网络控制系统的概述和研究趋势*

夏 鑫,张 果,王剑平,杨晓洪,杨俊东

(1.昆明理工大学;2.云南大学)

网络控制系统的概述和研究趋势*

夏 鑫1,张 果1,王剑平1,杨晓洪1,杨俊东2

(1.昆明理工大学;2.云南大学)

介绍了网络控制系统及其不同的形式，讨论了网络控制系统的发展与演变；关注了网络控制系统的不同研究领域，包括在实时网络控制系统中的网络技术、网络延时、网络资源分配和网络安全计划，重点讨论了网络系统的部件组成和容错率等了.

网络控制系统；综述；研究趋势；文献调查

0 引言

当一个传统的反馈控制系统是通过一个通讯通道形成闭合时(比如网络系统)，其可以与控制系统之外的其他节点形成共享，则这样的控制系统就被定义为网络控制系统，在所有关于网络控制系统定义的文献中都有一个共同的关键特点，即信息(参考输入、设备输出和控制输入等)在控制系统组件中(传感器、控制器和驱动器等)使用共享的网络进行数据交换[1].

1 网络控制系统的基本原理

任何一个网络控制系统的基本职能都包括信息采集(传感器/用户)、命令(控制器/用户)、通讯、网络和控制(执行器)，如图1所示，广义方面的网络控制系统的研究主要分为以下两个部分[2].

(1)控制网络.学习和研究网络通讯以使它们适用于实时网络控制系统，例如路由控制、减少阻塞、高效的数据通讯以及网络协议等.

(2)网络控制.大部分涉及通过网络与控制策略和控制系统的设计来尽可能地减少对网络控制系统性能不利的网络参数，如网络延时.

图1 网络控制系统结构

该文重点关注因“空间限制”的网络控制，同时也包含网络控制系统中相关网络技术的研究发展.

在网络控制下，两种主要的控制系统利用了通信网络：共享网络控制系统和远程控制系统.各种网络控制系统结构都面临维持服务质量(QoS)和控制质量(QoC)的难题.在网络中衡量服务质量的特性包括传输速率和出错率等，更进一步是在一定程度上保证预见性.服务质量可能因为网络阻塞和干扰而受到影响[3].

2 网络控制系统的研究课题与趋势

2.1 网络技术的发展研究

通讯网络是网络控制系统的支柱，在选择通讯类型时，可靠性、安全性、易用性和可用性是主要考虑的问题.

在网络控制系统中使用的通讯网络——以太网已经演变成如今实施最为广泛的物理层和链路层协议，主要在于其网络组件的低成本以及与现有的以太网架构的向后兼容性，同时还开发了快速以太网(10～100 Mb/s)和千兆以太网(1000 Mb/s)，近期交换以太网由于消除了传统以太网的不确定性而在实时工业应用中成为不错的选择，控制系统的发展进程如图2所示.

图2 控制系统的发展进程

无线网络控制系统由于其能完全移动操作、灵活安装、快速部署提出许多引人注目的应用，如自动化高速公路和工厂等.传感硬件、通信和低功耗计算的快速发展致使商业用途的无线传感器节点丛生.

协同设计原理、通信技术与控制理论的合并，可以同时使用采样适应率来提高控制和通信性能.总的来说，网络的选择基于应用程序所期望实现的功能，大多数现场与控制器相互离得很远，互联网成为许多应用最合适和廉价的选择，每个网络/通信媒体可以对系统性能产生降级作用.

2.2 网络延迟效应

网络由于其存在延时、电子跳动和损耗可能会采取不可靠性或不确定性服务水平，在对时间敏感的网络控制系统中，如果延迟时间超过了指定可容忍的时间限制，则可能会破坏或者削减工厂和设备的性能[4].时间敏感应用分为硬实时工作和软实时工作，在硬实时系统中，到达任务的截止期时，其效用功能立即归零，因此任务必须在硬截止期前完成，而在软实时系统中，效用功能会逐步削减至最小.

(1)网络延迟的建模与分析.为了了解网络延迟对网络控制系统的影响，对网络延迟和其他网络属性(比如丢包和电子跳动)进行建模就变得很重要，网络延迟有各种各样的建模和分析方法，它们可以建模为恒定的延迟(时间缓冲)、独立随机的延迟和由Markov链模型支配的已知概率分布的延迟.为了使延迟对网络控制系统性能的影响达到最小，在以后的讨论中将应用精确的延迟建模和延迟补偿方法.

