网络化的控制系统的时延特性分析

华北电力大学本科毕业设计（论文）1网络化的控制系统的时延特性分析摘 要随着网络通信技术和计算机网络技术的迅猛发展，从而促使了网络控制系(networked control system，NCS）的出现和发展。所谓的 NCS 简单的说就是通过实时网络形成的一种闭环反馈控制系统。现以成为国内外的一个新的研究反向。就我国而言，基于网络控制的系统被不断的应用和发展，在技术方面也取得了显著的成绩，但是网络控制系统的技术体系和理论基础远远没有形成。所以深入系统地研究网络控制系统对于国家工业水平的提升，生产力的发展有着重要的意义。网络控制系统具有信息资源共享、连接线数大大减少、分布控制、易于扩展维修、高可靠性等优点。是未来控制系统的重要发展模式。尽管网络控制系统与传统控制系统相比有很多的优势，但是由于网络的介入，通信机制与通信协议的原因，以及网络的带宽有限并且被系统中的各个节点所共享，当传感器、控制器和执行机构通过网络进行数据交换时，不可避免地会出现数据碰撞以及排队等待、网络拥堵、数据包丢失、数据传输时延、网络连接中断等现象，严重时甚至可能导致系统的不稳定。本文着重分析不同时延分布时对网络控制系统稳定性的影响以及在不同网络环境和不同网络负载时对网络控制系统的稳定性的影响。学习使用 truetime 仿真平台并练习搭建不同的网络控制系统模型，分别详细的分析不同的情况下对系统性能的影响，为网络控制系统的设计器提供依据。关键词：网络控制系统; truetime ;网络诱导延时;网络环境 ; 网络负载华北电力大学本科毕业设计（论文）IDELAY CHARACTERISTIC ANALYSIS OF NETWORKED CONTROL SYSTEMAbstractWith the rapid development of network communication technology and computer network technology, the emergence and development of network control system (control system networked, NCS) has been promoted. The so-called NCS simple said that the formation of a real-time network through a closed-loop feedback control system. Now to become a new research at home and abroad reverse. As far as our country is concerned, the system based on network control has been applied and developed continuously, and has made remarkable achievements in technology, but the technical system and theoretical foundation of the network control system is far from forming. So in-depth and systematic study of the network control system for the improvement of the national industrial level, the development of productive forces is of great significance. Network control system has the advantages of sharing information resources, greatly reducing the number of connecting lines, distribution control, easy to extend maintenance, high reliability and so on. Is an important development model of the future control system. Although the network control system and traditional control system has manyadvantages compared to, but due to the intervention of the network, communication mechanism and the communication protocol, and network limited bandwidth and is shared by all nodes in the system, when the sensor, controller and actuator via the network