基于预测控制的网络时延补偿策略研究

孙嘉航

摘 要：文章指出，当前，网络控制这一课题已经逐渐成为学术界研究的一个重点问题，为使网络控制系统中的时钟不同步问题得到解决，可以采取基于预测控制的网络时延补偿策略对系统时延进行补偿。而通过仿真分析可以发现，该策略的实施能够使网络时延得到精确补偿，并且能够使网络控制系统性能得到有效改善，因此可以在网络控制系统中得到应用。

关键词：预测控制；网络时延；补偿策略

在网络控制系统中，系统信息交换的实现需要通过各节点对网络资源进行共享。而在这一过程中，系统将不可避免的出现时延问题，以至于将导致系统性能受到影响。因此，有必要对基于预测控制的网络时延补偿策略展开研究，从而更好地提高网络的使用性能。

1 网络时延与预测控制分析

在网络控制系统中，控制器、被控对象和驱动器将利用公共的网络平台连接，所以信息资源能够在系统内部实现有效共享。但是，受到网络带宽的限制，网络控制系统中比较容易出现资源竞争和网络拥塞等现象，从而导致数据传输出现延迟。这种现象被称为网络时延，会对网络系统性能产生不良的影响。而预测控制是一种计算机闭环控制算法，可以通过将实际反馈信息反复优化实现在线的滚动优化计算，所以不需要被控对象的数学模型就能够取得良好的综合控制效果。使用该种控制算法，可以对网络控制系统的不确定性影响进行估计，并且实现系统校正，在网络时延补偿方面具有较好的鲁棒性。

网络控制系统是由被控对象、控制器、传感器和执行器所构成的，是以控制网络为核心枢纽，对控制器和系统等组成部分进行连接和网络传输，具体如图1所示，对网络控制系统研究的基本问题，主要包含以下几个方面。

第一部分：单包传输和多包传输。网络控制系统同其他传统控制系统的主要区别就在于，网络控制系统是以数据包的形式进行信息的传输，其中，网络传输中的数据包传输，又被划分为单包传输和多包传输。

第二部分：网络诱导时延。因在反馈回路中引入了控制网络，所以使信息在传输的过程中会产生一定的时延，将这一现象称之为网络诱导时延，这一问题也是整个网络控制系统中需要解决的主要问题之一。

第三部分：数据包丢失。数据包丢失的产生原因是多方面的，例如网络阻塞现象、连接中断，以及节点竞争数据发送权失败等，都可能造成数据包的丢失。

第四部分：网络调度。所谓调度是指确定各系统各节点发送数据的先后顺序、发送的时间以及时间间隔等。网络调度是网络用户层、网络传输上层的必要环节，其主要目的在于尽可能的避免网络冲突及阻塞现象的产生。

2 基于预测控制的网络时延补偿策略

2.1 研究假设

针对基于预测控制的网络时延补偿问题的研究，可以先假设在网络控制系统中带有时戳的数据都采用单包传输方式，并且对控制器的计算时延进行忽略。在此基础上，需要假设反馈时延和前向时延均有界，并且前向网络传输过程中连续丢包数不大于时延的最大值。此外，需要假设系统执行器和控制器都需要利用相同周期的时间驱动，并且使用事件—时间驱动器进行控制器的驱动。而正常的情况下，使用该方式进行控制器驱动，需要立刻对其接收到的传感数据执行控制算法[1]。在反馈时延超出界限的情况下，需要使用时钟驱动方式进行控制器的驱动，并且利用自动运行控制算法进行控制量的输出，从而使数据包丢失的问题得到解决。最后，需假设反馈时延是可以测量的，并且可以利用在线估计技术进行反馈时延的获取。

2.2 预测控制器设计

在设计网络控制系统的预测控制器时，需要在控制器节点引入GPC算法，并且进行缓冲区的设置。同时，也需要在执行器节点进行缓冲区的设置，从而使数据包在到达缓冲区时按照时间戳实现排序的自动更新，以便使时序错乱问题得到较好的解决。从结构上来看，网络预测控制器由预测控制产生器和网络时延补偿器构成。其中，控制产生器主要用于进行未来控制信号的生产，时延补偿器用于补偿未知网络的延迟。在网络控制系统中，被控制对象的控制量将受到执行器的选择作用。在此基础上，这些控制量将与传感器采集的系统输出数据一同大包，然后利用网络传递给控制器[2]。根据控制器参数，控制器将完成数据的识别，并且解决被控对象模型参数不时变化的问题，继而更好地完成网络时延的自适应控制。

2.3 网络时延补偿策略

在对网络时延进行补偿时，需要根据网络控制系统的实际运行情况采取相应的补偿策略。首先，在网络不受影响的条件下，需要进行保证系统性能需求的控制器的设计。其次，基于系统历史输出信号，并且根据控制器输入信号和参考输入信号，需要建立相应的输出预估器，从而对系统未来输出控制信号进行预测。再者，根据网络时延控制器的设计，需要对预测控制产生器的输出序列进行计算。在这一过程中，需要将序列划分成时延产生的前一时刻的控制序列和时延产生后一时刻的预测控制序列[3]。而在时钟驱动下，还要将预测控制产生器的输出序列传递给被控对象端，并且打包输送给网络延迟补偿器。最后，需要利用补偿策略从被控对象网络延时补偿器中进行最新控制值的选择，并且将其当成是输入信号输入执行器。在这一阶段，需要对补偿器同时接到多个数据包和补偿器在控制周期内无法接收数据包的情况进行分别考虑，从而合理进行控制补偿器的选择。

2.4 策略的仿真实验分析

为了对基于预测控制的网络时延补偿策略展开研究，可以使用MATLAB工具箱构造一个网络控制系统，并且在不考虑网络时延的情况下进行控制器的设计，然后在不改变PI参数的情况下运用补偿策略进行网络时延补偿。而网络传输速率可设为10M/S，系统为时钟驱动。仿真实验结果表明，在网络时延增大的情况下，系统振动将逐渐加剧，系统性能则逐渐下降。使用预测控制策略，可以在系统网络时延大于1个采样周期时实现对网络时延的有效补偿，并且使系统性能与无网络时延条件下基本相同，所以该预测控制器具有良好的补偿效果。

3 结语

总而言之，在现实生活中，网络时延几乎是不可避免的一种现象。而使用预测控制理论进行预测控制器的设计，从而采取相应的网络时延补偿策略进行系统时延补偿，则能使网络性能得到有效改善。因此，本文对基于预测控制的网络时延补偿策略展开的研究，可为相关工作的开展提供指导。

[参考文献]

[1]付伟，杨先一，刘国权.网络控制系统时延的预测控制补偿方法[J].系统工程与电子技术，2011（9）：2066-2071.

[2]隋树林，朱孔阳，翟伟.基于动态矩阵控制的网络控制系统时延补偿策略[J].青岛科技大学学报：自然科学版，2010（3）：308-310.

[3]朱孔阳.网络控制系统的时延在线估计与时延补偿策略研究[J].微型机与应用，2010（12）：75-77，81.

[4]田中大，高宪文，李琨.网络控制系统的自适应预测控制[J].应用科学学报，2013（3）：303-308.

[5]陈晨，陈谋.无线网络控制系统中随机时延的DMC补偿策略[J].太赫兹科学与电子信息学报，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