(2)延迟补偿.数学上的、启发式的和基于统计学的不同方法被用于分析网络控制系统中的延迟补偿，部分文献已经提出几种用于补偿和减轻随机网络延迟的先进技术，处理这个问题的最优随机方法是线性二次高斯(LQG)课题，其中线性二次高斯增益矩阵是基于所述网络延迟统计学上的最佳选择，排队论/缓冲作用方法是常用的方法，它将网络控制系统转换成时不变系统用以缓解延迟.在处理线性、非线性设备的网络延迟和数据包丢失的问题上许多学者提出排队论策略，该方法的优点如下：

①不需要重新设计现有的预测性控制器；

②不要求时钟同步；

③类似丢包的恶劣网络条件对其只有轻微的影响.

鲁棒控制方法将系统中的延迟看做乘法扰动，运用鲁棒控制来最小化扰动的影响从而保证系统性能.这种控制器不需要提前知道网络延迟的可能性分布.在过去十年中，提出更多技术类似非线性和扰动理论以及时间采样调度，一些控制技术发展成为特定种类的应用程序，这些技术包括波形变量和基于事件的控制.然而现有的系统大多数应用于工业设备，应用和实施这些控制技术可能造价昂贵、不方便而且非常耗时，主要原因在于为了使用数据网络，所有现有的控制器可能必须重新设计、更换或者重新安装[5].其中一些方法也已经对网络控制系统进行了严格的假设，例如网络时间延迟小于采样时间、网络控制系统不存在随机网络延迟和数据以数据包的形式传输.

2.3 网络控制系统中的容错控制

内置冗余增加了故障率，而实施容错是为了防止故障通过系统传播，两者都是决定网络控制系统安全的基本因素[6].

2.4 带宽分配与调度

互联网服务驱使通信的快速增长，很容易导致不合算资源的过度配置，因此在尺寸标注方法上强加了很多新的要求.以成本最小化、服务数据流最大化为目标的网络设计问题变得愈发重要[7].在控制多组网络控制系统时，由于可用带宽是有限的，应最优化和最有效地使用带宽.人们普遍认为在这种相互矛盾的需求下Max-min fair(MMF)原则能帮助找到最合理的带宽分配方案.

至于网络控制系统的稳定性，则需要找到延迟允许范围的最大值(MADB)，应用的网络调度方法的基本采样时间应该在MADB之内同时保证数据的实时传输.适用于网络控制系统调度的方法有以下几种[8]：

(1)网络控制系统的调度方法：现行的处理器运用不同优先级的调度技术，如嵌入式系统开发人员运用单调速率调度(RMS)和截止时间单调调度算法进行并行和多线程处理.最初的网络调度技术来源于这些技术，后来因为它们不适用于在微处理器中观察的微/纳秒时间延迟，产生不同的形式以兼容网络时延结构.

现在有各种各样的资源分配和调度技术，简单的队列方法可以对设备的输出进行周期性地采样，并把得到的数据记录到“先进先出”队列.然而传感器的采样周期必须比平均传输时间间隔大，否则，队列就会溢出；另一种是不执行队列的“尝试—丢弃”方法，相当于只要不能传输就会丢弃数据，比如在网络不可用时.也有很多工具用于网络控制系统的调度开发，比如Petri-net建模、整数、非线性、动态规划、人工智能工具和遗传算法.

(2)DBA：动态带宽分配(DBA)服务用于网络支持的多媒体应用，如VoIP、视频通讯和ATM网络.通过DBA，光纤网络性能中的网络协议可以得到改善.由于低成本以太网设备和光纤基础设施的收敛，基于以太网的无源光网络正在被考虑作为下一代宽带接入网络的有前景的解决方案，同时在速率约束下进行状态估计也是有限带宽的一个相关研究问题[9].

2.5 网络控制系统中的网络安全

任何网络媒介，特别是无线媒介，受外界影响信息容易被截取.对网络控制系统的研究起源于对危险环境的安全性和方便性的关注，比如核反应推发电厂、空间项目、疗养院和军事应用等，在所有的这些应用中，安全是最关心的问题[10].大多数网络控制系统很容易受到网络攻击，因此高效可扩展的入侵检测系统(IDS)的需求不断增长.然而网络控制系统的网络安全研究仍在初期，大部分研究着重于网络控制系统在一些关键应用程序中的可行性和其组件集成.

