维普资讯 http://www.cqvip.com ７４ 能源技术与管理 ２００７年第４期 网络控制系统的在线时延估计 李海港．张倩 （中国矿业大学信电学院．江苏徐州２２１ＯＯ８） ［摘 要］ 介绍了网络控制系统中时延的基本概念，分析了影响网络传输时延的因素。 针对网络时延具有时变的特点。，给出了几种在线时延估计的方法，及时地把 握当时的网络状况，为控制器的设计及控制系统的分析提供信息基础。 ［关键词］ 网络控制系统；网络时延；在线时延估计 ［中图分类号］ＴＰ２７３［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２＿９９４３（２ｏ０７）０４ Ｏ７４ ２ １ 概 述 种时延时变系统展开讨论。 通过网络形成闭环的反馈控制系统称为网络 ２影响时延的因素 控制系统（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ，简称ＮＣＳ）ｉｌｌ。 时延理论上是指数据从进入到离开网络的时 目前，ＮＣＳ已经成为一个研究热点，将通信网络引 间差，而应用上更关注数据从甲节点发出到乙节 入控制系统给控制理论带来了新的问题。控制系 点收到的时间开销。时延总是随着网络的运行状 统各节点之间通过共享的网络传输信息往往会产 况而不断地变化，主要与两类因素密切相关。 生随机时变延迟、数据时序错乱和数据丢失现象， 因素一：网络本身的性能．即完全于网络 这将导致系统丧失其确定性、定常性、因果性和完 测量方法、仅与网络本身的硬件特性相关的部分， 整性，尤其在互联网环境下更是如此。 主要包括以下三个方面：①网络的物理介质【２］。不 在网络控制系统中，控制环是通过一个实时 同的物理介质随着底层物理信号实现、转换的不 网络来形成闭环的，这样就不可避免地存在着由 同，而导致网络本身带宽各不相同，因此对于具有 于通信带来的时间延迟。当时延远小于采样周期 一定长度的数据报文而言，传输速度也不同。②当 时，它的影响可以忽略不计；但当时延相对于采样 前传输所需的路由、转发、过滤次数。路由器的路 周期不能忽略时，控制系统的分析和设计就必须 由、转发需要时间，而在路由上等待转发也需要时 考虑时延的影响。典型的网络闭环控制系统框图 间，因此经过的路由器个数越多，转发的次数越 如图１所示 多，时延也就越大。同时，若路由器负荷越重，等 待队列越长，时延也就越大。③网络的数据链路层 协议的实现方式。由于数据链路层对数据报文的 传输存在多种实现方式，在完全相同的上层协议 和底层的物理链路上．不同传输机制的实现对传 输时延也会产生不同的影响。 因素二：测量报文的特定性能。相对因素一而 言，这与网络具体测量方式密切相关．主要可分成 ：。传感器到控制器的时延； 控制器到执行器的时延 两个方面：①承载测量报文的协议类型。网络的传 图１ 具有网络诱导时延的反馈控制回路 输时延，往往要根据实际的情况来选取合适的通 ＮＣＳ中的网络可分为两大类：令牌网络和 讯协议。不同的协议有着不同的发送机制和速率 ＣＡＮ网络，它们都称为实时网络．即网络中数据 控制模式，实现方式也不同。②报文长度、发送频 的最大时延是有界的。令牌网络中数据传输的网 率。在一段具体的链路上，带宽一定的情况下．报 络时延可看作常值，它的值可由离线分析得到．因 文的长度、发送频率与传输时延成反比。因此．报 此可将这类系统模型抽象为定常时延系统。ＣＡＮ 文越长，频率越高，其传输时延也就越大。 网络中的数据传输时延是时变的．本文主要对这 此外，当前的网络流量、处理机性能ｆ包括其 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期 李海港等 网络控制系统的在线时延估计 ７５ 接收、处理数据报文的速度）和其当前的作业量 样周期，对ＮＮ进行一次在线学习训练，以捕获通 等．也对网络传输时延产生影响。 信时延中的突发特性，较为准确地预测时间延迟。 由于神经网络具有非线性辨识能力，因此，它 是一种有效的网络时延预测方法。 ３．３平均时延窗口法 ３时延的在线估计 时延是网络的固有属性之一．也是评价网络 性能的基本指标。