（控制理论与控制工程专业论文）基于tcpip网络的机械手远程控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 随着机器人和计算机网络的不断发展，将机器人技术与网络技术的结合 成为了机器人技术发展的一个重要方向，使得基于网络的远程机器人系统成 为了新的研究热点。本文研究的机械手网络控制问题，在远程监控与操作、 远程实验与教学、远程医疗、远程作业等领域具有广泛的应用，具有广阔的 应用前景和巨大的开发价值。 本文首先介绍了网络控制系统的结构、优点以及影响网络控制系统性能 的几个主要因素，重点分析了时延产生的原因和网络时延的测试方法，并应 用v c + + 6 0 编写了一个网络时延的测试程序，对测试结果进行了分析，得到 了网络系统中时间延迟的存在性、随机性和有界性的特点；其次，对网络控 制系统进行了合理、准确的建模，通过系统仿真，讨论了时延对控制系统的 影响，证明了系统稳定的充分条件，并运用l m i 工具箱，求得了满足定理条 件的使系统保持稳定的反馈控制率；在讨论了系统的稳定性之后，介绍了网 络控制系统的最优随机控制方法、队列方法等控制方法，分析了每种控制方 式的优缺点及其适用范围，并依据l y a p u n o v 稳定性定理及l m i 工具，对网络 控制系统的鲁棒稳定性做了详细的研究，给出了网络控制系统的日。控制器 的设计方法。通过仿真实验证明了该控制器能有效的抑制外部扰动对网络控 制系统的影响：最后，基于t r u e t i m e 工具箱设计了机械手网络控制系统仿真 平台，将仿真平台划分为机械手模块、执行器模块、传感器模块、控制器模 块以及网络模块，并对各个模块进行建模，最后建立了机械手网络控制系统 的仿真模型，通过仿真验证了平台的正确性和控制方法的合理性。 关键词：机械手：网络控制系统；h 。控制：t r u e t i m e 工具箱 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t nt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h er o b o ta n dt h en e t w o r k t h eu n i o no f n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h er o b o tt e c h n o l o g yh a sb e c o m ean e wi m p o r t a n t d i r e c t i o no fr o b o tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i tm a k e st h et e l e r o b o ts y s t e m sb a s e d o nn e t w o r kb e c o m ean e w h o t s p o t t h en e t w o r kc o n t r o lo fm a n i p u l a t o rh a sb e e n s t u d i e di nt h i st h e s i s ，w h i c hh a sw i d ea p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s ，s u c ha sr e m o t e m o n i t o r i n ga n do p e r a t i o n ，r e m o t ee x p e r i m e n ta n dt e a c h i n g ，r e m o t em e d i c a l t r e a t m e n ta n dr e m o t e o p e r a t i o na n ds oo n ，a n dh a se x p a n s i v ef o r e g r o u n da n d i m m e n s ev a l u eo fe x p l o i t a t i o n f i r s t l y , t h e s t r u c t u r ea n dt h ea d v a n t a g e so fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma n d s e v e r a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e ni n 仃o d u c e di n t h i st h e s i s n l et e s t i n gm e t h o d so f n e t w o r kt i m e d e l a yh a sb e e nm a i n l yd i s c u s s e d ， ap r o c e d u r e sh a sb e e nm a d et ot e s tn e t w o r kt i m e d e l a y t h er e s u l th a sb e e n a n a l y z e d ，b e s i d e s ，g e th o l do fc h a r a c t e r i z a t i o n sw