不确定时延网络控制系统的建模与稳定性研究

TECHNOLOGY AND INFORMATIONIT技术论坛

42 科学与信息化2020年5月中不确定时延网络控制系统的建模与稳定性研究

李恒 张建 陈黎明 王亚宁

海军航空大学 山东 烟台 264001

摘 要 自从控制系统中有了网络的介入，网络传输的网络限制、资源竞争都会影响网络控制系统的稳定性，这就

增加了控制系统的复杂性和不稳定性。为了保证系统的数据传输和控制信息传输的时延稳定，本篇论文将对网络控

制系统进行深入分析和研究。

关键词 网络控制系统；不确定时延；建模；稳定性研究

引言

现有的网络控制系统分别由传感器、控制器、执行器通过

互联网组成的控制系统，因为该系统里既包含互联网技术又包

含控制技术，正因为它的复杂性，所以它的稳定性问题就很难

处理的。网络控制系统的工作原理就是通过网络数据将传感器

的数据传送给控制器，控制器再传输给执行器进行执行，通过

网络通信技术达到系统的整体性。但是因为网络环境的因素，

经常会出现数据异常导致的网络延时使系统出错。这篇论文就

将对不确定延时的网络控制系统进行稳定性分析。

1 网络控制系统的概述

网络控制系统起源于1980年左右，在当时工业化的大环境

下，Ray等人通过对集成通信控制系统研究发展出的网络控制

系统。该系统一经发布就被迅速应用于国防军事、工业生产等

需要远程控制的领域。而我国的网络控制系统起步较晚，不过

发展却很迅速，很快将其应用于工业控制领域。

网络控制系统有两种结构：径直结构和分层机构，径直结

构是通过将数据信息通过网络数据由传输器传到控制器，控制

器可以是多个，然后控制器下达指令由执行器执行；分层结构

里，传输器将控制信息转变为信号传输到远程系统，远程系统

根据信号分析返回给传输器，传输器再传输给控制器，这个比

分层需要更长的周期[1]。

随着互联网技术的发展，网络控制系统在需要控制工程的

工业上使用越广泛，面对大量的信息数据，系统应该如何采集

和处理都是现代网络控制系统要面对的挑战，NCS（网络控制系

统）可以通过是实现网络数据传输和测量各种信息，它对数据的

采集和分析相对比传统控制系统相比更精确和高效率，如果使用

无线传感网络技术，该系统的传输范围还有进一步的提升。

简而言之，网络的介入让控制系统由传统向更大范围、更

复杂的控制系统发展，给控制系统带来了革命性的创新。

2 影响网络控制系统稳定的因素

互联网中的宽带限制、网络的拥挤都会导致控制系统的不

稳定，尤其是无线网络的干扰性更大，会因为磁场的改变而被

影响。网络控制系统的复杂性分为外部因素和内部因素，内部

因素就是因为不同的网络硬件导致的网络传输有差异，尽管有

着各种干扰，但是控制系统的严密性不允许在传输过程中存在

数据丢失。因此要对控制系统的稳定做出变革，先就影响网络

控制系统的不稳定因素进行分析：

（1）在系统的使用中用户的数据流量变化不规律；

（2）网络的宽带存在限制，导致传输设备在传输数据时

效率不稳定；

（3）由于在网络中算法存在差异，在传输设备遇到数据

规模太大时会存在网络数据匮乏传输不稳定。

因此，在实际的网络控制系统里，信息的传输机器依赖网络硬件：设备的好坏、宽带的网速、网络设备的算法和相应软

件的优秀与否。因为网络环境的复杂就导致控制网络的稳定是

一项十分艰巨的任务，首先了解网络数据传输的特性，对症下

药对网络控制系统的设计分析深入研究，保证系统的数据传送

达到稳定[2]。

3 网络控制系统中的基本问题和控制方案3.1 基本问题

网络控制系统在信息传输过程会遇到很多问题，基本问题

有以下几类：网络时延、网络调度、单包与多包传输、网络掉

包等等。

因为这篇论文主要讨论网络时延，我们就其进行分类和

分析，并且建模求解。在具有网络时延的控制系统，我们进行

分析。网络时延主要存在于系统里的网络前向通道和网络后向

通道（就是各个传输器、控制器、执行器之间的变送器之间的

通道），网络通道之间的时延其实是很微小的，但是因为控制

系统的严密和准确性。就这点对控制系统的影响需要研究和克

服。首先，网络控制里包含控制器、网络通道、执行器、执行

对象、传感器，对它进行研究需要现代计算机知识支持，上面

我们提到了导致网络延时的因素，我们在这对延时进行分类

（1）短时延网络控制是由于短时延网络导致的；

（2）如果数据在过渡设备里等待时机大大延长，导致数据

的信息传递时间大于数据的采集时间，这就是长时延网络控制。

采集数据在传输过程中以及数据处理上就存在网络时延，

通道时延往往由于在控制系统里，数据传输时间在各节点竞争

资源所占用的时间称为期间时延，期间时延就是网络时延的一

部分组成。网络时延存在这种时延导致系统对象变得特别复

杂，NCS存在的多种时延，这些各种时延由于网络硬件和数据

传输的不稳定，它们的不稳定性是随机的，我们对解决网络时

延的控制系统从以下几个方面：将数据包的延时和丢失作为控

制策略的主要参考，目的就是减少因为网络延时对控制系统的

影响，保证系统的稳定；网络跟随 其原理就是基于不同的执行

对象要对网络实时性要求不同。3.2 控制方案

对于不确定时延网络控制系统的研究，如20世纪Raya等人

关于集成ICCS的早期研究，这个可以看作是网络控制系统的研

