NCS控制器设计方法

• 　　虽然对网络时延系统的分析与建模的研究不断 发展, 由于在NCS 中的分布式时间延迟, 使得现 有的方法不能直接应用于NCS。解决网络延时问题 有两种途径: 一是在不考虑延时的情况下设计控制 器, 应用调度算法设法保证信息的实时性, 确保系 统的稳定和性能这时网络调度问题; 二是在考虑网 络延时的影响, 设计控制算法, 使其在延时存在甚 至不确定的情况下能正常工作, 并保证一定的性能 指标, 即这里讨论的控制器设计问题。

  　　NCS 控制器设计的难点在于:

  　　①如何减少时延及其不确定性和设计延时预报算法；

  　　②对分布式时延的有效补偿问题;

  　　③对被控对象存在不确定性或非线性时, 如何 处理。

  　　④对于MIMO 系统, 如何对传输时延建模和设 计控制器。

  　　目前, 针对网络控制系统的控制器设计方法主要有:

  　　①确定性控制设计方法 应用确定性设计方法应首先将随机时变延迟转 化为固定延迟, 然后针对转化后的固定延迟设计控 制器。

  　　Rogelio 针对模型(时间驱动) 提出了基于观 测器的分布延迟补偿器。在该补偿器算法中, 首 先在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区, 将时 变的传输延迟转化为固定的传输延迟。其优点是可 用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控 制系统进行设计和分析, 不受延迟特性变化的影 响; 其缺点是将所有延迟都转化为最大延迟, 人为 地将传输延迟扩大化, 因此降低了系统应有的控制 性能。 中已经证明, 对于具有随机传 输延迟的闭环控制系统, 若按最大传输延迟来设计 控制器, 则所得闭环控制系统不一定稳定。

  　　②随机控制设计方法 应用随机控制的方法关键在于对网络延时的合 理建模和估计, 将网络延时作为系统中的随机变量 或随机过程, 设计随机最优控制律。 Ray 对随机时变分布延迟下的输出反馈时延网 络系统进行研究, 基于最小方差滤波器和动态规划 原理, 得到了具有随机延迟补偿的LQR 控制器 (DCLQR) , 但不满足确定性等价原理 。

  　　于之训对控制器是事件驱动的, 在τsc k 第k 步 传感器到控制器之间的延迟未知的情况下, 基于动 态规划和最优控制理论, 得出了使系统均方指数稳 定的控制律。

  　　Nilsson 利用模型(3) , 即传感器采用时间驱 动, 控制器和执行器采用事件驱动的工作方式。假 设时延的概率分布已知, 且不超过一个采样周期, 并利用Marcov 链对时延的概率分布进行了建模, 给出了闭环网络系统的LQG 随机最优控制律, 该 控制律满足确定性等价原理。Wei Zhen 针对网络时延分布未知的情况, 改进了Nilsson 的LQG 控制律, 提出时延在线估计方法 ———平均时延窗口(ADW, Average Delays Window) 方法。该方法无需网络时钟同步和延时补偿, 即可 获得延时信息。并在10 kbitPs 的CAN 总线上进行 了实验研究。