h i c hi n c l u d ee x i s ta n dr a n d o m i c i t ya n dl i m i t a r y ；s e c o n d l y ，t h em o d e l so ft h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n s e tu p ，t h ee f f e c t so fn e t w o r k t i m e d e l a yh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d t h es u f f i c i e n t c o n d i t i o no ft h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sb e e np r o v e d ，a n dm a n a g et h el m i t o o l b o x ，r e c e i v et h ef e e d b a c kc o n t r o lr a t e a f t e rt h ed i s c u s s i o no ft h es t a b i l i t yo f t h es y s t e m ，h a si n t r o d u c e dm u l t i c o n g t r o lw a y s ，a n a l y s e de x c e l l e n c ea n dd e f e c t a n di t sa p p l ya r e ao fe a c hc o n t r o lw a y ，a n dm a d e p a r t i c u l a rr e s e a r c ht ot h er o b u s t s t a b i l i t y , a c c o r d i n ga sl y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r e ma n dl m it 0 0 1 t h er o b u s t n e s s p r o b l e m so ft h es y s t e mh a v e b e e nd i s c u s s e di n t h i st h e s i s n l eh 。c o n t r o l l e r w h i c hc a r le f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h ee x t e m a ld i s t u r b a n c eo ft h en e t w o r kc o n t r o l s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ；i nt h ee n d ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo fm a n i p u l a t o r n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d u s i n g t h et r u e t i m et o o l b o xo f m a n a b a n dc o m p a r t m e n t a l i z ee m l u a t o rf l a t f o r mi n t om a n i p u l a t o rm o d u l ea n d e x e c u t em o d u l ea n ds e n s o rm o d u l ea n dc o n t r o l l e rm o d u l ea n dn e t w o r k m o d u l e ，a n ds e tu pm o d e lo f e a c hm o d u l e ，f i n a l l ys e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e lo f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h e m a n i p u l a t o r n e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ，v e r i f i e d t h ec o r r e c t n e s sa n dt h e r a t i o n a l i t yo ft h ep l a t f o r m k e yw o r d s ：m a n i p u l a t o r ；n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ；h 。