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資訊頻道1 模擬控制系統與經(jīng)典控制理論
1.1 二十世紀上半葉自動(dòng)化儀表的歷史
二戰期間的技術(shù)革新，帶動(dòng)了儀表工業(yè)的快速發(fā)展。20世紀40年代初期，3～15psi的氣動(dòng)信號標準制定，產(chǎn)生了組合式氣動(dòng)單元控制儀表系統，即第一代自動(dòng)化儀表及系統。20世紀50年代初，電子儀表開(kāi)始應用于過(guò)程控制領(lǐng)域，4～20mA模擬電流信號標準隨即被制定，出現了基于電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統，即第二代自動(dòng)化儀表及系統。
早期的自動(dòng)化儀表及系統一般稱(chēng)為模擬控制系統（ACS，Analogous Control System）。單元組合式調節儀表的結構特點(diǎn)是根據檢測系統和控制系統中各組成環(huán)節的不同功能和不同的使用要求，劃分成傳感器、變送器、調節器、執行器和記錄設備等若干單元。由于各單元之間采用統一標準信號聯(lián)絡(luò )，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的搭配連接，就可根據過(guò)程要求構成各種復雜程度不同的自動(dòng)檢測控制系統，簡(jiǎn)化了系統的設計、安裝、操作和維護。
1.2 經(jīng)典控制理論的發(fā)展
盡管N.Minorsky于1922年通過(guò)觀(guān)察舵手駕馭輪船提出了著(zhù)名的PID控制，但直到20世紀30年代才被設計人員重視。設計者雖然意識到了Minorsky成果的重要性，但在實(shí)現中仍然缺乏穩定、線(xiàn)性的放大設備，以將測量?jì)x表中獲取的小信號放大到合適的功率以推動(dòng)執行器。
為了解決放大器的問(wèn)題，H.S.Black經(jīng)過(guò)研究發(fā)明了負反饋放大器。隨之，Foxboro公司的C.E.Mason也設計了一種氣動(dòng)負反饋放大器。
模擬信號干擾問(wèn)題的解決，為經(jīng)典控制理論的應用與發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。然而在實(shí)際應用中存在兩大理論問(wèn)題：一是缺乏分析的理論基礎，二是缺少分析手段與工具。
負反饋放大器的穩定性判據于1932年由H.Nyquist公布，稱(chēng)為奈奎斯特穩定性判據。該判據采用頻率的方法，不僅可以判斷系統是否穩定，而且可以給出穩定裕量。這一工作最終將設計控制系統的方法轉向頻域分析的軌道，而不再需要推導或求解復雜的微分方程。
1938年，H.W.Bode 采用了復數函數的幅值和相位的頻率響應曲線(xiàn)，并用增益和相位裕量分析了閉環(huán)穩定性。1943年，A.C.Hall提出結構圖可以用拉普拉斯變換方法得到的系統傳遞函數表示，通過(guò)它能夠畫(huà)出系統傳遞的根軌跡，可以完成奈奎斯特穩定性實(shí)驗。更為重要的是可以確定增益和相角裕量，由此提出采用M圓和N圓估計閉環(huán)時(shí)域性能。1945年，H.W.Bode的《網(wǎng)絡(luò )分析和反饋放大器設計》出版，奠定了經(jīng)典控制理論的基礎[7]。1948年，W.R.Evans提出了根軌跡設計方法，該方法針對線(xiàn)性單輸入系統，提供了一個(gè)在S平面決定閉環(huán)系統極點(diǎn)的直接手段。20世紀50年代有更多的研究集中在S平面及如何根據上升時(shí)間、超調等指標在閉環(huán)系統上獲得期望特性。
正是自動(dòng)化儀表及系統的需求與完善，推動(dòng)了經(jīng)典控制理論的形成與發(fā)展。到50年代末，采用頻域技術(shù)的自動(dòng)控制理論及設計技術(shù)趨于完善，其數學(xué)理論也已經(jīng)建立。這些理論以單輸入－單輸出線(xiàn)性定常系統為主要研究對象，以傳遞函數作為系統的基本描述，以頻率法和根軌跡法作為系統分析和設計方法。主要優(yōu)點(diǎn)是：與時(shí)域法相比，計算量小，物理概念清晰，可以用實(shí)驗法建立數學(xué)模型。經(jīng)典控制設計方法主要基于直覺(jué)，能夠確保系統性能的實(shí)現，依靠手算、滑尺和圖形技術(shù)實(shí)現。
2 計算機控制系統與現代控制理論
2.1 計算機應用于自動(dòng)化儀表的歷史
