基于变采样周期的网络控制系统协同设计综述.pdf

l 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第 4期 基 于变 采样周期 的 网络控制 系统 协 同设 计 综 述 康凯 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研 究所 河南 洛 阳4 7 1 0 0 0 摘要 大量的信息传输给有限带宽的网络控制系统设计带来了诸多挑战 针对网络控制 系统 的大规模及分布性 该文以采样周期为切入点概述 了带宽受限情况下解决网络控制 系统数据传输及 控制 系统设计的方法 并对基于变采样周期的网络控制 系统控制与调度协同设计方法作 了必要展望 关键词 网络控制 系统 采样周期 有限带宽 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 5 0 4 0 0 1 6 0 4 Ov e r v ie w o f C O de s ig n o f ne t wo r k e d co nt r o l s y s t e m b a s e d o n v a r ia bl e s a mp l ing p e r io d KANG Ka i L u o y a n g I n s t i t u t e o fE l e ct r o O p t i ca l D e v i ce s A v i a t i o n I n d u s t r y C o r p o r a t i o n of C h i n a H e n a n L u o y a n g 4 7 1 0 0 0 C h i n a Ab s t r a ct T h e v a s t o f i n f o r ma t io n t r a n s mi t t in g o n n e t wo r k b r in g ma n y ch a l l e n g e s f o r n e t wo r k e d co n t r o l s y s t e m N C S w h i ch h a v e t h e ch a r a ct e ris t ic o f l imi t e d b a n d w id t h A cco r d i n g t o t h e l a r g e s ca l e a n d d is t ri b u t e d o f NC S t h e s t r a t e g i e s o f co n t r o l a n d s ch e d u l in g C O d e s i g n o f NC S o n t h e g r o u n d o f l imit e d ba n d wid t h a r e r e v ie we d f r o m t h e p o i n t o f s a mp l in g p e r io d Al s o s o me p r o mis in g di r e ct io n s o f C O d e s ig n o f NCS b a s e d o n v a r ia b l e s a mp l i n g p e ri o d a r e g iv e n in t hi s p a p e r Ke y wo r ds ne t wo r k e d co n t r o l s y s t e m s a mp l in g p e ri o d l imit e d ba n d wid t h 0 引言 随着计算机网络 信息技术的不断发展 越来越 多的物理系统需要通过 网络实现其 自身的功能 同 时 物理系统的 自动化需求也不断提升 通过网络进 行控制得以应用 产生 了网络控制 系统 N e t w o r k e d C o n t r o l S y s t e m N C S 应用服务数据存储控制决策手持终端 甲 I 之 网 络 锶能家居 镨能交通 安全监测 智慧农业机器人 图 1 N C S的应用 如图 1 所示 网络控制 系统是将通信网络引入 到传感器 控制器和执行器之间形成闭环控制 回路 收稿 日期 2 0 1 5一O l一1 7 作者简 介 康凯 1 9 8 0 男 河南郑州人 工程师 本科 研究 方 向为嵌入式技术 网络控制系统 因其具有连线少 成本低 易维护等优点得到了广泛 的应用 z 网络化控制系统 的出现顺应 了计 算机 科学 通信技术和控制理论的发展融合趋势 随着 自 动化领域信息化需求 的不断增强和信息技术应用领 