c o n t r o l ；t r u e t i m et o o l b o x 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文i ：1 - 1 已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：谫于超 日期：i ) q 年2 e j 珞日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识广：权属于哈尔滨- 1 i 程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向圈家有关部l 、j 或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或伞部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫捕等复制手段保存不n 7 l i 编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同1 寸本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文、叨在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：谢超 日期：硎q 年2 月巧f 一 导师( 签字) ：盘謦 瑚，年) 月西 二i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着国民经济的发展，机器人己成为高新技术领域中重要的战略发展项 目。机器人正在逐渐改变过去的部件发展方式，而更多地进入了系统发展方 式。从系统的观点出发，机器入仅仅是庞大系统中的一个单元，必须考虑和 其他设备互联的方式、手段和协调能力，作为一个整体来运行，因而应用环 境的变化使得机器人技术也相应得到发展。作为前沿科学的机器人技术研究， 智能化也离不开网络这一技术。现在的机器人逐渐应用在系统环境中，计算 机网络的发展使得机器人的控制系统产生很大的变化。当今机器人应用的特 点之一是从单元向系统化方向发展，多台机器人与微机以及众多的周边设备 形成一个群，作为一个协同工作的工作组共同完成任务。机器人的控制系统 与网络中其他成员的交互和协作、信息和数据的获取与共享、机器人与人交 互界面等都将随之改变。机器人将越来越多地享受网络资源，利用网络的方 便，机器人作为网络中的一员，一般人员就可以在遥远的地方来控制它。它 可以在人的指挥下在遥远的地方工作，仿佛把人的活动范围延伸到千里之外 了。 远程机器人操控是机器人学的一个重要方向。2 0 世纪5 0 年代，r g o e r t z 开发了远程操作机械手，并将其应用于l o s a l a m o s 的辐射区，从此便诞生了 机器人遥操作。它的出现和应用，在一定程度上将人类从一些危险、不易到 达的环境中解放出来，如辐射区、地下采矿、深海作业和航空航天等。在操 作者和控制对象之间存在大空间跨度的情况下，远程机器人操控可以实现人 与机器人的交互，帮助人类完成一些由于自身条件约束所无法完成的任务， 人们无需亲临特定的环境，通过远程机器人完成行为能力的延伸。2 0 0 1 年9 月，身在美国纽约的外科医生雅克马雷斯科为躺在法国东北部城市的一位6 8 岁女患者成功地用机器人做了胆囊摘除手术，两地分在地球两端，医学界认 为这是外科手术史上的一次革命，也机器人科学的一次划时代的进步。 远程操控机器人自出现以来，就得到了人们广泛的关注，成功的应用到 了医学、航天等领域，但是由于远程操控机器人系统本身采用的网络不同， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而且可能对于某个领域定制的，实现的功能也是千差万别。近年来，随着网 络的发展和应用，i n t e m e t 日趋成熟完善，基于网络的远程机器人系统成为了 新的研究热点。它利用计算机网络实现机器人的远程控制，实现了一个廉价、 灵活、可扩充的系统，极大地促进了机器人遥操作技术的发展。 当今i n t e r n e t 几乎无处不在，它极其方便地为人们提供了各种各样的信 息和资源。随着人们对工业系统的过程控制提出越来越高的要求，控制已不 仅仅局限于现场控制，它更多的与网络技术尤其是i n t e m e t 和i n t e m e t 技术相 结合，通过它们对远程实际控制系统进行监控。在过去的十几年里，出现了 许多基于i n t e m e t 的应用系统，目前许多恶劣环境下的作业如：深海作业、太 空探索、考古研究等需要机器人去完成，这些作业一般都很复杂，由于机器 人技术的限制，机器人很难自主完成这些任务，需要远离作业现场的人参与。 网络控制利用现有的通用通讯技术和设备可以实现人对各种环境的遥 控，实现了人类对不可达环境中事件的参与，在实远程监控与操作圳、远程 实验与教学5 羽、远程医疗p 9 1 、远程作业”等领域都有着广泛的应用前景。 如：( 1 ) 远程制造：美国加州大学的b e r k e l e y 分校的研究组织正在开发通过 i n t e r n e t 使用的机械加工服务c y b e r c u t 。f 2 ) 教育培训：通过网络共享机器人， 可以节省教育和培训的成本，研究机构通过共享也可测试不同的控制算法， 促进研究和交流。( 3 ) 娱乐：提供互动的娱乐项目。( 4 ) 空间机器人控制：目前 美国国家航空航天局研究专家可以不用亲自到航天基地，通过网络控制太空 中的探测机器人。( 5 ) n 络化制造：工程师可以使离散的任务自动化，使工艺 流程合理化，监控工厂里的智能机械，或是对生产过程监控，不仅能从中看 到操作对象，可以实时调整模型的参数，分析人员还可以远距离进行数字模 拟。 