（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的分析、建模与控制.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 网络控制系统的分析、建模与控制 摘要 网络控制系统( n c s ) 是复杂控制系统和远程控制系统的客观需求，与传统的点 对点式的控制系统相比，n c s 具有信息资源能够共享、连线少、易于系统扩展和维 护、可靠性和灵活性高等优点，但同时由于网络通信带宽的限制，数据传输不可避免 的存在延时、丢包、多包传输等问题，导致网络性能下降甚至不稳定。本文考虑了 n c s 中存在的多种问题，研究了基于网络的控制系统的建模和控制问题。 首先，对影响n c s 性能的一些因素进行了分析。分析了几种控制网络的性能，分 析了延时产生的原因及组成，并且分析了延时和数据包丢失对系统稳定性的影响。 其次，基于线性时不变工业对象模型，对包含网络的广义被控对象进行了分析与 建模。这一部分主要分成单包传输和多包传输两种情况分别进行了介绍，并且每种情 况都考虑了不同的网络特性。包含网络的控制系统是一种时变的控制系统，不同的网 络特性下有不同的模型。本文将不同网络特性下的模型统一成一种标准形式，有利于 控制器的分析和设计。 最后，在前面所建立的模型的基础上，利用极点配置方法设计了状态观测器及控 制规律。状态观测器的设计分为全维状态观测器和降维状态观测器，控制规律为时变 的线性状态反馈。证明了分离定理在这种设计法则下仍然成立，同时，分析了这种时 变模型的稳定性问题，仿真结果证明了控制方法的有效性。 关键词：网络控制系统；性能分析；建模；时延；单包传输；多包传输；分离定理 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i s ，m o d e l i n g ，a n dc o n t r o l o fn c s a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mc n c s ) i so b j e c t i v e l yn e e d e db yc o m p l i c a t e dc o n t r o ls y s t e m s a n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e m s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp o i n t t o p o i n tc o n t r o ls y s t e m s ， n c sh a se n o r n l o u sa d v a n t a g e ss u c ha st h es h a r e dr e s o u r c e so fi n f o r m a t i o n ，r e d u c e ds y s t e m w i r i n g ，e a s yo fs y s t e me x t e n d i n ga n dm a i n t e n a n c e ，h i g h e rr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y , a n ds oo n h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h ec o n s t r a i n t so ft h ec o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t h ，t h ep r o b l e m so f n e t w o r k - d e d u c e dd e l a y s ，p a c k e t sd r o p o u t ，a n dm u l t i r i l e - p a c k e tt r a n s m i s s i o na r et m a v o i d a b l e ， w h i c hd e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m sa n de v e nm a k et h e mu n s t a b l e c o n s i d e r i n g t h e s ep r o b l e m s t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h em o d e l i n ga n dc o n t r o lo f n c s f i r s t ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f n c sa r ep r e s e n t e d t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r s o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，t h