控制系统的网络化程度是工业自动化的关键，是衡量一个国家工业水平的 重要指标。进入21世纪以来，网络已经实现了身处异地，甚至不同星球的人们 实时联系的梦想，今后将更多的涉及网络与物理环境的交互。即将感知节点、 执行节点和具有计算能力的控制节点，通过有线或无线网络连接起来所构成的 分布式系统，就是物理环境与网络的信息交流平台。不可否认，控制系统的网 络化是对已有控制理论和控制模式的巨大挑战，又极可能衍生出一种新的控制 模式和控制方法。但是网络的引入也带来了棘手的问题——信息传输延迟。网 络的共享本质决定了延迟不可能完全消除，只能利用各种手段来确定或估计当 前和未来的延迟，并以此作为控制器的延迟参数，才能最大限度地消除延迟对 网络控制系统的负面影响。 影响网络传输延迟的因素众多，首先要确定哪些需要深入研究，哪些可以 忽略。直观上，汽车从目的地出发需要经过多条公路和十字路口才能到达目的 地，因此汽车在路上经过的时间，与相应的路宽、平坦程度有关，还与此时段 公路上的汽车数目、分布地点及其密集程度等密切相关。同样在通信网络中也 存在类似的影响关系，影响信息包传输延迟的因素包括了网络特性，还有信源 特性，即信源产生负载的特性。因此本文在研究过程中，将信源与网络分别进 行了研究，将二者视为影响延迟的两类主要因素。 通信网络中，无论信源还是网络本身在一定程度上都可以分为确定型和随 机型两种。其中确定型信源是指信源按照预定的模型产生网络负载，不受其他 因素的干扰，其产生的负载量及其分布都可以根据模型而确定(如时间驱动的 传感器结点)。与之相似，确定型网络是指网络的服务质量(如延迟、带宽等) 也可以根据已知的模型而确定，不存在其他随机因素的干扰；随机型信源和网 络则相反，信源产生的负载，以及网络的服务质量都存在随机因素的干扰，不 能根据相应的模型而提前确定(如事件驱动的传感器结点)。因此本文就信源和 网络分别为确定型和随机型的前提下，进行了研究。 本文首先研究了网络传输特性，以及各种网络服务质量控制技术在各层协 议中的实现方法，通过数据分析和仿真，得出了控制系统中的采样周期、数据 包长度网络带宽占用率等与网络传输延迟的关系；然后详细研究了网络控制 系统中存在的各种节点模型，得出不同节点对数据流的不同影响，并建立了具 体的信源节点模型。 第二，引入了演算理论来具体计算网络的点对点传输延迟。针对网络控制 系统中的确定型信源和确定型网络，建立了演算理论在控制系统中的确定型理 论框架，并通过两种典型的控制网络拓扑结构，得到了确定型延迟理论和模型。 第三，在确定型延迟理论的基础上，针对网络控制系统的随机型信源，分 别在确定型网络和随机型网络上，建立了演算理论的随机传输延迟理论。与确 定型延迟不同，随机型延迟虽然比确定型计算方法复杂，但是得到的结果与实 际网络延迟更加接近，对控制器的参考价值也更大。 第四，受随机延迟理论允许丢包的启发，在本文最后，将延迟模型应用于 控制系统时，将延迟计算方法集成在有效延迟模块内，有效延迟不但包括了传 输延迟，而且能够自动监测系统状态信息的有效性，实例仿真证明了本文延迟 模型的有效性。 关键词：网络控制系统，演算理论，信源模型，随机延迟模型