20世紀50年代核反應堆的發(fā)展是計算機開(kāi)始應用于工業(yè)過(guò)程控制和自動(dòng)化儀表的主要動(dòng)機。1956年開(kāi)始，美國的TRW公司和Texaco公司合作，探討了計算機控制應用于阿瑟港煉油廠(chǎng)聚合單元的可能性，并設計了一套基于RW-300的計算機控制系統。該系統于1959年3月投入運行，其最基本的功能是使反應堆壓力最小，保證五個(gè)反應堆之間喂料的最優(yōu)化分布，并根據催化情況控制熱水的注入量以及保持優(yōu)化循環(huán)。
英國ICI公司于1962年用Ferranti Argus計算機完全取代模擬儀表，計算機直接參與過(guò)程控制，成功地實(shí)現了直接數字控制（DDC，Direct Digital Control），宣告了集中式計算機控制系統（CCS，Computer Control System），即第三代自動(dòng)化儀表及系統的誕生。從此，控制系統開(kāi)始進(jìn)入計算機控制系統（或數字控制系統）階段。
計算機可靠性差的問(wèn)題直接阻礙了DDC應用的步伐，但隨著(zhù)集成電路技術(shù)的進(jìn)步，速度快、體積小、價(jià)格便宜、更加可靠的小型計算機投入市場(chǎng)，這個(gè)問(wèn)題部分得到了緩解。1972年微型計算機的出現更加刺激了計算機控制的應用，到1975年達到了50 000臺[5]。
由于計算機的可靠性，集中式控制不可避免地造成風(fēng)險集中的問(wèn)題，而且操作和監督要求全廠(chǎng)各部分的通信聯(lián)系，需要大量的高速率數據通信。1975年Honeywell公司推出世界上第一套分散型（計算機）控制系統（DCS，Distributed Control System；DCCS，Distributed Computer Control System）TDC-2000系統，該系統由大量的微型處理器構成分層體系結構，具有集中管理、分散控制的特點(diǎn)，宣告了第四代自動(dòng)化儀表及系統的開(kāi)始。隨后DCS產(chǎn)品不斷涌現，諸如：日本橫河公司的CENTUM、Tayler公司的MOD3、Foxboro公司的SPECTRUM、西門(mén)子公司的TELEPERM M等系統。
2.2 現代控制理論的發(fā)展
20世紀60年代前后，當時(shí)空間技術(shù)工程師采用的標準方法，稱(chēng)為狀態(tài)空間法，并于1959年在美國自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì )第一屆年會(huì )上首次提出現代控制理論這一名稱(chēng)，研究方法從頻域又回到時(shí)域中來(lái)。
在狀態(tài)空間法的研究初期（1948～1952年間），為解決導彈的制導問(wèn)題，R.Bellman提出了最優(yōu)化原理和動(dòng)態(tài)規劃。1958年，L.S.Pontryagin提出了極大值原理；1960年，R.Kalman和他的合作者提出了針對線(xiàn)性多變量系統最優(yōu)化設計的線(xiàn)性二次調節器（LQG，Linear Quadratic Regulator）設計方程，并討論了最優(yōu)濾波與估計理論，給出了離散卡爾曼濾波器和連續卡爾曼濾波器，這些工作成為現代控制理論的起點(diǎn)。
盡管現代控制理論在20世紀60年代已取得了巨大的成功，但計算機技術(shù)的發(fā)展及其向過(guò)程控制領(lǐng)域的應用，給現代控制理論帶來(lái)了新的機遇和挑戰。通過(guò)計算機控制系統能夠實(shí)現矩陣方程的求解，使人們能夠對復雜系統作更為深入的分析，同時(shí)計算機控制系統能夠實(shí)現復雜的最優(yōu)控制算法和濾波算法，擴大了現代控制的應用范圍。但計算機控制系統作為一種不同于模擬控制系統的一代自動(dòng)化儀表及系統，在應用中給現代控制理論帶來(lái)了新的問(wèn)題，并促進(jìn)了其發(fā)展。
首先，計算機工作在離散時(shí)間域，具有不同于連續系統的特殊問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題的解決直接導致了數字控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展。早在20世紀50年代，C.E.Shannon揭示了采樣數據技術(shù)的重要性，J.R.Ragazzini、G.Franklin和L.A.Zadeh等人提出了采樣數據系統理論，利用Z變換的方法建立離散系統傳遞函數，提出了一些離散系統的分析設計方法。