er e a s o n sw h yd e l a y sh a p p e n ，t h ec o m p o s i t i o n so fd e l a y s ，a n d t h ei n f l u e n c e so ft h en e t w o r k - d e d u c e d d e l a y sa n dp a c k e t sl o s st os y s t e ms t a b i l i t ya r ea n a l y z e d n e x t ，t h ea u g m e n t e dc o n t r o l l e dp l a n t si n c l u d i n gn e t w o r k sa r ea n a l y z e da n dm o d e l e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h el i n e a rt i m e i n v a r i a n ti n d u s t r i a lc o n t r o l l e dp l a n t s t h et w o s i t u a t i o n so fs i n g l e - p a c k e tt r a n s m i s s i o na n dm u l t i p l e p a c k e tt r a n s m i s s i o na r ei n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y ，a n dd i f f e r e n tp r o p e r t i e so f n e t w o r k sa r ec o n s i d e r e di ne a c hs i t u a t i o n t h ec o n t r o l s y s t e m si n c l u d i n gn e t w o r k sa r et i m e - v a r y i n gs y s t e m s ，a n dt h e r ea r ed i f f e r e n tm o d e l sf o r d i f f e r e n tn e t w o r k e dp r o p e r t i e s au n i f o r m e dm o d e li sd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c h m a k e sf o rt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f t h ec o n t r o l l e r f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h eu n i f o r m e dm o d e l ，s t a t eo b s e r v e ra n dc o n t r o ll a wa r eb o t h d e s i g n e du s i n gp o l e p l a c e m e n t t h ef u l l d i m e n s i o ns t a t eo b s e r v e ra n dr e d u c e d d i m e n s i o n s t a t eo b s e r v e ra r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y t h ec o n t r o ll a wi s t i m e v a r y i n g l i n e a rs t a t e f e e d b a c k t h es e p a r a t i o np r i n c i p l ei sp r o v e do nt h eb a s i so ft h ec o n t r o ll a wp r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h es t a b i l i t ya n a l y s i so ft h et i m e v a r y i n gm o d e li sp r e s e n t e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e di se f f e c t i v e k e y w o r d s ：n c s ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；m o d e l i n g ；d e l a y s ；s i n g l e p a c k e tt r a n s m i s s i o n ； m u l t i p l e p a c k e tt r a n s m i s s i o n ；s e p a r a t i o np r i n c i p l e i i i 独创声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括 本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 列、绣 签字日期： 洲6 、2 、巧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期签字月期 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络控制系统的产生背景 最初的计算机控制系统是直接数字控制系统( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) ，于2 0 世纪七八十年代占主导地位。