摘 要：綜述了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，闡述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者從控制和信息調(diào)度角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)、狀態(tài)估計(jì)器設(shè)計(jì)以及基于模型的故障診斷和容錯(cuò)控制等方面的研究進(jìn)展;在此基礎(chǔ)上分析了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題并展望了以后的研究方向。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng);穩(wěn)定性分析;控制器設(shè)計(jì);調(diào)度;故障診斷 [b][align=center]Survey on Status of Networked Control Systems ZHANG Wen-xia YUAN Jian[/align][/b] Abstract: The state-of-arts of NCS （Networked Control Systems） is surveyed firstly, and then some advances on stability, controller design, state estimator, and model-based fault-diagnosis and fault-tolerant control and so on from control and scheduling are introduced in this paper. Last the demanding problems on NCS and future research fields are provided. Keywords: Networked Control Systems; stability analysis; controller design; scheduling; fault diagnosis 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(jiàn)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(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)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(guò)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(wú)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(lái)困難。網(wǎng)絡(luò)給NCS帶來(lái)的主要問(wèn)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(guó)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(wèn)題描述 　　NCS結(jié)構(gòu)圖可以用圖1來(lái)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(lái)的問(wèn)題為： [align=center] 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[/align] 　　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(lái)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(wèn)題以及樣本數(shù)據(jù)拒絕問(wèn)題。 [align=center] 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[/align] 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(wú)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題既可以從控制角度來(lái)研究，也可以從信息調(diào)度角度來(lái)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(jiǎn)化為只有和。最簡(jiǎn)單情形，假定和是恒定的，從而可以將問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橐话隳堑暮愣〞r(shí)延控制問(wèn)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(wèn)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(cè)器的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題，討論了多率情況下的可變時(shí)延問(wèn)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(wèn)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(wèn)題，給出了最優(yōu)狀態(tài)濾波器和預(yù)測(cè)器的設(shè)計(jì)過(guò)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(wèn)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(shuō)明是在新的測(cè)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(lái)說(shuō)，采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的采樣方式常常會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，如過(guò)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(wèn)題;并研究了具有對(duì)數(shù)凸特性噪聲的最優(yōu)觀測(cè)器設(shè)計(jì)問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wú)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(wèn)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+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(wèn)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(wèn)題和故障診斷問(wèn)題則不多見(jiàn)，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(guò)HMM（Hidden Markov Model）來(lái)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(wèn)題。基于HMM的估計(jì)理論是處理混雜情況下辨識(shí)問(wèn)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(wèn)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(wèn)題的求解方法。