摘  要： 在網絡控制系統中，由于帶寬等原因，各個節點在交換數據和通信時會出現時延，導致系統性能下降甚至不穩定。通過時延預估的方法，運用時間戳法估算出時延，將時間戳法和Smith預估補償控制相結合。通過仿真可觀察到比較穩定的輸出響應。
關鍵詞： 網絡時延；時間戳法；預估補償；Smith預估器

　在網絡控制系統中，傳感器、控制器和執行器通過網絡交換數據時，由于帶寬和數據流量變化不規則等原因，會出現網絡擁塞等現象，導致節點與節點間的信息交換出現時間延遲。這種由于網絡介入而使控制系統的信息傳輸產生的時延，稱為網絡時延。網絡時延的產生使得系統控制品質降低，甚至導致系統的不穩定。
網絡時延由幾個部分組成[1]：(1)傳感器節點采集數據以及處理數據所需要的時間。(2)傳感器節點競爭發送權等待的時間和傳感器數據在網絡中的傳輸時間。(3)控制器節點計算控制量、處理數據所需要的時間。(4)控制器節點競爭發送權等待的時間和控制量在網絡中的傳輸時間。(5)執行器節點處理數據所需要的時間。通常，為研究方便，將設備時延和通信時延合并考慮，即傳感器到控制器時延τksc和控制器到執行器時延τkca。則網絡控制系統的時延為τk=τksc+τkca。
1 時延的計算方法
　網絡控制系統由于時延的存在，會給系統的穩定性帶來影響。預估控制可以對網絡系統的時延進行預先計算，然后對下一步控制做出修正以補償時延所帶來的影響。
　假設傳感器采用時間驅動，控制器與執行器采用事件驅動。則G(s)為不包含純滯后的被控對象的傳遞函數，C(s)為控制器，D(s)為干擾信號。如圖1所示。系統傳遞函數為：

　有多種方法可估算出τksc和τkca值，例如往返時延動態估計法、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據產生的時間和數據一起發送出去。在網絡間傳輸的數據包中既有數據信息，也有時間信息。在網絡控制系統中，傳感器把測量值及其時間放在一個數據包中，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
　由于時延會給系統的穩定性和控制指標帶來一系列影響，可以使用預估控制算法對系統進行修正，補償時延帶來的影響。比較流行的算法有預估模型算法控制、廣義預測控制[6]、內模控制[7]等。本文運用Smith補償算法，將Smith預估器加入網絡控制系統中[8]。

　從仿真圖中看出，在網絡環境下加入史密斯預估器，對時延進行補償，無論系統里是否有隨機干擾，都可使輸出響應較為穩定。
　在網絡控制系統中，時延的存在會降低控制的品質，甚至會使系統癱瘓。本文將時間戳法和Smith預估補償法結合起來，運用時間戳法來估算時延。通過仿真，得到的響應較為穩定。由此，只要采用適合的網絡時延動態補償器，并對網絡進行補償，網絡控制系統是可以實現穩定的。
參考文獻
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