将机器人技术与i n t e m e t 技术结合可以说是机器人技术发展的一个重要 方向。人类希望能够不受距离的限制获得直接操作的真实感觉，达到操作的 临场感，并能够控制机器人完成更为复杂的作业。尽管目前的网络机器人系 统还处于实验阶段，但其广阔的应用前景和巨大的开发价值正吸引着越来越 多的研究人员投身其中，推动着机器人在信息时代中的发展。 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 基于i n t e m e t 的机器入网络控制研究现状 1 2 1 国外研究现状 在基于i n t e r n e t 的远程控制机器人系统研究方面，美国、日本、瑞士、 德国、澳大利亚等国的高校和研究机构最为活跃，在i n t e r n e t 上创建了许多 风格各异的机器人控制站点。 基于i n t e r n e t 的远程控制机器人系统的思想是由k e ng f d b e r g 于1 9 9 4 年 春首先提出的。其最初的构想是给公众提供可通过i n t e m e t 访问的遥控机器 人，并支持用户对其实施远程操作。这一构想极大扩展了5 0 年前提出的遥操 作概念，它使得全球的网络用户都可通过h t t p 提供的低成本且能被广泛应 用的接口来访问并共享远程资源。k e ng f d b e r g 很快就将这一构想应用到 m e r c u r 3 rp r o j e c _ f 中。因此，m e r c u r yp r o j e c t 是第一个基于i n t e m e t 的远程机器 人控制系统。在这个站点上，用户通过远程控制一台配备了c c d 摄像头和气 囊系统的i b m s c a r a 型机器入，在装有沙子并埋有人造物的半圆形工作空 间中实施发掘工作引。在1 9 9 4 年8 月到1 9 9 5 年3 月间，有超过5 0 ，0 0 0 的独 立主机访问过在其南加州大学的遥操作控制主页 h t t p ：w w w u s c e d u d e p t r a i d e r s 。19 9 5 年m e r c u r yp r o j e c t 被t e l e g a r d e np r o j e c t 所取代，新计划中仍是采用装有c c d 摄像头的机械手复合其它机构通过 i n t e m e t 给网络用户提供远程培植操作。 几乎同期与k e ng o l d b e r g 的m e r c u r yp r o j e c t 向网络用户开放的遥操作机 器人还有西澳大利亚大学k e n n e t ht a y l o r 等人研发的安装有固定摄像头并具 有六自由度的机械手臂a s e ai r b 。6 的机器人t e l e r o b o t ，它支持网络用户在工 作空间中实施用积木建造复杂建筑的操作”引。t e l e r o b o t 是早期基于i n t e m e t 的远程机器人控制系统的典范。用户可以填写h t m l 表单，在反馈的机器人 工作区图像上直接点击，高级用户还可以输入系列连续的移动指令，以向机 器人发送请求指令。服务器端的c g i 脚本处理用户的请求，分别与机器人控 制服务器和图像服务器通信，控制机器人的移动，并在机器人完成任务时， 返回当前位置的不同角度的图像。 继k e no o l d b e r g 和k e n n e t ht a y l o r 的开创性工作之后，越来越多的学者 投入到基于i n t e m e t 的机器人技术的研发工作中来，更多有创意的网络机器 哈尔滨 二程大学硕+ 学位论文 人站点也相继出现在i n t e m e t 上。例如：英国b r a d f b r d 大学的远程机器人望 远镜系统；南加州大学可播种和浇水的远程花园t e l e g a r d e n ；澳大利亚 w o l l o g o n g 大学拾取木块的r o b o t y ；德国以“h a n o i 塔”方法搬运木块的n e t - r o b o t ；加州大学b e r k e l e y 分校的p r o p ( p e r s o n a lr o v i n gp r e s e n c e ) 等等。n a s a ( 美国航空航天局) 的一些专家开始研究通过i n t e m e t 对空间飞行器实施遥操作 的可行性。1 9 9 5 年，r o v e t t a 研制了一种远程医疗机器人系统。还有一些学 者如s c h u l z 、s f o f i n e 、t a m 等对通过专线实现的遥操作理论如何应用到有不 可预测时滞的i n t e m e t 上进行了讨论。 1 2 2 国内研究现状 国外在网络机器人的研究上做了大量的工作，国内也开始了i n t e m e t 机 器人网络控制方而的研究4 1 。在过去的几年中，我国“8 6 3 高科技发展计划”、 “国家自然科学基金重点资助项目以及各地的科技资助项目，为这方面的 研究提供了相应的资金支持，并且已有相关的技术成果。 如上海交通大学设计的利用以太网的机器人在线切割系统。在该硬件系 统中，服务器是整个控制系统的核心，服务器通过网络与s 型控制器连接， 传输协议为t c p s p ，同时服务器也可与外部的以太网相连接。而s 型控制器 是一种开放式控制系统，支持以太网与远程的计算机进行数据通信。