域的不断延伸 业已成为控制界 信息界及政府企业 等关注的热 门领域 目前 N C S在智 能家居 工业 自动化 智能交通及物联 网等方面均 已得到了广泛 的应用与研究 I 4 J 然而 在大量数据传输和交换 背景下的 N C S 有限带宽始终是制约信息传输和控 制系统设计 的瓶颈 问题 J 该文 以采样周期为 切 入点 从控制与调度协 同设计的角度剖析了 N C S信 息传输及控制器设计 的相关 问题 并对基于变采样 周期的 N C S协同设计作 了必要的展望 1 NC S中采样周期与控 制性能 带宽 占用 的关 系 N C S 实质是将空间分布的多种传感器 控制器 和执行器通过互联 网连接在一起 各个闭环 回路控 制功能的实现及系统内部的信息交换依赖于实时的 通信 网络 这样的系统架构 已成为开放性 大规模和 2 0 1 5年第 4期 工业仪表与自动化装置 1 7 复杂控制系统应用 的首选 从物理结构上来看 通 信网络起到了连接传感 器 控制器和执行器 的作用 空间分布 的传感器将 采集到的物理系统的状态信息通过互联网发送给控 制器 控制器将传感器采集到的状态信息进行处理 运算 得出控制信号后实时地发送给执行器 执行器 根据不同的控制信号实施不同的控制功能 在此种 结构体系下 一方面 采样周期是决定控制品质的一 个重要 因素 一 J 因为频繁的采样输入与控制输出 有利于控制器获得更精确的系统状态信息 以及对被 控对象进行快速实时地控制 另一方面 所有采样数 据和控制信号的传递都要通过网络实现 而频繁的 输入输出信号需要通过网络传送大量 的数据 占用 较大的带宽 反之 需要通过 网络传输 的数据量较 小 占用较小 的带宽 由于 网络带宽的有限性 以及 网络 自身的不稳性 导致了时延 数据包丢失及 网络 拥塞等问题的产生 J 影响了 网络 的 Q o S 由此可 见 采样周期的选择影响了控制系统的 Q o P和网络的 Q o S 是进行 N C S控制与调度协同设计的直接纽带 N C S 是典型的多回路 网络化的计算机控制系 统 对其分析设计不可避免的要进行信号的采样 保 持 在目前的多数研究中仍沿用传统的基本采样与 保持假设 如 采样频率满足 S h a n n o n采样定理 等 间隔 同步采样等 基于以上假设进行控制系统的离 散化设计是容易的 并且大大简化了控制器的设计 然而 考虑到 N C S本身多输入多输出的结构特征及 庞大而复杂的被控对象的物理特性 加之不同控制 回路完成的控制任务也不相 同 原有 的采样周期 假 设是不合理 的甚至是不可能的 自然地 在之前 的采 样周期假设下得 出的结论也有待商榷 同时 为了 适应控制系统的采样需求 就必须对 网络带宽进行 合理的分配 传统的带宽分配通常采用 固定 平均分 配的方式 在这种带宽分配方式下 由于变采样产生 的不同闭环回路传输的数据量不同 要么导致带宽 资源的浪费 要么因带宽有限产生的诸如时延 网络 拥塞等问题 很难达到预期 的 Q o S 从 而影 响了 N C S 的综合性能 为了构造 出功能更加强大 更加适用于实际应 用 的网络化系统 变采样控制与动态带宽调度成为 N C S的必然选 择 国内外 学者从不 同角度进 行 了 相关研究并取得了一系列的成果 J 但仍有许多问 题没有得到足够的重视 和很好 的解决 因此 如何 在时变采样周期条件下同时进行控制策略研究和带 宽调度算法设计 是 N C S协 同设计 提升 N C S的综 合性能的重要内容 2 基于采样周期和带宽调度的协同设计现状 一 般来说 N C S的综合性能取决于控制 系统的 控制性能 Q u a l i t y o f P e r f o r m a n ce 简称 Q o P 和 网络 的服务质量 Q u a li t y o f S e r v i ce 简称 Q o S 而有限带 宽始终是制 约 N C S性能的瓶颈问题 在控制 系统 设计中 采样周期的选择对 Q o P至关重要 而网络 的 Q o S与带宽的配置密切相关 同时 采样周期 和 网络带宽的占用相互影响 相互制约 针对上述影 响Q o P 和 Q o S 的关键因素 目前的研究主要包括下 述 3个方面 2 1 采样周期控制 较大 的采样周期有助于减小通信 网络 中的数据 冲突和时延 确保控制算法的有效执行 却在一定程 度上降低了网络利用率 而较小 的采样周期虽然充 分考虑了网络利用率 但各节点的数据有可能产生 时延和数据包丢失 很难保证控制 系统 的性能 因 此 对采样周期 的控制是一种直接而有效 的协 同设 计方法 文献 1 O 考虑到 网络诱导 时延 可能大于一个 采样周期 假定采样周期取值在有限集内切换 构建 具有单状态观测器和多状态观测器的网络控制系统 