究原型，是他们先提出了网络控制系统的建模思想，对于网络控

制系统的研究，可以有两条途径：通过增强网络信号降低网络时

延时间；将时延当作参数建模应用数学知识进行解决。网络时延

可以通过相关专业知识进行解决，将网络控制系统中的诱导时延

始终保持在采样的最高频率下，这是基于时延必须在一定范围内

的基础完成，对网络控制系统的稳定性做定量分析，可以把对象

看作是连续的，将传输的数据信号当作离散时间进行定性分析，

将网络宽带的分析引进这个系统保持其稳定性[3]。

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科学与信息化2020年5月中 434 结束语

本文就网络控制系统的不确定延时进行分析与研究，并且

阐述了网络控制系统的工作原理和不确定延时产生的原理，提

出针对不同的网络环境，怎么解决网络延时对控制系统影响。

参考文献[1] 郭晓军,袁阳.不确定时延网络控制系统的建模与稳定性研究[C].中国自动化学会中南六省(区)第26届学术年会.中国自动化学会中南六省(区)第26届学术年会论文集.十堰:中国自动化学会,2008:52.

[2] 郭晓军,袁阳.不确定时延网络控制系统的建模与稳定性研究[J].

湖南工业大学学报,2008,22(5):65-69.[3] 马伟豪,金朝永.不确定时延网络控制系统的建模与稳定性分析

[J].广东工业大学学报,2010(3):31-34.

点的，主要是其光线较亮、使用效果久等，这些都可以实现电

气的节能。

5 结束语

综上所述，自动化控制系统在辅助低压配电系统正常运行

的过程中，对整个电力系统的安全运转有直接影响，因此，在

实际的应用过程中，应该对自动化控制系统的原理和功效发挥

方法进行不间断的研究，降低低压配电系统在实际运转过程中

的故障发生率，为电力系统的稳定供电提供基础保障。参考文献[1] 赵博.浅谈自动化控制在低压配电系统中的应用[J].数码设计

(上),2019(11):157.

[2] 孙士尧.浅谈电力营销抄表智能化[J].百科论坛电子杂志,2018

(16):467.

[3] 明欢.浅谈低压配电系统中的自动控制[J].数字化用户,2018,

24(38):61.

4 结束语

就整体来看，将地理信息系统应用到测绘工程中是大势所

趋，其有助于改善测绘工程存在的一些问题并提高测绘工作效

率。在具体应用方面，测绘人员可以发挥地理信息系统在数据

处理、精细测量及数据存储方面的作用来开展工作，以此来获

取更全面准确的测绘数据。参考文献[1] 邹昌云.地理信息系统在测绘工程中的作用探究[J].冶金管

理,2019(3):51,53.[2] 黄明坚.地理信息系统在测绘工程中的运用探讨[J].建材与装

饰,2019(19):219-220.[3] 郧宇洋.地理信息系统在测绘工程中的运用探讨[J].居舍,2019

(19):164.

为了确保其无线电通信和其他频段无线电通信具有良好的性能，

就需要做好对无线电干扰的查处工作，查找出导致其干扰的原

因，并针对性地采取干扰措施，确保其通信条件的良好性。

参考文献[1] 朱颖,许颖,方箭. 基于WRC-19 1.13新议题的5G高频段研究概况

及展望[J]. 电信网技术,2016,261(3):11-16.[2] 贾迪,李景春,杨文翰,等. 4400～4500MHz频段5G系统对无线电

高度表干扰分析[J]. 电子技术应用,2018,44(9):5-8.[3] 张慧聪,陈建光. 对5G移动通信频段干扰查处工作的思考[J]. 中

国无线电,2018,275(7):66-67.[4] 韩锐,张磊,李伟,等. 24.65～25.25GHz频段IMT-2020(5G)系统对

卫星广播系统干扰分析[J]. 电信科学,2018,34(7):108-115.

安全亦是如此，增强个人安全意识从我做起，除了协助技术人

员解决问题，学习基础的网络知识也是网络工程中安全防护的

重要一环，毕竟，打铁还需自身硬，一旦遭遇网络工程问题，

自己了解一部分网络技术必然能够临时应对一些问题使损失降

到最低。相信随着网络安全防护手段的不断增强，网络工程会

对社会生活造成更大的便利。参考文献[1] 张全.有关网络工程中的安全防护技术的探讨[J].电子技术与软

件工程,2016(5):210.[2] 陈坤胜.网络工程中的安全防护技术探讨[J].无线互联科技,2017

(5):35-36.

[3] 谭再峰.网络工程中的安全防护技术研究[J].各界,2018(8):184.

修。

5 结束语

电力通信网运行支持系统主要包括电力通信网资源管理、

通信网运行综合监视、通信网运行工作控制、统计分析等功

能，为通信实时运行、资源调度、工作管控和专业管理工作提

供技术支撑。参考文献[1] 盛振环.电力通信网络的安全管理与维护工作分析[J].中国新通

信,2019,21(24):18.[2] 薛文婷,王宁,李扬,等.面向电力通信网络的运行性能及态势分析

[J].软件,2019,40(12):171-173.

[3] 张欢欢,常学军.电力无线应急通信网络动态组网方法分析[J].信

息通信,2019(12):43-44.（上接第37页）

（上接第38页）

（上接第39页）

（上接第40页）

（上接第41页）