2.6 网络控制系统中的组件集成

在讨论了网络控制系统中各模块以及控制系统和网络结构可能出现的相关问题后，实现最终目标的关键点在于组件的集成，这些模块进行独立的任务同时它们也形成一个大的分布式系统[11].因此为了提高网络控制集成系统的效率，不仅要提高每个集成模块的性能，也要注重不同模块之间数据接口的效率.

(1)成功的而且可重构的集成所需要的技术和操作系统：一个精心设计的软件体系架构和中间件是网络控制系统广泛部署和扩散的关键点，更重要的是，这样的体系结构促进了软件的复用，因为一个设计优良的组件在进行一个系统的测试，其所应用的控制算法能够很容易地移植到另一个类似的系统，与此同时，也要考虑通信环境和命令模块的适用性[12].

(2)汽车行业中的网络控制系统.①对于汽车专用微机控制器( ECU)，应该有一个定义良好的软件集成过程以满足汽车制造商的所有关键要求；②体系结构的分级程度的选择已经成为汽车电子产品的关键问题.OSEK是一个实时操作系统，创建于1993年，作为联合项目应用于德国汽车工业.法国汽车制造商PSA和雷诺于1994年加盟于OSEK，引进了各自的汽车分布式执行办法，这个操作系统被看作是在各种网络规定中并发应用程序控制其实时执行的基础，已经出现了更多的操作系统和中间件如AlphaOS和AUTOSAR.

3 结论和未来的研究趋势

该文介绍了网络控制系统及其不同的形式，重点分析了网络控制系统中的网络延迟和带宽分配调度问题，随着网络控制系统在现实生活中的广泛应用，安全实时控制是一个重要问题，这就要求关注网络控制系统的实时优化问题和安全威胁建模，另外由于大量传感器和执行器在网络上的空间分布，给大型复杂的网络控制系统设计容错控制系统仍有难度，根据网络延迟行为来修改系统的控制部分是解决这个问题的一种方式，此外研究人员在无线网络通讯领域建立新的网络协议使系统更具有灵活性并使其时间独立.

[1] Rachana Ashok Gupta,Member. Networked Control System and Research Tread[J].IEEE,2010,57.

[2] 游科友,谢立华.网络控制系统的最新研究综述[J].自动化学报,2013,39(2):101-118.

[3] 吴迎莲,张建华,等.网络控制系统研究综述[J].现代电力,2003,20(5):75-79.

[4] 张庆灵,张雪峰,等. 网络控制系统研究综述与前景展望[J].信息与控制,2007,36(3):365-368.

[5] 顾洪军,张佐,吴秋峰.控制系统的网络化发展[M].工业仪表与自动化装置,2000(1):62-65.

[6] 王征,谈大龙,王向东.网络控制系统稳定性研究[J].控制与决策,2002,17(增刊):802-804,807.

[7] 张结斌,文代刚.基于Internet/Intraent分布式网络控制系统的实现[J].自动化与仪表,1999,14(4):1-4.

[8] 张孝林,吴介一,等.高速计算机网络中的阻塞控制系统设计方法综述[J].信息与控制,2001,30(1):46-54.

[9] 汪小帆,孙金生,王执铨等.控制理论在Internet拥塞控制中的应用[J].控制与决策,2002,17(2):129-134.

[10] Raji. Smart network for Control[J].IEEE Spectrum, 1994:49-55.

[11] 于之训,陈辉堂,王月娟.闭环网络控制系统研究综述[J].信息与控制,2001,30(7):689-695.

[12] 周洪,王均.工业过程网络控制理论的研究状况[J].自动化博览,2002,19(5):28-29,32.

(责任编辑：季春阳)

The Overview and Research Trend of Networked Control System

Xia Xin1,Zhang Guo1, Wang,Jianping1,Yang Xiaohong1,Yang Jundong2

(1.Kunming University of Science and Technology; 2.Yunnan University)

In this paper, the NCS and its different forms are introduced and discussed. The history and evolution of NCSs is discussed and the different fields and research arenas are focused on, such as networking technology, network delay, network resource allocation, scheduling, network security in real-time NCSs, integration of components on a network, fault tolerance, etc.

Networked control system(NCS) ; Overview ; Research; Survey

2016-12-09

*国家自然科学基金(61364008);云南省应用基础研究重点项目(2014FA029);云南省教育厅重点基金项目(2013Z127);昆明理工大学复杂工业控制学科方向团队建设计划

TP393

A

1000-5617(2016)05-0029-04