采用的 机器人本体是实际的执行机构，系统采用a b b 的i b r 2 4 0 0 型六自由度工业 机器人。系统切割过程是基于补偿算法和离线编程后由计算机通过网络在线 控制机器人连续加工实现的，证明了在线切割的可能性。 南开大学设计的遥控操作系统平台”，其目的是利用网络的通用性和交 互性，构造一个集研究和实验为一体的机器人遥控操作平台，以提高机器入 设备的资源共享率。系统设计中采用的关键技术与设计思想是环境建模与操 作技巧融合的控制策略，有效地克服了模型误差和系统误差给装配作业带来 的不利影响，提高了系统的可靠性和稳定性。 哈尔滨工业大学2 0 0 0 年完成一项通过网络遥控指挥机器人工作的国家 8 6 3 计划项目，它主要借助远地机器人的传感器信息，使远程操作人员真切 感受到现场的感觉，并且可以完成物体的抓取、搬运等工作。在我国的高校 和科研院所中，中国科学院引、航天工业部、清华大学”、北京航空航天大 哈尔滨 _ 程大学硕十学位论文 学、中科院沈阳自动化所机器人实验室、北京理工大学、上海交通大学等单 位开展了基于i m t e m e t 的远程控制机器人系统的研究。而我国西部高校在这 方面的研究还属于空白，目前还没有相关资料显示西部高校建立了这样的系 统。我国目前还尚未出现向大众开放的基于i n t e m e t 的远程控制机器人控制 站点和运用该技术的商业产品。 1 3 本文主要研究内容 本文的研究工作主要有以下几点： ( 1 ) 分析了影响网络控制系统性能的几个主要因素，并重点分析了时延 产生的原因，编写了网络时延的测试程序对网络时延进行测试，进行了结果 分析。 ( 2 ) 对网络控制系统进行建模，并举例讨论了时延对控制系统的影响， 给出了系统稳定的充分条件的证明，通过举例并运用m a t l a b 的l m i 工具 箱，求得了满足定理条件的反馈控制率。 ( 3 ) 介绍了网络控制系统的多种控制方法，分析了每种控制方式的优缺 点及其适用范围；其次，依据l y a p u n o v 稳定性定理及l m i 工具，对网络控制 系统的鲁棒稳定性做了详细的研究，给出了网络控制系统的日。控制器的设 计方法。 ( 4 ) 基于t r u e t i m e 工具箱设计了机械手网络控制系统仿真平台，将仿真 平台划分为机械手模块、执行器模块、传感器模块、控制器模块以及网络模 块，并对各个模块进行建模，最后建立了机械手网络控制系统的仿真模型， 验证了控制方法的合理性。 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 第2 章网络控制系统性能分析 作为控制系统发展的前沿课题，网络控制系统利用通信网络在分布化的 设备之间进行信息和控制信号的交换，当一个控制系统通过通信网络构成控 制回路时，就构成为网络控制系统。 2 1 网络控制系统的结构 网络控制系统t w c s ) 是指通过网络将分布于不同地理位置的传感器、执 行机构和控制器连接起来，形成闭环的一种全分布式实时反馈控制系统。控 制器通过网络与传感器和执行机构交换信息，并实现对远程被控对象的控制。 网络控制系统不仅指传感器、执行器和控制器之间利用通信网络取代传统的 点对点专线进行连接而形成的闭环的控制系统，更广泛意义上的网络控制系 统，还包括通过i n t e m e t 、企业信息网络所能实现的对工厂车间，生产线以及 工程现场设备的远程控制、信息传输以及优化等。 一般而言，网络控制系统存在两种结构：径直结构和分层结构，如图2 1 和2 2 所示。 控 控制信号 制 ：。一。 器 t 4 - 剧口盟i l e l i i 蛋l b h t 执行器 被控对象 传感器 图2 1 径直结构 主- - - - _ 控 ji 制 1 传感器测量数据 器 图2 2 分层结构 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 在径直结构中，控制信号封装在帧或报文中，然后通过网络发送到被控 对象；被控对象的传感器测量数据同样以帧或数据包的形式通过网络发送至 控制器。在实际应用中，多个控制器可能封装在一个主控单元来管理多个网 络控制系统控制回路。径直结构的典型应用包括远程学习实验室和直流电机 的速度控制等。 在分层结构中，主控制器通过网络将计算好的参考信号发送到远程控制 系统，远程系统然后根据参考信号来执行本地的闭环控制，并将传感器测量 数据返回给主控制器。一般而言，网络控制回路具有比本地控制回路更长的 采样周期。这是因为，远程控制器在处理新到达的参考信号之前，假定已经 满足参考信号。与径直结构类似，在分层结构中多个控制器可能封装在一个 控制单元中来管理多个网络控制系统控制回路。这种结构的典型应用包括移 动机器人，遥操作系统以及航天器等。 实际上，采用何种结构往往取决于应用的需要和设计者的方案选择。在 机器人应用中，机械手往往要求多个电机在其关节处同时平滑的旋转，这种 情况下，采用分层结构将更方便，系统的鲁棒性更强。而在直流电机的网络 控制中由于要求系统的性能具有快速反应性，这个情况就偏向于采用径直 结构。在一个大规模的网络控制系统中，有可能采用两种结构，这是由网络 控制系统的异质网络结构所决定的。如果将远程闭环系统抽象成主控制器的 被控对象，将其建模成状态空间模型或者传递函数，则分层结构实际上可以 转换成径直结构。 无论采用那种结构，网络控制系统都可以用一种典型的基本结构表示， 如图2 3 所示。