d d c 强调计算机直接参与到对象进程的控制中，传感器 的模拟量输出和执行器的模拟量输入都和数字计算机点对点的连接。d d c 是完全集中 的体系结构，全部的控制策略是在一台计算机中完成。由于所有的功能集中在一台计 算机中，即使是计算机的一个单一的故障也会使整个系统及其所有的回路失效。 随着控制系统规模的r 益扩大及计算机技术的进一步发展，产生了集散控制系统 ( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。d c s 比d d c 在控制方面有了很大的进步，因为 它将控制分散在几个小型的控制器中，而每个控制器处理部分控制回路，这样一个故 障只会影响工厂的一部分。d c s 于2 0 世纪八九十年代占主导地位，在我国工业控制系 统中得到了广泛的应用。d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，控制器是数字 的，因而它是一种模拟数字混合系统。传统的d c s 通常有4 层结构：第1 层是设备 层：第2 层是i o 层；第3 层是控制层；第4 层是企业信息层。除了第3 层、第4 层之 间采用以太网外，其他都是专用的网络，控制设备及软件也是专用的，开放程度不 够，给系统维护及升级带来不便，难以实现各个部件阃的互换与互操作，组成更大范 围信息共享的网络系统存在很多困难【l j 。 d d c 和d c s 都属于点对点的连线结构。随着科学技术的发展，被控对象和控制系 统日益复杂化，控制系统各部件问需要的信息越来越度多，这种点对点结构的控制系 统逐渐显示出一定的局限性，主要表现在连线繁杂，维护、升级、扩展困难等。此外 这种控制系统结构也不适合如模块化、分散化、综合诊断、维护快速简易和低成本等 一些新的控制要求。因此，这种点对点连接的控制网络越来越不能满足当今信息化的 要求，这就为网络控制系统的产生提供了迫切的需求。另外，随着软硬件产品价格的 不断下降，传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智能化为通讯网络在控制系统 更深层次的应用提供了必要的物质基础。 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是8 0 年代兴起的一种先进的工 业控制技术，它是网络控制系统的初级阶段。现场总线出现以后，网络化、集成化、 智能化便成为控制系统发展的一种必然趋势。现场总线把通讯网络一直延伸到生产设 备现场，信号传输的全数字化提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信弓传输 1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 过程中存在的信号衰减、精度下降、干扰信号的引入等长期难以解决的问题。同时， 在f c s 中具有微处理器的智能i o 与设备构成独立的控制单元，控制功能直接下放到 现场，达到了完全的分散控制v , 3 j 。 f c s 技术经过2 0 多年的发展，虽然取得了很高的成就，在很多领域都得到了广泛 的应用，但也存在许多问题制约其应用范围的进一步扩展。首先是现场总线的选择。 虽然目前的i e c 组织已经达成了国际总线标准，但总线种类仍然有1 0 余种，并且各厂 家自成体系，不能达到完全开放，难以实现互换与互操作。其次，现场总线仍是一种 分层的专用网络，管理和控制分离，难以实现整个工厂的综合自动化及远程控制。 现场设备控制需要进一步趋向于分布化、扁平化和智能化【4 1 。控制技术和控制系统 应该与企业的商业战略相联系，不仅需要将控制系统的各部分集成到一起，而且需要 将控制系统( 硬件和软件) 集成到整个企业系统之中。企业的这种组织管理模式客观 上便要求信息网络与控制网络的一体化，二者的分离必将会阻碍信息的上行下达，降 低企业的生产管理效率。将控制网络融入企业信息网络，可以实现集中管理、高层监 控和企业的综合自动化，为进一步连入更大的网络系统，如i n t r a n e l 、w a n 、i n t e r n e t 等打下基础，从而实现远程监控、远程诊断和远程维护。 1 2 网络控制系统概述 1 2 1 网络控制系统的系统结构 图1 1 网络控制系统的典型结构 f i g 1 1t y p i c a ls t r u c t u r eo f n c s 网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 是指传感器、控制器和执行器机 构通过串行通讯网络形成闭环的控制系统【5 ，6 】。