對于工業(yè)設備，不易獲得比較精確的數學(xué)模型，現代控制理論是通過(guò)理論分析設計控制系統，沒(méi)有充分考慮工程實(shí)際，對擾動(dòng)、未建模特性和噪聲的魯棒性差，難以承受工業(yè)生產(chǎn)中各種不利因素的影響對控制系統的性能要求，不易形成最優(yōu)控制的性能指標。因此，20世紀70年代，H.H.Rosenbrock、A.G.J.MacFarlane和I.Postlethwaite等人將經(jīng)典控制的頻域方法和根軌跡法擴展到多變量系統。隨后，魯棒現代控制理論等新的研究成果相繼產(chǎn)生。
隨著(zhù)計算機在過(guò)程工業(yè)的大量應用，需要了解系統的動(dòng)態(tài)特性，以便于實(shí)現在線(xiàn)優(yōu)化。但有些過(guò)程模型是不知道的，或者過(guò)程模型結構已知而參數未知，這個(gè)問(wèn)題直接促使了系統辨識和自適應控制理論的發(fā)展。通過(guò)系統辨識和自適應控制理論，能夠辨識環(huán)境條件或過(guò)程參數變化情況下的過(guò)程模型，在辨識的基礎上綜合出新的控制算法，并根據綜合出的控制策略自動(dòng)地修正控制器的參數值。
1965年美國的L.A.Zadeh發(fā)表《Fuzzy Sets》這一開(kāi)創(chuàng )性論文，模糊集理論開(kāi)始產(chǎn)生。1974年，英國的Mamdani首先把模糊集理論用于鍋爐和蒸汽機的控制。1943年，W.S.McCulloch和W.Pitts提出了神經(jīng)元模型，稱(chēng)為MP模型。20世紀60年代，Kilmer和McCulloch等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )應用到阿波羅登月計劃中。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等智能控制理論直接研究控制器本身，采用定性和定量相結合、數學(xué)與直覺(jué)推理相結合的工程方法，系統獲取的不僅僅是數學(xué)信息，也包括符合、文字等自然語(yǔ)言，因此不要求對象的精確數學(xué)模型，進(jìn)一步提高了對復雜難以建模對象的控制水平。
3 網(wǎng)絡(luò )控制系統給控制理論帶來(lái)了新的機遇和挑戰
3.1 現場(chǎng)總線(xiàn)及網(wǎng)絡(luò )控制系統的產(chǎn)生和發(fā)展
到20世紀末，全球市場(chǎng)逐漸形成，企業(yè)競爭空前加劇，工業(yè)生產(chǎn)必須按市場(chǎng)需求加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、降低成本、完善服務(wù)。這就需要把市場(chǎng)、生產(chǎn)計劃、制造過(guò)程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作要統一考慮的生產(chǎn)過(guò)程，并采用計算機、自動(dòng)化、通信等技術(shù)實(shí)現整個(gè)過(guò)程的綜合自動(dòng)化，以改善生產(chǎn)加工和管理決策。要實(shí)現綜合自動(dòng)化，實(shí)現整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的信息集成，就必須要在工業(yè)現場(chǎng)實(shí)現設備間的多點(diǎn)數字通信，構成工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )系統，以實(shí)現底層現場(chǎng)設備之間以及生產(chǎn)現場(chǎng)與外界之間的信息交換。
同時(shí)計算機、通信，尤其是ASIC芯片技術(shù)的快速發(fā)展，使得在傳感器、執行器等設備上加裝智能接口成為現實(shí)，促使帶有微處理器芯片儀表（智能化儀表）的產(chǎn)生，智能化儀表實(shí)現了傳輸信號數字化，為現場(chǎng)總線(xiàn)的出現奠定了基礎。在市場(chǎng)需求和高新技術(shù)的雙重推動(dòng)下，現場(chǎng)總線(xiàn)終于在20世紀80年代出現?，F場(chǎng)總線(xiàn)是應用在生產(chǎn)現場(chǎng)、在微機化測量控制設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )。實(shí)質(zhì)上就是把微處理器置入傳統儀表，使自動(dòng)化儀表及系統具有通信能力，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接成網(wǎng)絡(luò )系統，加入到信息網(wǎng)絡(luò )的行列。國際電工委員會(huì )（IEC）歷時(shí)12年于2000年1月4日公布通過(guò)了IEC6115現場(chǎng)總線(xiàn)標準。2003年4月，IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)第三版正式成為國際標準，從而形成了10種控制層現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。
現場(chǎng)總線(xiàn)IEC國際標準的制定，以及工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展，再加上網(wǎng)絡(luò )具有的可以減少電纜的使用、大大地提高了系統靈活性和易維護性的優(yōu)勢，使當今的自動(dòng)化儀表及系統領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革。主要表現在：用一對通信線(xiàn)連接多臺數字儀表代替一對信號線(xiàn)只能連接一臺模擬儀表；用多變量、雙向、數字通信方式代替單變量、單向、模擬傳輸方式；用多功能的現場(chǎng)數字儀表代替單功能的現場(chǎng)模擬儀表；用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站；導致傳統控制系統結構的變革，形成了新型網(wǎng)絡(luò )集成式全分布控制系統――現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS，Fieldbus Control System），代替了分散型控制系統DCS；變革了傳統的信號標準、通信標準和系統標準；變革了傳統自動(dòng)化系統的體系結構、設計方法和安裝調試方法。同時(shí)，基于Internet的遠程監控系統也開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。
這些變革為網(wǎng)絡(luò )控制系統（NCS：Networked Control System）的真正產(chǎn)生和發(fā)展奠定了基礎。盡管DCS系統有過(guò)很大的發(fā)展，但在DCS系統中，實(shí)時(shí)控制任務(wù)（傳感、計算、執行等）一般都在一個(gè)獨立的組件中進(jìn)行，僅僅開(kāi)關(guān)量、監控、報警等信息通過(guò)串行網(wǎng)絡(luò )傳遞，因此DCS系統并沒(méi)有真正構成網(wǎng)絡(luò )控制系統。因此網(wǎng)絡(luò )控制系統的實(shí)現是與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展緊密相關(guān)的。
網(wǎng)絡(luò )控制系統（NCS）就是通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )形成閉環(huán)的反饋控制系統[9]。在NCS系統中，參考輸入、被控對象輸出、控制的輸入等信息，利用網(wǎng)絡(luò )在控制器、執行器及傳感器等控制組件之間交換。NCS實(shí)現了將不同地域的傳感、控制、執行等分布對象通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，從而形成了更加靈活、功能更為強大、當然也更加復雜的控制體系，能夠把經(jīng)營(yíng)決策、管理、計劃、調度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷等緊密聯(lián)系起來(lái)，能夠滿(mǎn)足企業(yè)高效益、高生產(chǎn)率的要求。也就是說(shuō)，NCS實(shí)現了資源的共享，擴大了網(wǎng)絡(luò )和控制系統的應用領(lǐng)域。