其中f 。，代表数据从传感器传输到控制器的时间延迟，r 。代表 从控制器传输到执行器的时间延迟。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 执行器卜_ 一被控对象卜_ _ 传感器 ji 1r f 。 网络 f 。 图2 3 典型的n c s 结构 2 2 网络控制系统的优点 网络控制系统的主要优点为网络布线方便，连接线数大大减少，易于扩 展，成本低，设备即插即用，故障检修和维修方便，抗干扰能力强，数据传 输可靠性高，数据可交换性强，能实现资源的共享等。 在传统的控制系统中，系统内部各个单元之间以点对点的形式采用专线 连接。如果相邻两个物理单元之间的地理位置相距很遥远，则布线所需成本 和费用之高令人难以想象。如果系统单元改用网络连接，则布线的成本会大 大降低。例如，在一个大型的工厂车间内，各个单元和生产线常分布于工厂 各处，所有设备作为一个整体可看作是一个被控对象分散的控制系统。如果 我们使用传统的点对点方式进行控制，也就是说控制器和被控对象一一对应， 则需要大量的连接专线，这将耗费巨大的电力资源。显然，这样的工厂建成 后，每天正常运行所耗费的成本是很昂贵的，而设备的老化、维修与保养又 会给工厂带来新的问题。然而，如果采用网络控制的方式，则工厂的建设成 本会大大降低，设备维护问题会更加容易解决，整个工厂的工作效率也会得 到提高。 现代化建筑中的楼字自控设备和不同功能的系统越来越复杂，同时业主 要求整个系统具有高性能、高效率、高可靠性和相对低廉的维护费用，随着 计算机技术和和网络技术的迅速发展，采用网络控制方式完全可以满足楼宇 业主和管理者的要求。采用网络连接的智能建筑控制系统具有以下优点：具 有开放性和可靠性的操作性，它可以把来自多家厂商的空调、照明、消防、 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 保安、门禁、给排水和电梯等设备集成一体化，通过网络进行统一业务管理。 相比之下，采用传统的专线连接控制方式，则只能在多连线的精度优势和少 连线的经济效益之间做出选择。 网络化控制是复杂大系统控制和远程控制的客观要求。传感器、执行机 构和驱动装置等现场设备的智能化为通信网络在控制系统更深层次的应用提 供了必要的物质基础，而高速以太网和现场总线技术的发展和成熟解决了网 络控制系统的可靠性和开放性问题。如今，网络控制已经成功的应用于国民 经济和国防建设的各个领域，如机器人遥控、电力生产、飞行器、电气化运 输工具( 如新干线、磁悬浮列车等) 、远程医疗和远程教学与实验等。随着通 信技术和现代控制理论的飞速发展，网络控制系统已经向结构网络化、节点 智能化、控制现场化、功能分散化、系统开放化以及产品集成化的成熟目标 迈进。 2 3 网络控制系统中影晌因素 2 3 1 单包传输与多包传输 单包传输是指传感器或控制器的数据集中在一个数据包中并同时传输： 而多包传输是指传感器或控制器的数据分为若干个单独的数据包传输( 它们 可能不能同时到达控制器和设备) 。网络控制系统中采用多包传输有两个原 因，一是因为网络可能对数据包的大小有限制，单个数据包只能传输一定大 小范围内的信息，这样大量的数据就必须打包成多个数据包传输。比如设备 网具有频繁传送小容量控制数据的特征，每个包最大有8 个字节数据域。所 以在设备网上，传感器数据常常必须分装于不同的包内。二是因为网络控制 系统中的传感器或执行器通常相隔很远，且很分散，分布在一个很宽的物理 范围内，很难把它们产生的数据集中在一个数据包中传输”引。 2 3 2 数据包丢失 由于网络传输的不可靠性，如节点连接失败或出现消息冲突、碰撞，数 据包在传输时会发生丢失现象，到不了指定的地点。虽然大多数网络都具有 重新传输的机制，但它们也只能在一个有限的时间内传输，当超出这个时间 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 后，数据也就丢失。此外，为了维护系统性能采用特定的网络协议也会发生 数据包的丢失。一般来说，反馈控制设备允许一定数量的数据丢失，但必须 保证在以一定的速率传送包时，确认系统是稳定的和计算出可接受的包传送 速率上的低限。对于本来在没有数据包丢失时稳定的系统，当数据丢失率达 到某一值时，系统可能变得不稳定9 。 2 3 3 时间延迟 2 3 3 1 时间延迟产生的原因 i n t e m e t 1 是以t c p i p 协议为基础组建的全球最大的网际互连网络，是由 遍布全世界的大大小小的各种各样的网络组成的一个松散结合的全球网，主 要包括主干网( b a c kb o n e ) 、各类广域网( w a n ) 、各种局域网( l a n ) 等数以万 计、有序互连的网络组成。 t c p i p 协议是用于计算机通信的一组协议，通常称它为t c p i p 协议族。 它是上世纪7 0 年代中期美国国防部为a r p a n e t 广域网开发的网络体系结构 和协议标准，i n t e m e t 就是以该协议为基础组建的。t c p i p 协议模型如图2 4 所示，共分为应用层、传输层、网际层和网络接口层。 应用层 用户进程 用户进程 传输层t u d p t c p 。