for data exchange,inevitably will crash data and waiting in line, network congestion and packet loss, data transmission delay, network connection interruption phenomenon, serious when may even lead to system instability.This paper focuses on the analysis of the influence of different time delay on the stability of networked control systems and the stability of network control system under different network environments and loads. Learning to use truetime simulation platform and practice to build different network control system model, respectively, detailed analysis of the impact of different conditions on the system performance, to provide the basis for network control system designer.Key words: network control system, truetime, network induced delay, network environment, network load华北电力大学本科毕业设计（论文）目 录摘要 Abstract1 绪论 11.1 研究的目的与意义 11.2 网络控制系统研究的现状与方法11.2.1 网络控制系统的研究现状 11.2.2 预测控制 21.2.3 网 络 控 制 系 统 的 调 度 21.2.4 鲁棒控制 32 网络控制系统的时延特性 42.1 时延产生的原因 42.2 时延的分类 42.3 NCS 中信息传输时延的构成 42.4 时延对系统性能的影响 53 网络控制系统的建模 63.1 对 NCS 建模条件的描述 63.2 网络控制系统的建模 64 网络控制系统的仿真说明 84.1 MATLAB 简述 84.2 TrueTime 仿真器 84.2.1 对 TrueTime 仿真器的基本认识 84.2.2 truetime 功 能 模 块 简 介 94.2.3 truetime 安 装 的 简 要 概 述 105 不 同 网 络 环 境 对 网 络 控 制 系 统 性 能 的 影 响 115.1 对 网 络 环 境 的 认 识 115.2 仿 真 实 例 115.3 仿 真 总 结 与 认 识 19 6 不 同 的 网 络 负 载 对 网 络 控 制 性 能 的 影 响 206.1 对 网 络 负 载 的 认 识 206.2 仿 真 研 究 206.3 仿 真 结 果 分 析 总 结 267 不 同 时 延 分 布 时 对 网 络 控 制 系 统 稳 定 性 的 影 响 277.1 仿 真 实 例 27华北电力大学本科毕业设计（论文）7.2 仿 真 分 析 与 总 结 31实 验 总 结 与 展 望 32参 考 文 献 33致 谢 35华北电力大学本科毕业设计（论文）01 绪论1.1 研究的目的与意义随着计算机网络的广泛使用和电子通信的飞速发展，智能化的传感器、控制器和执行机构应运而生，这也为网络控制系统的出现和发展打下了一定的物质基础。所谓网络控制系统（networked control system，NCS）就是指通过一系列的网络通信信道将分布于不同地理位置的传感器、控制器和执行器连接起来，从而形成一种分布实时的反馈闭环控制系统。在传统的控制系统系统中采用点对点的结构来实现传感器、控制器和执行器之间的信息传递，相比较来说网络控制系统的优势在于可以实现资源共享和远程分布控制、连线少、结构灵活、成本低、维护方便、通信协议开放等诸多优点 1。当前虽然大多数工业现场依然采用集散控制系统作为主要的控制方式，但是它的诸多优越性必然会导致它被越来越多的领域所接受，发展前景一片大好。然而在网络控制系统中，由于通信机制和通信协议的原因，同时由于网络的带宽有限并且系统中各个节点是共享的，因此，当 NCS 中传感器、控制器和执行器之间的节点在通过网络交换数据时往往会出现多包传输、数据碰撞、网络拥堵、等待排队、网络连接中断等不好的现象，这样就使得网络控制系统不可避免地出现数据传输时延、数据包丢失的问题。延时会降低系统的控制性能，使系统的稳定性范围变窄，甚至造成系统的不稳定。所以，如何处理网络诱导时延对网络控制系统的影响已经成为了网络控制系统的主要挑战。NCS 是集网络通信和控制系统于一体的复杂的控制系统，涉及多种科学领域。如：控制论、计算机科学、软件工程、信息论等。