一些以前受實(shí)時(shí)性要求影響而無(wú)法完全實(shí)現的復雜控制算法，能夠在網(wǎng)絡(luò )上通過(guò)共享資源得以實(shí)現。在這些復雜算法中，能夠提高具有非線(xiàn)性、大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)被控對象控制性能的學(xué)習控制算法尤其引人注目。這時(shí)的學(xué)習算法僅依靠在其他的智能設備或計算機網(wǎng)絡(luò )系統上的資源得到實(shí)現，可以不依賴(lài)本地的現場(chǎng)控制設備的有限資源，從而大大降低對現場(chǎng)控制設備性能的要求，為在確保高性能學(xué)習的同時(shí)實(shí)現低成本控制的目標提供了一種新途徑。這種學(xué)習回路是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )（或總線(xiàn)）閉環(huán)的控制系統，稱(chēng)之為基于網(wǎng)絡(luò )學(xué)習的控制系統（NLCS，Networked Learning based Control System）[11]。
3.2 網(wǎng)絡(luò )誘導延時(shí)及其對網(wǎng)絡(luò )控制提出的挑戰
在反饋回路中網(wǎng)絡(luò )的引入給控制系統的分析和設計帶來(lái)了復雜性，帶來(lái)了與傳統控制不同的以下問(wèn)題：首先是網(wǎng)絡(luò )誘導延時(shí)問(wèn)題，包括傳感器到控制器的延時(shí)和控制器到執行器的延時(shí)。由于網(wǎng)絡(luò )帶寬是有限的，連接在網(wǎng)絡(luò )上的設備共享這個(gè)帶寬，網(wǎng)絡(luò )誘導延時(shí)是不可避免的。這個(gè)延時(shí)是時(shí)變的或時(shí)不變的，若不加考慮，將降低控制系統性能。其次是網(wǎng)絡(luò )丟包問(wèn)題。由于網(wǎng)絡(luò )是不可靠的傳送通道，信息包不僅會(huì )延時(shí)，也會(huì )丟失。丟包到底會(huì )給控制系統帶來(lái)多大的影響，也必須要考慮和分析。
目前，針對網(wǎng)絡(luò )延時(shí)（丟包）問(wèn)題的研究，已經(jīng)有一些初步的研究成果。在網(wǎng)絡(luò )誘導延時(shí)對網(wǎng)絡(luò )控制性能的影響方面，顧洪軍[13]研究了網(wǎng)絡(luò )延時(shí)對系統實(shí)時(shí)性的影響。針對網(wǎng)絡(luò )控制系統中包括周期性通信、隨機性通信和突發(fā)性通信，而其中周期性通信的實(shí)時(shí)性對于系統的性能來(lái)說(shuō)是最重要的特點(diǎn)，基于數據鏈路層數據傳輸策略，從邏輯令牌傳遞和信道競爭兩個(gè)角度分析了周期性通信的實(shí)時(shí)性及延時(shí)對其的影響，給出了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的充分條件。
Walsh[14]、Zhang[9,15]、Octavian[16]、Branicky[17,18]等研究了網(wǎng)絡(luò )控制系統的穩定性。其中Zhang[9]在離散系統下詳細分析了具有網(wǎng)絡(luò )誘導延時(shí)的網(wǎng)絡(luò )控制系統的穩定性問(wèn)題。其中假設延時(shí)為常數，傳感器為時(shí)間驅動(dòng)（采樣周期為h），而控制器和執行器為事件驅動(dòng)方式，分別研究了延時(shí)小于一個(gè)采樣周期（τ < h）和延時(shí)大于采樣周期（1< τ 1）情況，并針對特定對象繪制了穩定區域圖。Walsh[14]采用李雅普諾夫穩定性方法提出了保證系統穩定的最大容許時(shí)間間隔（MATI，Maximum Allowable Time Interval）。
針對智能控制問(wèn)題，Suk Lee、Kyung Chang Lee等[19 20]研究了網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的模糊控制性能，他們建立了一個(gè)基于Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )系統，并分析了網(wǎng)絡(luò )延時(shí)特性。通過(guò)實(shí)驗比對了在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下常規PID控制器與模糊控制器的性能，最后得出了模糊控制器對網(wǎng)絡(luò )延時(shí)具有更好魯棒性的結論。利用同樣的網(wǎng)絡(luò )，他們也分析了利用遺傳算法的自調整PID控制器的性能，發(fā)現遺傳算法對網(wǎng)絡(luò )延時(shí)有很好的適應能力，在不知道網(wǎng)絡(luò )延時(shí)特性的情況下，遺傳算法仍保持了很好的PID參數調整能力。
