摘  要： 在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，由于帶寬等原因，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在交換數(shù)據(jù)和通信時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)延，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至不穩(wěn)定。通過時(shí)延預(yù)估的方法，運(yùn)用時(shí)間戳法估算出時(shí)延，將時(shí)間戳法和Smith預(yù)估補(bǔ)償控制相結(jié)合。通過仿真可觀察到比較穩(wěn)定的輸出響應(yīng)。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；時(shí)間戳法；預(yù)估補(bǔ)償；Smith預(yù)估器

　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時(shí)，由于帶寬和數(shù)據(jù)流量變化不規(guī)則等原因，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的信息交換出現(xiàn)時(shí)間延遲。這種由于網(wǎng)絡(luò)介入而使控制系統(tǒng)的信息傳輸產(chǎn)生的時(shí)延，稱為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的產(chǎn)生使得系統(tǒng)控制品質(zhì)降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
網(wǎng)絡(luò)時(shí)延由幾個(gè)部分組成[1]：(1)傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)以及處理數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。(2)傳感器節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送權(quán)等待的時(shí)間和傳感器數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間。(3)控制器節(jié)點(diǎn)計(jì)算控制量、處理數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。(4)控制器節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送權(quán)等待的時(shí)間和控制量在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間。(5)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。通常，為研究方便，將設(shè)備時(shí)延和通信時(shí)延合并考慮，即傳感器到控制器時(shí)延τksc和控制器到執(zhí)行器時(shí)延τkca。則網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延為τk=τksc+τkca。
1 時(shí)延的計(jì)算方法
　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由于時(shí)延的存在，會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來影響。預(yù)估控制可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)延進(jìn)行預(yù)先計(jì)算，然后對(duì)下一步控制做出修正以補(bǔ)償時(shí)延所帶來的影響。
　假設(shè)傳感器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)，控制器與執(zhí)行器采用事件驅(qū)動(dòng)。則G(s)為不包含純滯后的被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，C(s)為控制器，D(s)為干擾信號(hào)。如圖1所示。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

　有多種方法可估算出τksc和τkca值，例如往返時(shí)延動(dòng)態(tài)估計(jì)法、平均窗口法[2]、均值法等。本文采用時(shí)間戳法對(duì)時(shí)延進(jìn)行估計(jì)[3]。所謂時(shí)間戳法就是將數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間和數(shù)據(jù)一起發(fā)送出去。在網(wǎng)絡(luò)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中既有數(shù)據(jù)信息，也有時(shí)間信息。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，傳感器把測(cè)量值及其時(shí)間放在一個(gè)數(shù)據(jù)包中，使得控制器在收到測(cè)量值的同時(shí)也得到了時(shí)間戳，并將該時(shí)戳值與本地時(shí)鐘比較，很容易計(jì)算出時(shí)延值。

2 時(shí)延補(bǔ)償
　由于時(shí)延會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制指標(biāo)帶來一系列影響，可以使用預(yù)估控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正，補(bǔ)償時(shí)延帶來的影響。比較流行的算法有預(yù)估模型算法控制、廣義預(yù)測(cè)控制[6]、內(nèi)?？刂芠7]等。本文運(yùn)用Smith補(bǔ)償算法，將Smith預(yù)估器加入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中[8]。

　從仿真圖中看出，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下加入史密斯預(yù)估器，對(duì)時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，無論系統(tǒng)里是否有隨機(jī)干擾，都可使輸出響應(yīng)較為穩(wěn)定。
　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，時(shí)延的存在會(huì)降低控制的品質(zhì)，甚至?xí)瓜到y(tǒng)癱瘓。本文將時(shí)間戳法和Smith預(yù)估補(bǔ)償法結(jié)合起來，運(yùn)用時(shí)間戳法來估算時(shí)延。通過仿真，得到的響應(yīng)較為穩(wěn)定。由此，只要采用適合的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的。
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