7 网际层 a r pi pi c n pr a r p 么一 网络接口层硬件与固件 图2 4t c p i p 协议模型 应用层在模型的最高层，用户调用应用程序来访问t c p f i p 网络，享受网 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 络上的各种服务。传输层的基本任务是提供应用程序之间的通信服务，既要 管理数据信息的流动，还要提供可靠的传输服务，以确保数据准确而有序地 到达目的地。传输层中的主要协议是传输协议t c p 和用户数据报u d p 。网 际层又称i p 层，主要处理计算机之间的通信问题，它接收传输层请求，传送 某个具有目标地址信息的分组。网际层是整个t c p i p 协议族的重点，包括 i p 、i c m p 、a r p 及a a r p 等协议。网络接口层又称为数据链路层，负责接 收i p 数据报，并把数据报通过选定的网络发送出去。 在i n t e m e t 上，传输速率由于传输数据量的大小和网络负载的原因波动 很大，导致了时延问题的产生口。网络中的信息源很多，当系统各个节点通 过网络传输信息时，要分时共享网络通信信道。由于网络带宽有限且数据流 量变化不规则，当多个节点通过网络交换数据时，常常出现数据碰撞、多路 径传输、网络拥塞等现象，因而不可避免的出现信息交换时间延迟，这种由 网络引起的时间延迟成为网络诱导时延( n e t w o r k i n c l u d e dd e l a y ) 。由于受到 网络所采用的通信协议、网络当时的负荷状况、网络的传输速率和信息包大 小等诸多因素的影响，网络诱导时延将呈现出固定、或随机、或有晃、或无 界的特征。网络诱导时延将导致控制系统性能下降，甚至使系统不稳定。 网络诱导时延包括传感器到控制器的时延，控制器的计算时延、控制器 到执行器之间的时延等。 网络时延主要由以下因素构成： 1 ) 数据包排队等待时延。当网络忙或者发生节点数据包碰撞时，节点 等待网络空闲再发送所用的时间。 2 ) 信息产生时延。发送端的待发送信息封装成数据包并进入排队队列 所需时间。 3 ) 传输时延。数据包在实际传输媒体上传输所需时间，其大小取决于 数据包的大小、网络带宽和传输距离。 以上三种时延构成了网络诱导时延的主要部分。传感器、控制器和执行 器之间通过网络传递信息时，信息经过路由器时还有排队等待时延，以及不 同网段间传输时延等。另外，有些网络协议在发生数据包丢失或出错时允许 重发数据包，这又增加了数据传输时延。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 2 3 3 2 时间延迟的测试 按照使用的网络协议的不同，网络时延测试方法可以分为3 类m 剀： ( 1 ) 应用i c m p 协议实现：i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，i n t e m e t 控制报文协议) 是网际层协议，它经常被认为是i p 层的一个组成部分，用于 网络监控，负责发送查询报文和差错报文，它可以直接与用户进程通信。p i n g 命令就是发送一份i c m p 回显请求报文给主机，等待返回i c m p 回显应答， 从而测试另一台主机是否可达，并给出到达这台主机的往返时间r 1 陌。 ( 2 ) 应用u d p 协议实现：u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 是传输层协议，在通信的两个节点建立简单的数据连接，不提供可靠的传输 机制。它把应用程序传送给网际层的数据发出去，但是不能保证它们可以到 达目的地。应用u d p 协议进行数据传送时，进程的每个传输操作都产生一个 u d p 数据报，并组成一份待发送的i p 数据报，在接收端不进行丢包和乱序 的纠错，传输和处理的过程透明直接。当目标节点的计算机出于安全原因而 过滤掉i c m p 报文时，可以使用u d p 报文来测试网络时延。不过u d p 协议 不是面向可靠连接的，通常仅备有稳定数据流的应用程序选用，而且u d p 数扼报的附件信息较少，适合于实时信息的传输。 ( 3 ) 应用t c p 协议实现：t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 是传输层协议，提供面向连接的、可靠的字节流传输服务，它具有数据包分 割、自适应超时重发、重新排序以及流量控制等功能；t c p 协议提供自动重 发服务，在信息发送的后半段启动一个定时器，如果发送端不能及时收到目 标端的确认信息，就会重发这个报文，这一机制使得信息传送的可靠性大大 提高，报文不易被防火墙滤掉。 表2 1 是以上三种测试网络时延方法的比较 表2 1 网络时延测试方法对比 用i c m p 实现用u d p 实现用t c p 实现 精确度 古 较高较高 同 效率高高低 安全性低较高高 可行性易被滤掉较易被滤掉 不易被滤掉 为了能够准确的测量网络延时，以得到正确的分析结果，实验中没有采 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用p i n g 指令测试网络延时，而是模仿真实的网络控制环境，应用s o c k e t 网络 通信技术，采用服务器一客户机的连接方式，基于t c p 协议来实现网络通信， 以时间戳为标志来测试网络时延。t c p 协议是一种面向连接的可靠的通讯方 式，具有错误处理和重传功能，数据包能够以传送的先后顺序到达目的地。 