在控制器設計方面，針對網(wǎng)絡(luò )控制中的隨機時(shí)變延時(shí)問(wèn)題，A. Ray等[21、22]采用增廣對象模型將系統的當前狀態(tài)、延時(shí)輸出和控制信息構成新的狀態(tài)向量，延時(shí)信息包含在新的增廣對象里，通過(guò)對增廣對象的分析進(jìn)行控制器的設計。由于延時(shí)的時(shí)變性，增廣對象也是時(shí)變的，因此設計是困難的，只能進(jìn)行定性分析。Krtolica等[23]也構造了一個(gè)包括對象和控制器狀態(tài)的增廣狀態(tài)向量空間，這個(gè)狀態(tài)空間是離散時(shí)變的，總的狀態(tài)數量與傳感器到控制器和控制器到傳感器的時(shí)間延時(shí)的可能范圍有關(guān)。對于有界的延時(shí)，系統狀態(tài)矩陣可以被看作是具有有限狀態(tài)的有限自動(dòng)機，這種系統的穩定性分析可以通過(guò)一個(gè)具有有限狀態(tài)變換的Markov鏈描述。
Asok Ray等[22]也提出了一種狀態(tài)估計的方法，從統計的觀(guān)點(diǎn)對獲得的信息進(jìn)行分析和處理，但其最大延時(shí)限制在一個(gè)采樣周期以?xún)?。當多于一個(gè)采樣周期時(shí)，這種方法就不再適用。對于多于一個(gè)采樣周期的延時(shí)問(wèn)題，Luck R.和Asok Ray采用了一種設立緩沖器的方法，他們在控制器和執行器端分別設立緩沖器，緩沖器的長(cháng)度大于各自的最大延時(shí)周期數，各個(gè)節點(diǎn)實(shí)行同步采樣，就把隨機時(shí)變系統延時(shí)轉換成了固定延時(shí)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)可以利用現有的確定性系統的設計方法進(jìn)行控制器的設計，但緩沖器把所有的延時(shí)都轉化成最大延時(shí)，人為擴大了時(shí)延，降低了系統應有的控制性能。
于之訓等[24]研究了具有Markov延遲特性的閉環(huán)控制系統，提出在傳感器節點(diǎn)和執行器節點(diǎn)采用時(shí)間驅動(dòng)、等周期同步采樣，而控制器節點(diǎn)采用事件驅動(dòng)的方式，并在傳感器和控制器節點(diǎn)發(fā)送端設置發(fā)送緩沖區，確保信息按產(chǎn)生的時(shí)間先后依此到達接收端。利用具有隨機時(shí)變傳輸延遲的網(wǎng)絡(luò )控制系統的數學(xué)模型，利用Markov鏈理論和隨即最優(yōu)控制理論，得到了滿(mǎn)足給定二次型性能指標的最優(yōu)控制率。
F.-L.Lian等[25]建立了具有多延時(shí)存在MIMO網(wǎng)絡(luò )控制系統模型，并利用這種模型設計了具有固定延時(shí)的MIMO系統的LQR控制器。
在預估器和觀(guān)測器設計方面，Bauer等[26]分析了網(wǎng)絡(luò )控制系統的隨機延時(shí)問(wèn)題，利用離散的Smith預估器估計網(wǎng)絡(luò )誘導延時(shí)。Smith預估器放在控制器的前面，利用已知的對象信息估計傳感器到控制器信息延時(shí)，這種方法通過(guò)對對象動(dòng)態(tài)特性的了解放松了對網(wǎng)絡(luò )服務(wù)品質(zhì)的要求，而且不會(huì )犧牲網(wǎng)絡(luò )控制系統的性能。Beldiman等[27]為L(cháng)TI系統構造了狀態(tài)預估器來(lái)估計兩次信息更新期間的系統狀態(tài)。他們設計了兩種估計器，一種是開(kāi)環(huán)估計器，實(shí)際上就是對象的模型，這要求對對象動(dòng)態(tài)特性完全了解，模型完全與對象的動(dòng)態(tài)特性匹配，通過(guò)模型運算出的狀態(tài)作為對象真實(shí)狀態(tài)的估計來(lái)提供給控制器；另一種是閉環(huán)開(kāi)環(huán)估計器，與Lurenberg觀(guān)測器有相同的結構，通過(guò)接收對象的輸出來(lái)在延時(shí)期間重構輸出，并將這個(gè)結果作為估計送給控制器。但這種估計器需要較大的網(wǎng)絡(luò )帶寬，以保證觀(guān)測器收斂。Luis A.