其中控制论、计算机网络技术和信息论是网络控制系统的理论基础。Murray 等 24提出：控制、计算机和通信的集成将是控制科学的一个重要发展方向，网络控制系统则正是这一发展发展方向的具体体现。在网络硬件和设备成本日益下降以及软件业蓬勃发展的今天，对网络控制系统的应用拓展已经是势在必行，也是十分有意义的。1.2 网络控制系统研究的现状与方法1.2.1 网络控制系统的研究现状网络控制系统是集网络通信和控制科学于一体的复杂的分布式控制系统，并且涉及了多个研究领域。对于 NCS 进行深入的研究对我国科技的进步、生产力的发展和工业自动化水平的进一步提升有着深远的意义。NCS 的研究起始于 20 世纪 80 年代末，首先是对关于集成通信控制系统的研究 25、26 ，为 NCS 的发展奠定了一定的基础。随后经过努力的研究和发展，到了 20 世纪 90 年代 NCS 迅速的崛起，在航空航天、设备制造、过程控制、远程医疗和经济管理等领域得到了很大的应用和发展，为 NCS 揭开了新的篇章。在当今，NCS 的研究已经成为了国内外很受重视的研究课题，NCS 的研究热潮已经席卷了华北电力大学本科毕业设计（论文）1全球。我国对于 NCS 的研究相对于其他国家来说比较晚，起源于 90 年代末的现场总线控制系统（fieldbus control system，FCS）的应用。不过经过几代人的不懈努力，我国对于NCS 的技术也已经迎头赶上。就当今而言，NCS 的研究主要涉及两个方面 12、13 ：一方面通过计算机网络技术从而提高信息传输和远程通信服务质量（quality of service，QOS ），另一个方面是通过自动化控制技术来加强系统的稳定性和动态性能（quality of performance，QOP ）。简单的来说它们的思想就是：前者是对网络的控制和研究而后者则是通过网络对系统的控制。但是它们的目的都是一致的，就是使系统稳定，满足实时要求地运行。NCS 通过近代持续大力的发展，已经结出了丰硕的果实。研究领域广泛涉及连续域、离散域和连续离散混合域。研究对象主要有线性定常系统、线性时变系统、非线性时变系统和非线性定常系统。主要的研究方法包括:预测控制、鲁棒控制、网络调度、智能控制、神经网络、遗传算法、网络切换等。下面将对我所了解的几种研究方法进行简要的简述。1.2.2 预测控制预测控制是近几年渐渐发展起来起来的一种控制算法，从字面上我们就可以很轻松的得知这种方法的精髓就在于预测两个字上。预测控制主要是对所控制的对象进行一系列的数据分析，对被控对象建立相应的模型，在这个基础上对被控对象进行实时的采样分析以此来提前预知系统需要怎样的参数条件才能处相对稳定地运行，将系统简化为我们能处理的简单的线性系统。往简单了说，预测控制其实就是通过对被控对象建立模型通过大量地实时地数据采集以此将对复杂的系统分析转化成基于对线性系统研究分析的过程 5。因此预测控制主要适合应用在比较复杂，难于计算的系统中。在预测控制中一般有多步优化、滚动优化反馈校正等控制策略。这些方法都是通过优化改良被控对象在所处系统的调度策略和控制方式，以此使系统所在的控制网络的环境达到一个相对宽松的状态 3，从而能有效的降低网络时延对系统造成的影响。最后利用 MATLAB4对采用预测控制算法的系统进行仿真，可以发现系统的动态性能在较之前不使用预测控制的时候有了明显的改善。预测控制的多样性、滚动优化的时变性、在线校正的鲁棒性 7这些特征使得预测控制能更好的符合复杂系统的拥堵情况和时变情况，这也是它能有效降低网络延时的根本原因。预测控制由于对被控对象在建立模型的时候要求不高，所以预测控制在工业生产过程中得到了很大的应用。其实预测控制中的核心思想就是预测模型、滚动优化和反馈校正三点 7。因为在预测控制中对被控对象的预测模型只是对被控对象进行粗略的动态性能描述，所以在进行优化改善的时候难免会与实际情况有着偏差。因此，加入反馈校正，来减小由于一系列因素影响预测模型与实际情况的偏差是很有必要的，这样可以更好的控制网络诱导延时使系统能够更加平稳有效的运行。随着预测控制的理论体系越来越完善，预测控制在控制领域已经占有非常重的地位并且在网络控制系统中已得到了广泛而华北电力大学本科毕业设计（论文）2深远的应用。1.2.3 网络控制系统的调度在网络控制系统中，系统整个的性能不仅取决于控制算法的有多么高级，也依赖于网络的性能，就是说控制网络中的资源配置。所以网络中的信息调度就被逐渐提起，所谓网络调度其实网络控制系统中资源和信息的一种优化配置。简单地说，网络调度就是网络控制系统在进行数据传输的时候为每一个传送对象配置一个比较合理的传送方案。也就是在任意时间内确定发送信息的一组规则，这样来决定谁先发送，发送的多少，以此来维护系统的稳定运行 8。因为在网络控制系统中各个元器件在进行数据之间的传输的时候往往用的是一个控制网络，才会导致数据碰撞的情况出现，所谓的网络调度为每个传送对象配置一个合理的传送方案的目的就是减少甚至消除数据碰撞、数据丢失的情况，以此来达到优化的目的，从而减小系统中延时，使系统具有良好的控制品质。