ＮＣＳ中由于不确定时延的存 在，其稳定性通常难以保证．虽然Ｓｍｉｔｈ预估补偿 这种方法的基本思路是『５－６］：通过建立网络连 接．使得控制器能获得传感器的采样周期ｈ，把它 方法能在一定程度上减少对网络时延模型的敏感 性．但如果时延模型估计存在较大误差的情况下． 控制性能也会相应的变差。为此，在实际的网络应 用中．有必要对网络时延进行在线预估，通过在线 辨识和参数调节，动态补偿变化的时延，从而使系 统获得较好的动态性能和稳定性Ｅ３ ２。以下给出几 种适用于网络时延在线估计方法。 ３．１ 线性预测方法 这里借鉴ＴＣＰ协议的设计思想．使用自适应 算法以适应网络时延的变化来预测时延。这种算 法记录每一个报文段发出的时间．以及收到相应 确认报文段时间，这两个时间差就是报文段的往 返时间．给出预测算法： ＋１＝０［ ＋（Ｊ一０［ （１） 式中，０≤仪≤１，为加权因子； 、 分别为下 次和本次预估时延； 为新的往返时延样本，根据 报文段收发时间差得到。 对于０［的选取，可以对实际的时延和预测时 延进行比较，若误差较小则说明０［比较合理。由 于线性预测方法的精度和自适应性不高，它一般 适用于网络时延变化较小．稳定性比较好的情况。 ３．２基于神经网络的预测方法 Ｅｌｍａｎ￣４Ｊ是一种具有动态记忆能力的动态递 归网络．它可用来捕获通信量、通信时间的过去与 将来之间的复杂关系，并在线学习预测网络中的 时间延迟。 考虑到网络延时的随机性和动态性强的特 点．利用扩展的Ｅｌｍａｎ网络．并采用标准的反向 传播算法ｆＢａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，简称ＢＰ算 法），来实现对网络时延的预测。为了更好地满足 实时性的要求，可以对网络时延在线做一步预测， Ｅｌｍａｎ网络用来动态逼近网络时延现在、过去与 将来之间复杂的非线性关系，即输入为现在及过 去采样时刻的时间延迟，输出为下一采样时刻网 络时延的预测值，并在下一采样时刻用该预测值 与实际值的误差的平方作为目标函数来训练 （Ｎｅａｒｅｓｔ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ，即最近邻算法），这样在每一采 用作对传感器到控制器时延 的估计：通过预先 在连接过程中设定的数据帧的优先级，使得控制 器到执行器时延 的特征与 一致，由此可以 得到网络诱导时延 的特征。其中． Ｔｋ＋Ｔｋ。 当控制器在它的时钟ｔ 时刻接收到第ｋ次采 样数据时，第ｋ＋１次采样数据期望将在ｔ ｋ￣ｌ＝ｔ 时刻接收到。当第ｋ＋１次采样数据在ｔ 时刻到 达控制器，则Ｔｋ＋ｌ：Ｔｋ＋（￡ｋ＋ｌ－ｔ ）。 的特征可通过 设置在控制器中的一个时延窗口获得．此窗口存 储对时延的当前和历史估计值共Ｍ项。通过在时 延窗口中的Ｍ个时延历史数据．可以在线描述出 的随机分布规律。假设 与 无关．在建立网 络连接时，如果传感器与控制器之间数据优先级 和控制器与执行器之间数据的优先级足够接近， 使得 的随机分布规律与 相近。这样．在没有 网络同步时钟和时延离线假设的情况下．可获得 相关时延信息。最简单的处理方法是取时延窗口 中数据的平均值用于计算控制输出．具体算法如 公式（２）： ｒ ｉ ／ｋ， Ｔ ： ‘ （２） ； 一 ∑Ｔ１ “ ｉ ／Ｍ， ≥Ｍ 这种方法不需要网络同步时钟的实现．在运 用这种方法时有两点必须注意：①在控制回路工 作以前．必须在相关节点之间建立连接：在连接过 程中，控制器才能获得传感器采样周期的信息，这 是对时延进行评估的基础。②在网络连接中，回路 中的数据在网络中传输的优先级必须设置为足够 的接近，从而保证传感器数据与控制时数据具有 相同的时延特性。这两点在ＣＡＮ总线中都能很容 易得到满足。 ３．４互相关函数法 对于从同一个信号源发出的信号，用两个传 感器进行测量．得到两个带有噪声且有时差的测 量信号柏和 ，其中一个有时滞。（下转第８２页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ８２ 刘永先等 生产矿井储量台帐管理信息系统的研究与应用 ２００７年第４期 中文企业版作为程序开发和编译平台。