摘  要： 在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，由于帶寬等原因，各個節(jié)點在交換數(shù)據(jù)和通信時會出現(xiàn)時延，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至不穩(wěn)定。通過時延預(yù)估的方法，運用時間戳法估算出時延，將時間戳法和Smith預(yù)估補償控制相結(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)時延；時間戳法；預(yù)估補償；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，由于帶寬和數(shù)據(jù)流量變化不規(guī)則等原因，會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象，導(dǎo)致節(jié)點與節(jié)點間的信息交換出現(xiàn)時間延遲。這種由于網(wǎng)絡(luò)介入而使控制系統(tǒng)的信息傳輸產(chǎn)生的時延，稱為網(wǎng)絡(luò)時延。網(wǎng)絡(luò)時延的產(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)時延由幾個部分組成[1]：(1)傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)以及處理數(shù)據(jù)所需要的時間。(2)傳感器節(jié)點競爭發(fā)送權(quán)等待的時間和傳感器數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間。(3)控制器節(jié)點計算控制量、處理數(shù)據(jù)所需要的時間。(4)控制器節(jié)點競爭發(fā)送權(quán)等待的時間和控制量在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間。(5)執(zhí)行器節(jié)點處理數(shù)據(jù)所需要的時間。通常，為研究方便，將設(shè)備時延和通信時延合并考慮，即傳感器到控制器時延τksc和控制器到執(zhí)行器時延τkca。則網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延為τk=τksc+τkca。
1 時延的計算方法
　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由于時延的存在，會給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來影響。預(yù)估控制可以對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時延進行預(yù)先計算，然后對下一步控制做出修正以補償時延所帶來的影響。
　假設(shè)傳感器采用時間驅(qū)動，控制器與執(zhí)行器采用事件驅(qū)動。則G(s)為不包含純滯后的被控對象的傳遞函數(shù)，C(s)為控制器，D(s)為干擾信號。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，例如往返時延動態(tài)估計法、平均窗口法[2]、均值法等。本文采用時間戳法對時延進行估計[3]。所謂時間戳法就是將數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間和數(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，也有時間信息。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，傳感器把測量值及其時間放在一個數(shù)據(jù)包中，使得控制器在收到測量值的同時也得到了時間戳，并將該時戳值與本地時鐘比較，很容易計算出時延值。

2 時延補償
　由于時延會給系統(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)估控制算法對系統(tǒng)進行修正，補償時延帶來的影響。比較流行的算法有預(yù)估模型算法控制、廣義預(yù)測控制[6]、內(nèi)?？刂芠7]等。本文運用Smith補償算法，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，對時延進行補償，無論系統(tǒng)里是否有隨機干擾，都可使輸出響應(yīng)較為穩(wěn)定。
　在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，時延的存在會降低控制的品質(zhì)，甚至?xí)瓜到y(tǒng)癱瘓。本文將時間戳法和Smith預(yù)估補償法結(jié)合起來，運用時間戳法來估算時延。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)時延動態(tài)補償器，并對網(wǎng)絡(luò)進行補償，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是可以實現(xiàn)穩(wěn)定的。
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