也就是说，在n c s 中控制部件间通过共 享通讯网络进行信息( 对象输出、参考输入和控制器输出等) 交换。图1 1 是网络控制 系统的典型结构图f ”。网络控制系统是一种完全扁平化的控制系统，相对于传统的点对 一2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 点互连的控制系统，网络控制系统布线简单，成本低，安装维护简便，系统可靠性、 灵活性高，便于进行故障诊断和远程控制，有良好的互换及互操作性，易于实现整个 企业的管理和控制的一体化。 1 2 2 网络控制系统的基本问题7 ，8 】 网络控制系统给控制领域带来极大利益的同时，也存在很多难以解决的问题。由 于控制系统通过网络形成闭环控制，网络中存在的不确定因素必然给控制系统的分析 和设计带来很多困难。 1 2 _ 2 1 共享资源的优化调度 当多个控制回路连接到同一控制网络时，网络带宽的优化调度问题就变得格外重 要。这时控制性能的好坏不仅依赖于控制算法的设计，还要依靠共享网络资源的调 度。在计算机科学研究领域，单c p u 或多c p u 系统的实时调度算法已经得到充分的研 究。但对网络化控制系统来说，调度算法不仅要满足可调度性，还要满足控制系统的 稳定性。 1 _ 2 2 2 网络诱导时延 多用户共享通讯网络且流量变化不规则，导致网络诱导时延，降低系统的性能甚 至引起系统不稳定。在n c s 中可能存在多种不同性质的时延( 常数、有界、随机时变 等) ，属于哪一种主要由网络的协议、负荷、带宽等来决定。网络诱导时延的存在使 得系统的分析变得非常复杂，虽然时延系统的分析和建模近年来取得很大进展，但由 于网络控制系统中时延的不确定性，使得现有的方法一般不能直接应用。 1 2 2 3 单包传输和多包传输 单包传输是指n c s 中的传感器、控制器的一个待发送数据被捆在一个数据包中一 起发送。而多包传输是指n c s 中的传感器、控制器的一个待发送的数据被分成多个数 据包进行传输。在n c s 中，当需要一次性传输的数据量过大，又受到单包字节大小的 限制时，就必须将这些数据分成多个数据包进行传输。另外，由于n c s 的传感器和执 行器常常是分散分布的，要将这些数据放在一个数据包中往往是不可能的。 1 2 2 4 数据包的时序错乱 在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备往往路径不唯一，这必 然会导致数据包的时序错乱。时序错乱使得原来有一定先后次序的数据包，在从源节 点发到目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。时序错乱必然导致该到达的数 据包不能按时到达，使得控制系统不能及时的利用信息，难以实现实时性。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 5 数据包丢失 在n c s 中，由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这又必然会导致数据包的 丢失。虽然大多数网络都具有重传机制，但它们也只能在一个有限的时间内传输，当 超出这个时间后，数据就会丢失。传统的点对点结构的控制系统基本上都是同步和定 时的系统，它可以对系统中参数或者未建模动态具有较强的鲁棒性，但可能完全不能 容忍数据网络的结构和参数的改变( 网络中的数据包丢失可以看成网络结构和参数的 改变) 。因此在n c s 的设计中，对数据包的丢失问题必须寻找相应的解决方法。 1 _ 2 2 6 节点的驱动方式 n c s 的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。时钟驱动是指网络节点在 一个确定的时间到达时开始动作，事件驱动是指网络节点在一个特殊事件发生时开始 动作。n c s 的传感器一般采用时钟驱动，而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可 以是事件驱动。一般情况下，控制器和执行器采用事件驱动优于时闻驱动，因为能够 及时的利用信息，减少了时延。但是当进行多包传输或产生时序错乱时，事件驱动机 制将变得复杂，设计上存在很大困难。 1 3 网络控制系统的研究现状 n c s 的研究涉及通信网络和控制两个方面，对同一个问题既可以从信息调度的角 度来研究，也可以从控制的角度来研究，或者将这两个方面综合起来进行研究。从通 讯网络的角度，要确保网络的服务质量( q o s ) ，也就是设计一种调度协议降低网络延 时、丢包等问题发生的可能性，从而在控制器设计时可以不考虑这些问题。从控制的 角度，要确保控制性能质量( q o p ) ，也就是把一定的网络通讯机制及存在的问题看成 给定的条件来设计控制策略以达到良好的控制性能。 1 3 1 信息调度方面 从信息调度考虑，b r o c k e t t 提出了通信序列的概念【9 ，所谓通信序列是指网络上各 个子系统访问网络的次序。通过重复执行该序列来实现网络资源调度，各个子系统在 序列中出现的位置和次数不同，整个系统的状态模型也随之变化，每个通信序列对应 着一个仿射子空间。