 展望

　　目前，針對(duì)時(shí)延和丟包情況下NCS的穩(wěn)定性研究以及帶隨機(jī)噪聲的NCS的最優(yōu)控制問題的研究較多，而針對(duì)帶有確定性干擾NCS的最優(yōu)擾動(dòng)抑制問題和故障診斷問題則不多見，將最優(yōu)擾動(dòng)抑制理論應(yīng)用于帶有時(shí)延和丟包的NCS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)擾動(dòng)抑制是研究的一個(gè)重要方向。在用Markov鏈對(duì)NCS建模時(shí)，都假定狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移概率是已知的，而實(shí)際上還存在Markov鏈中狀態(tài)未知的情形。如何通過HMM（Hidden Markov Model）來辨識(shí) Markov狀態(tài)數(shù)及其轉(zhuǎn)移概率是分析和設(shè)計(jì)NCS必須面臨的問題?；贖MM的估計(jì)理論是處理混雜情況下辨識(shí)問題的有力工具，將HMM理論應(yīng)用于NCS 也是研究和設(shè)計(jì)NCS的重要方向。NCS信息調(diào)度的研究大多限于單控制回路，對(duì)共享網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)控制回路的優(yōu)化調(diào)度等問題需要進(jìn)一步的研究?？紤]網(wǎng)絡(luò)利用率、數(shù)據(jù)包丟失率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重約束，建立NCS多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)而考慮NCS的實(shí)時(shí)性要求，研究NCS分級(jí)多目標(biāo)優(yōu)化問題的求解方法。