Montestruque等[28]改進(jìn)了這種方法，不要求對對象動(dòng)態(tài)特性的全部了解，允許模型的不精確性存在。他們推導了保證系統穩定的充分必要條件，并得出了最大容許的傳送延時(shí)只依賴(lài)于模型的不精確性的結論。
在基于Internet的遠程監控方面，Abhinav Srivastava 和Won-jong Kim[29]通過(guò)Internet建立了一個(gè)磁懸浮球的遠程監控系統，這個(gè)系統基于客戶(hù)/服務(wù)器（client/server）結構，客戶(hù)機和主機連接在不同的LAN中。通過(guò)采用了CGI（共用網(wǎng)關(guān)接口）和HTML（超文本鏈接標示語(yǔ)言），客戶(hù)可以實(shí)時(shí)遠程改變懸浮高度、修改控制參數以及接收實(shí)驗結果。為保證系統的穩定性，采用超時(shí)判斷，如果超時(shí)，則用一個(gè)四階的AR（自回歸）模型預測傳感器數據。
Peter SZEMES等[30]設計了基于Internet遠程操控Spring-Mass-Damper（smd）的控制器，采用Smith預估器來(lái)消除網(wǎng)絡(luò )延時(shí)的影響。通過(guò)仿真分析證明了這種控制補償方法比單純采用PID控制器有更好的動(dòng)態(tài)特性。
總之，在網(wǎng)絡(luò )控制的分析、設計及補償方面已經(jīng)有很多的研究成果，主要集中在較容易分析的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統中，但還沒(méi)有形成一整套普遍的分析和設計方法，造成這種現象的原因不僅是因為網(wǎng)絡(luò )延時(shí)的復雜性，也因為對象的復雜性和多樣性。雖然針對以太網(wǎng)和Internet的控制系統分析設計方面也有一些成果，但都有一定的限制，要么有很多的假設，要么只是對網(wǎng)絡(luò )控制系統性能的分析，而且還幾乎沒(méi)有涉及到網(wǎng)絡(luò )學(xué)習控制的研究。但是，目前網(wǎng)絡(luò )控制系統的一些研究成果為網(wǎng)絡(luò )學(xué)習控制的研究奠定了一定的基礎，尤其是這些研究中提出的一些預測與觀(guān)測器設計方法，將為網(wǎng)絡(luò )學(xué)習控制器的設計和分析帶來(lái)啟發(fā)。
4 結語(yǔ)
縱觀(guān)自動(dòng)化儀表及系統與控制理論互為推動(dòng)的發(fā)展史，可以得出：自動(dòng)化儀表及系統的發(fā)展一直適應著(zhù)實(shí)際的需要，并在其它科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，經(jīng)歷著(zhù)從簡(jiǎn)單到復雜、從模擬到數字，從集中到分散的發(fā)展階段。如今自動(dòng)化儀表及系統的網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展趨勢日漸明顯，不僅給控制理論的實(shí)施提供著(zhù)越來(lái)越便利的條件，而且其不同的系統實(shí)現問(wèn)題，特別是隨著(zhù)當今網(wǎng)絡(luò )化帶來(lái)的新問(wèn)題，又直接促進(jìn)了控制理論特別是網(wǎng)絡(luò )控制的研究需求和不斷發(fā)展。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號