Ma r k o v跳变模型 在此基础上获得闭环 网络控制系 统随机稳定的充分条件和最优 H w范数上界 文献 1 1 提出了在时延 N C S中利用有界的采样周期 通 过离散区问系统的建模及二次型性能的选取给出了 N C S的保性能控制 文献 1 2 通过分析采样周期 和网络时延对控制系统性能 的影响 在 网络资源 可 调度的情况下给出了优化 Q o P的采样周期求取方 法 然 而 网络环境是复杂多变 的 仅考虑时延对 N C S的影 响是片面的 文献 1 3 将 NC S建模为一类 带有参数不确定的离散 时滞系统 构造一个改进 的 李雅普诺夫 一卡拉索夫斯基函数 基于线性矩阵不 等式方法及 J e n s e n不等式方法 给出系统 严格 Q s R 一 耗散的充分条件 得到控制器的设计方法 上述研究表明 采样周期建立 了控制系统 Q o P 和网络 Q o S之间的联系 故如何实时地改变采样周 期 以适应网络环境的变化是实现协同设计不可忽略 的要点 变采样问题由此产生 变采样周期的基本 要义在于 它不仅对多个 回路采用不 同的采样周期 而且单个 回路的采样周期也是 时变 的 文献 1 4 1 5 分别用非线性规划和 K u h n T u ck e r 理论分析了 多回路的采样周期优化问题 对于单个回路的时变 1 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第 4期 采样周期的确定 文献 1 6 研究了基于 E t h e r n e t 的 双速率 P I D调节问题 文献 1 7 提出了基于输 出反 馈的多速率采样的 H 2 H 混合控制策略 上述对 于单回路和多回路两类采样问题 目 前大多是单独研 究的 而涉及 网络化多率控制系统 综合讨论的文 献并不多见 2 2带宽调度 就控制系统而言 适当的带宽是保证信号正确 恢复及系统稳定的必要条件 它与采样周期密切相 关 而就 N C S 大规模性及分布性而言 有限带宽始 终是 N C S的基本特征 所以合理的带宽配置是实现 控制与调度协同设计的重要方法 如图 2所示 瓣 带宽容量 丽蕊 f 葡 图 2 带宽配置 为 了保证数据实时性传输 文献 1 9 根据用户 对数据 的实时 l生需求研究 了一种基于二维优先级和 带宽协 同调度策 略 通过在优先级调度机制 中引入 带宽控制策略来提高改善网络环境 提高 网络 的服 务能力 为了适应网络带宽的实时变化 文献 2 O 提出了一种基于带宽调度的网络拥塞控制策略 建 立了基 于 网络 的 拥塞 状 态 和带 宽 的线 性 时不 变 L T I 模型 利用线性二次型调节 L Q R 的方法通 过动态的带宽调整来实现网络拥塞控制 而从通信 角度来讲 文献 2 1 基 于多输入 的 N C S 通过对输 入信道建模为加性范数有界不确定性理想传输 加 性范数有界反馈理想传输和加性高斯白噪声的非理 想传输系统 并设计了 Hw最优控制器 该控制器试 图以最少的网络资源利用来换取系统的稳定性 N C S的大规模性 和复杂性决定 了对 N C S的带 宽分配算法应具有强 的非线性 一定 的 自适应性和 高度的智能性 针对资源受限的多回路 N C S 文献 2 2 提出了一种基于模糊反馈调度的带宽分配方 法 利用二次型函数映射 的动态权重调整各个控制 回路的权系数 随后通过动态系统 的输出误差及误 差变化率 设计了模糊反馈调度器动态调整各个控 制 回路的优先级并分配以相应的带宽 文献 2 3 则 利用 B P神经 网络 通过对带宽调度器产生 的历史 数据和当前数据进行训练来预测下一周期可能产生 的带宽需求来进行死 区大小的调整 实现 了在复杂 的网络环境下资源的合理配置 但 以上的讨论是在 调度完成后可用采样周期下控制算法的设计 问题 2 3协同设计 对于 N C S而言 可用的网络资源通常是 时变和 不可预估的 一方面 由于时变的网络流量和未知 扰动 的影响 网络并不是 总能提供系统设计 时所需 的预期性能 另一方面 以最坏的网络状况下设计 的 控制器又不能充分利用有效的网络资源 势必造成 对于有限网络资源 的浪费 因此 同时考虑网络化 系统控制器 的设 计和实时 网络 的性 能状况非 常重 要 在保证控 制系统的 Q o P和 网络 的 Q o S的前 提 下 进行控制器设计和网络带宽调度的协同设计将 是提高 N C S综合性 能的有效措施 S t e o 2 提出 了 控制与调度协同设计的思想 将与网络相关 的诸多 因素融人到 N C S的设计和性能优化 中 即 在 网络 服务质量下降或者不能满足预定需求时 如何改变 控制器的设计来最大 限度的保证控制性能 而在 网 