关于网络控制系统的最优通信和控制的协同设计研究

彭轻羽 汪玉尧

摘要：由于延迟问题的发生，降低了网络控制系统的效果。基于此本文对网络控制系统的最优通信和控制协同进行设计研究，在研究的过程中涉及到了总线的网络控制系统，在设计过程中结合了通信协同内容。并且结合研究背景对网络控制系统进行阐述，对于总线而言，主要针对以下三个方面进行研究：协议组成、技术特点和优势。对于网络控制系统而言，通信协同设计需要初步设定，并且在设定过程中还应考虑液位控制系統的影响因素，液位系统容易引起网络延时，基于此针对上述情况，对网络延时特点进行总结，并且以此建立出力模型。针对各类延时问题，给予具有针对性的解决措施，尤其对信息传输进行优化，并且结合实际情况对预估器进行补偿，从而使其适应控制器，同时也体现出了协同设计的作用和思想。

关键词：网络控制系统;最优通信;协同设计

引言：在上世纪九十年代，工业控制领域发生了变革，主要针对工业控制技术进行优化完善。网络控制系统主要包括几个重点内容，首先是传感器和执行器，其次是控制单元。通过计算机网络将以上内容进行结合，并且在结合过程中控制总线闭环接入，使其能够共同完成工作任务，并且将工作任务反馈给控制系统。在此过程中NCS系统可以结合共享功能对控制系统进行优化完善，并且结合特点对控制系统进行设计，此项工作具有一定挑战性。在设计过程中主要的开销如下：信道竞争、物理信号编码、通信协议处理等等，都是额外开销较大的内容，所以在对系统进行优化的过程中会出现各类不可确定因素的影响，尤其是在控制器和传感器方面，影响因素较多。影响较为明显的因素为：网络延时和错误代码，此两类问题给设计工作带来了一定的难度。

一、网络控制系统容易出现的问题

传统意义上控制系统所研究的内容是点对点的连接问题，实际上就是控制器与被控制之间的关联，通过设计内容优化延时问题，降低延时问题发生的概率。网络控制系统研究的最终目的是对信息的网络传输，通过过程中各类部件进行传输工作，并且降低传输过程中出现延时问题。因其网络存在各类不确定影响因素，所以对于网络控制器的执行工作很难进行控制，整体控制难度较大，并且在控制的过程中会出现延时问题，加大了控制难度。此类内容与传统的计算机网络相比较有一定差距，因其被广泛使用，所以网络中的介质较多，提高了整体控制工作的复杂度。主要的问题内容如下：首先是网络客户的数量较多，由于网络客户共享通信介质角度，并且变化不可控，并且整体变化不具备一定规则，为后续控制工作加大了难度。其次是数据的传输途径较多，有计算机终端也有通信设备终端，具体内容不固定。最后是数据单元在传输的过程中会根据网络情况形成不同的影响因素，比如说连接中断或者是数据包丢失情况，整体控制难度较大，并且由于网络不可控因素较多，所产生的问题也具有一定差异性。综上所述，我们不难看出网络传输一直处于不稳定的状态下，并且每一个动态所处的环境也具有一定差异。所以闭环反馈系统和非线性反馈控制系统具有一定复杂性，在此过程中加之延时问题的不可控性，对整体工作造成了严重影响，并且有一定不确定关系。网络控制系统在工作过程中需要结合线性能力进行支持，才可更好的为其工作提供动力，在此过程中如果线性能力不能满足实际工作需求，则降低了整体网络环境，为了能够维持良好的系统性能，相关设计人员需要确保设计的科学性和稳定性，在规定时间内还需对设计内容进行调整，制定一系列的设计准则，完善设计内容。

二、网络控制系统的最优通信和控制的协同设计

（一）单主站系统网络延时的“1-n”模型

首先是高级优先任务的设定，此任务主要包括了主站和底层传感器之间的任务内容，需要二者任务互相交换，并且要求二者按照规定周期进行工作。在控制方面需要满足高级任务需求，主要针对实时性进行研究，具体工作内容需要高级任务进行最大传送。

其次是低优先级任务的设定：低级任务需要结合逻辑环节进行网络设定，主要对任务进行维护，此类任务无需按照周期性进行工作。

再次是延迟令牌的设定：延迟令牌需要在主站中进行获得，并且在获得过程中以TRR>TTR代明。在延迟令牌的情况下，主站仅只可以处理一个高级任务，后续不可在进行其他任务的工作，所以延迟令牌主要依托于高级任务的工作模式。溢出主要指的是超出时间的预算被称之为益处，指一项工作未按照工作时间内完成，我们可以称之为溢出。临界瞬时实际上是对任务的最大限制时间进行请求，主要针对于高级任务，并且还需满足相应周期，结合队列形式进行时刻的记录。

最后是初始阻塞，初始阻塞指的是在临界点发出的请求，并且等待请求的时间被称之为阻塞时间。而临界负载指的是在瞬间内发生问题，被处理时所间隔的时间被称之为临界负载。实际上临界负载也可以被称之为一个特定的时间值。比如说评估时所需时间为Rc，在进行设计的过程中就需要考虑临界瞬时时刻，或者对初始阻塞进行考虑，以此完善设计的流畅性和合理性，以上两个内容会直接导致时常问题，所以基于此需要对此项内容进行严格控制。初始阻塞也可以分为最长初始阻塞，最长初始阻塞主要是第一次报文请求到最终延时时长的距离。同时还有最长临界负载，主要指的是获取令牌的最长时间[1]。

（二）自适应模糊Smith控制器

在网络控制系统中，针对网络延时的不确定性，需要结合间隔时长进行设计，降低紊乱问题发生的概率，此过程还会造成相位的滞后问题，如果情节严重会影响整体系统的稳定性。所以在此内容的基础之上需要对计算机主站系统进行最大传输延时设置，主要针对模糊控制器进行补偿，以此优化延时所带来的问题，比如说反馈和控制信号的滞后。以此保证控制系统的稳定性，降低影响因素带来的危害，并且完善整体系统的工作质量[2]。

结论：综上所述，随着科技的发达，计算机技术的不断普及，网络具备了复杂性的特点，并且在此过程中延时问题极为突出，为了改善此类问题的发生，对以上系统进行设计，以此满足实际需求。

参考文献：

[1]杜明莉，周川，陈庆伟.具有通信约束的网络控制系统动态调度与H_∞控制协同设计[J].控制理论与应用，2019，29（09）：1132-1138.

[2]杜明莉，周川，陈庆伟.具有通信约束的网络控制系统动态调度与状态反馈控制的协同设计[A].中国自动化学会智能自动化专业委员会：中国自动化学会智能自动化专业委员会，2019：6.

作者简介：

彭轻羽（1995年5月-），男，汉族，浙江杭州人，硕士研究生，研究方向：从事通信网络与优化控制方面的研究。