采用Ｍｉ． ｃｒｏｓｏｆｔ Ａｃｃｅｓｓ作为数据库平台．应用在Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ 工作面台账数据库：ｔｚｇｚｍ．ｍｄｂ 表：ｇｚ 保存工作面的数据存储结构。 除工作面之外的其它台账数据库：ｔｚｈ０．ｍｄｂ 表１：建筑物、水体、铁路下压煤采出量台账； 表２：矿井储量动态数据台账： 表３：矿井储量计算基础变动台账： 表４：矿井储量增减、转人、转出、注销台账； 表５：矿井期末三大煤量台账； 表６：期末矿井采出量损失量损失率台账； 表７：全矿性永久煤柱摊销台账。 说明： Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下，使生产矿井储量台帐靠手工计 算录人和管理转向微机信息化管理。 （２）矿井储量台帐管理信息系统根据模块设 计原则采用文件管理模块、汇总计算模块、打印输 出模块等几大具有相对单一功能的模块进行 管理，系统环境、各种台帐分别采用数据库进行管 理，使系统可靠性和稳定性较强。 （３）该系统通过程序化管理、菜单式输人实现 台帐管理自动从储量月报和年报数据库中提取数 据，经过应用系统分析、计算、汇总等程序化处理。 达到三位一体化数据化管理，减少人为输人错误， 最终打印成的台帐符合质量标准化标准。 （４）该系统具有设计先进、计算方法合理、操作 简单、易于维护、界面新颖等特点，具有智能化的 ｔｚｈ０．ｍｄｂ数据库用来在系统第一次使用，没 有上一年的数据库时提供表结构。 ｓｙｓ．ｍｄｂ用来提供保存系统数据环境。 ｔｚｇｚｍ用来提供工作面数据库的表结构。 ２．３调试 该系统开发完成后。在生产矿井用实际生产 数据进行了反复测试。针对应用中出现的问题进 行及时调试，获得了较好的稳定性和准确性。 管理能力、工作程序简便、工作质量高、速度快等 优越性，有较大的推广应用价值。 ［作者简介］ 刘永先（１９６９一），男，江苏丰县人，高级工程师，１９９１ 年毕业于中国矿业大学地质系，现工作于徐州矿务集团有 ３结 论 （１）本系统采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司开发的ＶＢ６．０ 限公司庞庄煤矿技术中心。 『收稿日期：２００７—０４—０６１ （上接第７５页） 现假设两噪声互不相关，且和信号源也不相关；所 【参考文献］ ［１］吴迎年，张建华，侯国莲．网络控制系统研究综述［Ｊ］． 现代电力，２００３，（１２）：５５—６２． ［２］过晓冰，伍卫国，刘敏．网络传输时延的测量方法［Ｊ］．计 算机应用研究，２００２，（７）：１９—２Ｏ． 有信号和噪声都是随机并且零均值高斯分布。避 免计算中的积分过程．从采样时间序列得到两个 信号之间的互相关函数计算公式： ＾乙ｌ ＲＤ（ ）＝ １ 』Ｖ ＾ １ １ｎ ［３］高政南．基于事件驱动的大时延网络控制系统探索与 ｘ，１（ ）ｘ２（ ＝０ ） （３） 研究［Ｄ］．南京：南京理工大学硕士论文，２００４． ［４］司风琪，洪军，徐治皋．基于改进Ｅｌｍａｎ网络的动态系 式中，ｋ为整数，ｈ为采样周期，Ｎ＞０是使用的 采样序列的数目。由互相关函数的理论可知．在 ＝ 统测量数据检验方法［Ｊ］．东南大学学报，２００５，３５， （１）：５０—５４． 处得到相关函数的最大值。 在此，利用提出的相关函数法对 进行在线 ［５］魏震，李长虹，谢剑英．网络控制系统在线时延估计控 制［Ｊ］．控制与决策，２００３，（９）：５４５—５４９． ［６］魏震，马向华，谢剑英．网络控制系统中在线时延评估 辨识，实时改变预估模型中的 。 ４结 语 从网络控制系统得时延存在出发．分析了影 方法及其控制［Ｊ］．上海交通大学学报，２００３，（４）：５７４— ５７７． 响网络传输时延的若干因素。针对网络时延的不 确定性，提出了几种时延在线估计的方法．并指出 它们的适用范围及应用的注意事项。这些方法的 提出为控制器的设计及控制系统的分析提供了研 究基础 ［作者简介］ 李海港（１９８１一），男，江苏赣榆人，助教，硕士研究生， 主要从事网络控制系统和嵌入式系统的研究。 ［收稿日期：２００７—０３—２８］