络资源充裕的情况下 如何使控制器充分利用网络 资源来提高系统的综合性能 综上所述 为提升 N C S的整体性 能 必须从采 样周期和带宽调度两方面 同时考虑 其根本 目的是 实现 N C S控制与调度的协同设计 而以变采样周期 为依据的控制算法研究和带宽的合理配置策略是达 到 N C S控制与调度 的协同设计的重要方法 3 基于变采样周期下 NC S协 同设计 研究趋 势和展望 采样周期的选择与控制系统的性能和网络带宽 的占用密切相关 并直接影响 N C S的综合性能 采 样周期越长 数据传输速率越低 相对而言 减少了 网络上报文的冲突 将避免较大的网络时延 但很难 保证控制系统 的 Q o P 相反 采样周期越短 数据传 输速率越快 使得 网络具有较高的吞 吐率 然而 过 快的数据传输占用较大的带宽 必然会导致 网络拥 塞 加大网络负载和 时延 降低 了网络 的 Q o S 致使 原有的控制算法难以施行 反过来影响 Q o P 若要达 到 Q o S与 Q o p的协同 实质就是要在控制策略研究 中同时实现采样周期选择与网络带宽的动态匹配 1 对于控制系统 应开展其时变采样周期 的控 制策略研究 提升控制系统的 Q o P 一方面 根据实 际物理系统的状态变化及控制需求进行时变采样系 统的时变控制器的算法设计 保障控制系统的实时 性能指标要求 以实现单采样率控制难以实现的 更 加符合 N C S实际特性 的控制 目标 另一方面 在 当 前可用 网络带宽前提下进行采样周期的优化选取方 法研究 结合多率采样控制 的特性 采用变采样周期 2 0 1 5年第4期 工业仪表与自动化装置 1 9 策略 动态调整各子系统的采样周期 在保证各个控 制闭环控制性能的前提下实现最优采样周期的选取 2 对于网络系统 应进行采样周期 与网络带宽 动态匹配的研究 提升网络的 Q o S 依据 1 中基于 控制性能指标需求优化选取的采样周期 进行动态 带宽调度及优化分配方案研究 保证 网络带宽实时 的 按需分配 在提高 网络利用率 的同时满足控制 系统的控制性能需求 应当指出 应尽可能地减少 采样周期及带宽调度算法的计算量 以避免因在线 计算对系统计算资源的过度依赖而导致的采样周期 调整和带宽分配实时性的降低 4 总结 网络化控制系统的综合性能取决于控制系统的 控制性能和 网络的服务质量 针对带宽受 限的网络 化控制系统 应综合考虑采样周期对控制性能和带 宽占用的影响 在时变采样周期条件下进行控制 策略研究 以保证控制系统 的控制性能 同时 实现在 保证控制性能前提下网络资源的最少利用 进行基 于变采样周期的带宽调度算法设计以改善 网络服务质 量 同时 实现在有限带宽条件下系统的保 陛能控制 参考文献 1 G u p t a R A C h o w M Y O v e r v i e w o f n e t w o r k e d co n t r o l s y s t e m s M S p ri n g e r L o n d o n N e t w o r k e d C o n t r o l S y s t e ms 2 00 8 1 23 2 C h o w M Y N e t w o r k e d C o n t r o l S y s t e m O v e rvie w a n d R e s e a r ch T r e n d s J I E E E T r a n s a ct i o n s o n I n d u s t ria l E l e c t r o n ics 2 0 1 0 5 7 7 2 5 2 7 2 5 3 5 3 L i X L u R L ia n g X e t a 1 S m a r t co m m u n ity a n i n t e r n e t o f t h in g s a p p l ica t i o n J C o m mu n ica t i o n s Ma g a z i n e I E E E 2 0 1 1 4 9 1 1 6 8 7 5 4 宁焕生 徐群玉 全球物联网发展及中国物联 网建设 若干思考 J 电子学报 2 0 1 0 3 8 1 1 2 5 9 0 2 5 9 9 5 C h e n W Q i u L S t a b i l i z a t i o n o f n e t w o r k e d co n t r o l s y s t e ms w i t h mu h i r a t e s a m p l in g J A u t o m a t ica 2 0 1 3 4 9 6 1 5 2 8 1 5 3 7 6 Wa n g Z W S u n