随着网络控制系统的发展网络调动策略也相应有了很大的发展，就目前来说主要的调度方法有：静态调度策略（速率单调静态调度策略和基于时间窗的静态带宽分配策略）、动态调度策略（最大误差优先-尝试一次性丢弃调度协议、基于死区的动态调度和基于业务平滑的动态调度等等) 9。从网络层次来看，网络控制系统的调度方法可以分为两类：网络底层的调度和应用层的调度 10。对于网络控制系统来说，在不同的环境下对于不同的被控对象，选用正确的网络控制策略对于系统的动态性能输出以及控制品质来说是非常重要的。所以在选用以及设计调度策略的时候一定抓住调度策略的特点以及应用范围。1.2.4 鲁棒控制说到鲁棒控制就不得不提到一个概念，那就是鲁棒性了。所谓鲁棒性就是指系统的健壮性，往简单了说就是当遇到危险和突发情况的时候系统的生存能力，就像在遇到地震的时候建筑物的抗震能力一样。把它拿到计算机领域就是当计算机或者说计算机中的某个软件在遇到不良情况的时候，比如说网络拥堵等，能否做到不卡顿，不停止工作的能力。将它引入到网络控制系统当中，就是系统在合适的参数下正常的运行，在遇到外界干扰或者突发不良因素影响的时候保持系统当前工作状态的能力。将鲁棒性引入某个系统中就自让而然出现了鲁棒控制这个概念，在鲁棒控制中要达到前面所说的鲁棒性的要求，就必须要求所引入的控制算法拥有绝对的可靠性，因此鲁棒控制该方法对于对稳定性与可靠性要求比较高的系统很实用。由于网络控制系统主要是应用于工业生产、航空航天、远程医疗等对系统稳定较高的的领域，因此在网络控制系统引入鲁棒控制是很不错的选择。鲁棒控制的设计是在系统较差的情况下设计的，在设计的时候是有专业的人员进行分析和设计的，在设计好后不克轻易的更改系统的参数。这也就决定采用鲁棒控制的系统的可改变性不强，在需要对系统进行优化升级的时候就要重新规划设计了。但是总得来说鲁棒控制这种控制思想对于网络控制系统来说是很适华北电力大学本科毕业设计（论文）3用的。目前来说鲁棒控制在网络控制系统的应用是比较成功的，其中 H鲁棒控制就是很典型的例子，对动态反馈输出的网络控制系统的稳定性控制方面有很好的效果。2 网络控制系统的时延特性2.1 时延产生的原因在 NCS 中，由于网络通信方式和通信协议的原因以及网络带宽有限、网络负载变化、网络环境改变等因素的影响，当分布于不同地理环境的控制器节点、传感器节点、执行器节点通过网络进行数据交换的时候，往往会出现数据碰撞、排队等待、网络拥堵、数据包丢失、数据包时序错乱等不良现象。所以，当系统中各个节点进行数据交换的时候就会不可避免的出现网络诱导延时。进一步讲，时延（delay）是衡量一个系统通信服务质量的一个重要指标。时延被这样定义，它表示系统中两个节点间传送一位数据所需要的时间，单位用秒或者几分之一秒来表示。2.2 时延的分类在网络通信领域，通常将时延分为传播时延（propagation delay）、交换时延（switching delay）、存取时延（ access delay）和队列时延（ queuing delay）等。下面对这几类时延做简要的介绍。传播延时：指传输信号通过传输线传输的时候需要的时间。从定义上我们就可以看出，传播延时的大小与传输的距离是成正比的。交换延时：特指传输的信号通过网络中的集线器、交换机、网桥等电子设备所需要的时间。由于这些电子设备在转发数据包的时候存在缺陷，必须要等所有的数据包到达时才能进行发送，所以才会产生交换延时。所以要减小或者消除交换延时必须对网络中的电子设备进行一定的优化。存取延时：由于在 NCS 中，系统中的各个节点在进行数据传输的时候是公用一个网络的，也就是说它们拥有共享的通信介质，所以只有在网络（通信介质）空闲的时候才能进行数据的发送接收，所以不可避免就产生了存取延时。队列延时：在网络控制系统中进行数据包的存储和转发的时候，网络中的每个交换机会将传来的数据包排成队列，如果队列中有包，则新来的包要等待，直到交换机将之前先到的数据包发送完，这种数据包排队等待的时间叫做队列延时。2.3NCS 中信息传输时延的构成在 NCS 中，信息传输的主要被分为两类：一类是我们常提到的网络诱导延时；另一类指的是系统中各个设备计算处理的时延，比如说传感器、控制器和执行器完成自身功能所需要的时间。由于网络控制系统的大力发展，目前采用的设备大都是智能设备，它华北电力大学本科毕业设计（论文）4们的采样时间和自身计算处理的时间是很小很小的，所以是可以忽略不计的。所以在NCS 中信息传输的时延主要是由于网络诱导延时造成的。在 NCS 中，网络诱导延时主要有以下三个因素构成：一是数据包排队等待的时延；二是信息产生的时延，进一步说就是发送端将待发送的信息封装成数据包进入排队队列所需要的时间；最后就是我们前面所说的传输延时。下图为典型的网络控制系统：图 2-1 典型的网络控制系统可以将整个的网络诱导时延定义为从传感器测量值封装成数据包时刻起到执行器开始执行控制信号时刻所经历的时间。如果用 来表示第 k 周期整个回路中的网络诱导延k时的话，那么有 。其中 表示第 k 周期控制器到执行器的时延， 表示ksckcakkcaksc第 k 周期传感器到控制器的时延。2.4 时延对系统性能的影响前面我们就已经提到，网络诱导时延对网络控制系