和u d p 协议相比t c p 协议可靠性高，减少了通讯中随机因素对网络控制系 统的影响。所以本文的测试方法也是基于该协议的。 本文应用v c 十+ 60 编写了一个网络时延的测试程序。网络时延测试程序 的图形界面如图2 5 所示。该程序用于测试从当前主机到目的主机的网络时 延情况。 图2 5 网络时延应用程序界面 2 334 时间延迟的测试结果殛分析 在本文的测试中，以我实验室的电脑为源主机，分别对哈尔滨工程大学 主机、清华大学主机和美国哈佛大学进行了i n t e r n e t 传输时延测试，测试的 结果如图2 6 图2 8 所示。 堡玺鎏三鹜奎耋至圭兰篁兰兰 p 矿矿囤 数据长度( 8 ”e = 啉时间停止测试 ”p 。” 逞。j 时廷最丈值如s ) 时延母小值如= ) 一rr 时2 0 0 8 年1 2 月2 0 曰0 9 ：3 0 的实验结果 协2 0 0 8 年1 2 月2 0 日2 1 ：3 0 的实验结果 图2 6 与哈尔滨工程大学主机之间的时延测试结果 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图27 与清华大学之间的时延测试结果 图2 8 与哈佛大学主机之间的时延测试结果 图26 图2 8 分别为我的电脑与3 台不同主机之间的网络时延测试结 果，以上网络时延测试的统计结果如表22 所示。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 表2 2 不同主机网络时延测试的统计结果 平均值( m s l最大值( m s )最小值( m s ) 本校主机3 55 91 0 北京主机 17 21 52 5 美国主机 3 3 3 5 4 0 03 0 1 通过以上的实验分析，可以总结总结出网络时延的以下特点： ( 1 ) 变化时延( v a r i a b l ed e l a y ) ：不同地点、不同路由选择导致不同两点 之间的网络时延有很大的不同。通过计算得知：我的电脑与清华大学主机之 间的时延的平均值为1 7 2 m s ，而在我校的局域网内测试我的电脑与我校主机 之间网络时延的平均值为3 5 m s ；因此，局域网的时延明显小于i n t e m e t ，且 相对比较稳定。 ( 2 ) 时延跳变( d e l a yj i t t e r ) ：网络时延是一个随机变化的量，任何时刻都 存在且都是离散的，不同的时刻产生不同的时延，两天中的相同时刻也会产 生不同的时延。 ( 3 ) 数据丢失( d a t al o s t ) ：在网络传输中，所有数据都是数据包的形式 发送出去。数据包的丢失很大程度上受到传输距离的影响，局域网内几乎不 会发尘丢包；而随着传输距离的加长，通信数据必然要经过更多的网络节点、 更多的服务器，因此受到网络负载情况的影响更大，出现了数据包的丢失。 综上所述，可以得出以下结论： 1 ) 网络时延的存在性，网络中任何时刻都存在网络时延； 2 ) 网络时延具有随机性，任何时刻的网络时延是随机的； 3 ) 网络时延幅值有界，即网络中任意两点间的传输时延f 都在一定的范 围内，f f m l n f 黜j 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了网络控制系统的概念、结构及其优点；其次，分析了影 响网络控制系统性能的几个主要因素，并重点分析了时延产生的原因；最后 讨论了网络时延的测试方法，并应用v c + + 6 0 编写了一个网络时延的测试程 序，对测试结果进行了分析，可以得到网络控制系统中的时间延迟具有存在 性、随机性和有界性。 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第3 章网络控制系统的建模及稳定性分析 网络控制系统的分析与建模是网络控制系统设计的基础。在网络控制系 统的研究中占有重要的地位。网络诱导时延、数据包丢失等不确定因素，对 网络控制系统模型有着很大的影响，进而影响着它的性能和控制方法。网络 控制系统是涉及控制与通信一体化的复杂系统，如何针对网络控制系统的各 种因素，建立合理、准确的数学模型，是进一步分析与控制的基础。 3 1 网络控制系统的建模 在网络控制系统中，f 。代表数据从传感器经网络传送到控制器端的时 延，f 。代表数据从控制器经网络传送到执行器的时延。时延是恒定、随机还 是有界的，取决于控制网络的媒体访问控制方式和采用的随机协议。如以太 网的时延是随机、无界的；c a n 网的时延是常值；令牌调度网络的时延是确 定、周期、有界的。传感器是具有模数( a d ) 转换功能的智能测量设备，具 有检测、数据封装和发送等功能；执行器是具有数模( d a ) 转换功能的智能测 量设备；控制器大多数采用具有大容量的高速计算机，其速度快，控制信号 的计算时间与r 。，和f ，。相比很小，可以忽略不计。传感器测量输出可以是被 控对象的状态信息，也可以是对象的输出信息。网络控制系统中的传感器一 般为时钟驱动，且采用系统时钟；控制器和执行器既可以采用时钟驱动，也 可以采用事件驱动。不同的驱动方式组合形成的网络控制系统分为四种类型， 如表3 1 所示。 表3 1 网络控制系统的节点驱动方式 方式传感器控制器执行器 1时钟驱动时钟驱动 时钟驱动 2 时钟驱动事件驱动时钟驱动 3 时钟驱动时钟驱动事件驱动 4 时钟驱动事件驱动事件驱动 在本文中，将采用传感器时钟驱动，控制器和执行器事件驱动的