H T C o n t r o l a n d s ch e d u l i n g co d e s i g n o f n e t wo r k e d co n tr o l s y s t e m o v e rvie w a n d d ir e ct io n s C Ma ch i n e L e a r n i n g a n d C y b e r n e t ics I C ML C 2 0 1 2 I n t e rn a t io n a l C o n f e r e n ce o n I E EE 2 01 2 8 1 6 8 2 4 7 Z h a n g L G a o H K a y n a k O N e t w o r k i n d u ce d co n s t r a in t s in n e t w o r k e d co n t r o l s y s t e ms a s u r v e y J I E E E T r a n s a ct io n s o n I n d u s t ri al I nfo r ma t ics 2 0 1 3 9 1 4 0 3 4 1 6 8 冯宜伟 张举志 网络控制分析研究 中的若干 问题 J 信息工程期刊 中英文版 2 0 1 3 1 1 9 2 6 9 Y t i k s e l S D e s i g n o f info r ma t i o n ch a n n e l s f o r o p t i mi z a t i o n a n d s t a b i l i z a t i o n in n e two r k e d co n t r o l M I nfo rm a t io n 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 a n d C o n t r o l i n Ne t wo r k s S p r in g e r I n t e rna t io n a l P u b l is h in g 2 0 1 4 1 7 7 2 1 1 张翼 孙福 学 张庆 灵 基 于多 观测 器 的变采样 周 期 网络控制系统的 H 控制 J 东北大学学报 自然 科学版 2 0 1 2 3 3 1 2 1 6 8 1 1 6 8 4 陈惠英 李祖欣 王培臣 变采样网络化控制系统的最优 保性能控制 J 信息与控制 2 0 1 1 4 o 5 6 4 6 6 5 1 严翔 李洪波 王立德 等 基于 E D A的网络化控制系 统抖动优化调度算法 J 东南大学学报 自然科学 版 2 0 1 3 4 3 A O 1 3 8 4 3 李媛 张庆灵 邱占芝 等 具有时变采样周期网络控 制系统的严格耗散控制 J 控制理论与应用 2 0 1 3 3 0 9 彭可 李祥飞 陈岚 等 多 回路网络化控制系统中优 化采样频率的确定 J 控制与决策 2 0 0 4 1 9 1 0 l 1 5 1一l 1 5 4 H e F P a n g J Wa n g Q e t a 1 F u z z y D y n a mi c S ch e d u l i n g o f Mu l t i l o o p N C S J T E L K O M N I K A I n d o n e s i a n J o u rna l o f E l e ct rica l E n g in e e rin g 2 0 1 3 I 1 5 2 3 0 1 2 3 0 8 C u e n ca A S a h J S a l a A e t a 1 A d e l a y d e p e n d e n t d u al r a t e P I D co n t r o l l e r o v e r a n e t h e r n e t n e t w o r k J I E EE T r a n s a ct io n s o n I n d u s t ri al I nfo r ma t ie s 2 0 1 1 7 1 1 8 2 9 樊金荣 时变采样周期网络化控制系统混合 H 2 H 动态输出反馈控制 J 武汉科技大学学报 自然科 学版 2 0 1 2 3 5 3 2 3 5 2 4 0 Z h iw e n W Ge G F u n d a me n t a l I s s u e s a n d P r o s p e ct iv e D i r e ct io n s in N e t w o r k e d M u l t i r a t e C o n t r o l S y s