h r i s t u 沿着这一思路作了进一步的研究，具体给出了从一通信序列 推导对应的仿射子空间的过程，然后通过搜索仿射子空问中谱半径最小的元素来优化 系统性能，搜索过程采用模拟退火算法1 0 1 。r e h b i n d e r 和s a n f r i d s o n 则把寻找最优通信 序列问题转化为组合优化问题，并采用穷举法进行求解f 】j 。l i n c o l n 和b e m h a r d s s o n 提 一4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 出了一种更有效的搜索最优通信序列的算法，这种算法使用动态规划方法高效地剪除 搜索树，避免了组合爆炸问题【1 2 】。 前面给出的调度方法均为离线静态调度，因其优化算法较为复杂，难以在在线调 度中使用。当简化到网络上只有一个控制回路的情况时，则可以考虑实现在线的动态 调度。l i u 和l a y l a n d h 1 以及a u d s l e y ”提出了实时计算机系统c p u 动态调度算法，但 这些算法不能直接应用于网络化控制系统的调度。w a l s h 等提出了一种t o d 动态调度 方法【l ”。在t o d 调度算法中，每个节点计算自己的误差e ( 0 ，并根据误差大小修改发 送报文的优先级，误差越大，优先级越高。当两个传感器节点同时发送报文时，优先 级高的节点获得网络访问权，而竞争失败的节点则不再重传这一报文，下次传输时采 用更新的传感数据。 1 3 2 控制方面 网络的传输延时可以是定常的、随机的或者服从某一分布；节点的作动机制可以 是基于时间驱动的或基于事件驱动的；数据包的传输可以是单包传输或多包传输。网 络控制系统中存在多种可能情况，在不同的情况下控制方法都有所不同。 l u c k 和r a y 通过在控制器和执行器的节点增加数据缓冲区，使时变延时转化成为 定常延日寸【1 6 】。所有节点工作在同步方式下，通过使缓冲区长度大于最坏状况下的网络 延迟，使系统变为时不变系统。但这种方法的缺点是增大了系统的控制延迟，降低了 系统的性能。 l i o u 和r a y 提出了一种传感器和控制器采用时间驱动采样，执行器采用事件驱动 的机制”】。把延迟信号作为被控对象的离散扩展模型的状态，并设计了随机l 0 最优 控制器，同时还指出了时间戳对于状态估计的重要性。r a y 又在l q 控制器中加入了一 个随机状态估计器来最小化状态估计误差的变化1 8 。b e l d i m a n 等也给出了一种n c s 状 态估计器，可以估计在两次采样间隔间的被控对象的状态，以改进网络化控制系统的 性能i 。 f e n g l il i a n 也采用传感器和控制器为时间驱动，执行器为事件驱动的工作方式， 建立了具有多延时的异步传输的多包传输模型2 0 1 ，并在此模型基础上设计了标准的 l q r 控制器f 2 l 】。 n i l s s o n 则提出一种传感器采用时间驱动采样、控制器和执行器采用事件驱动采样 的机制。用随机方法研究了当网络延迟为独立随机分布和服从m a r k o v 链时的控制系统 分析与设计 2 2 , 2 3 。 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 朱其新也采用n i t s s o n 的假设，也就是传感器为时问驱动、控制器和执行器为事件 驱动的机制。基于线性时不变对象和确定性控制器，建立了网络控制系统的闭环模型 】。并且建立了一定条件下的长延时网络控制系统的模型，在此模型基础上设计了最 优控制规律【2 ”。 于之训将h 。和且综合方法引入控制器的设计，使得设计出的控制器对一定范围内 的延迟都能保持稳定1 2 。利用m a r k o v 链理论，建立了基于m a r k o v 延时特性的闭环模 型，得到了满足给定性能指标的随机最优控制律27 1 。 网络控制系统正得到越来越多学者的关注，已经成为当前控制领域研究的热点。 近几年，一些更新的方法也应用到了网络控制系统当中，例如：对延时的补偿控制【2 斗 3 0 】，鲁棒控制3 1 - 3 5 ，模糊控制3 6 1 ，预测控制3 7 - 3 9 1 等等。尤其在稳定性方面，相关的研 究更多 4 0 4 ”。虽然在网络控制系统上的研究已经有了很多成果，但是无论是在调度方 面，还是在控制器设计上都还没有成型的理论，仍需要进一步的研究。 1 4 论文主要工作及内容安排 在网络控制系统中，对于基于模型的控制器设计，依赖于被控对象精确的数学模 型，因此要进行这类控制器设计就必须先建立被控对象的数学模型。由于不同网络的 特性各不相同，所以要建立的模型各有特色。目前，还没有学者对这种包含网络的被 控对象进行较全面的分析和建模。 本文基于线性时不变工业对象模型的基础上，针对不同的网络特性，如单包传 输、多包传输、数据包丢失，随机延时等情况，分别建立了相应的广义对象模型，并 且用一种统一的标准形式表示出来。将模型统一化，有利于网络控制系统控制器的分 析和设计。并且，在这种模型基础上，利用极点配置这种成熟的控制理论，设计了状 态观测器和控制规律，并作了仿真研究。 本文内容安排如下： 第一章绪论，简要介绍了控制系统的发展历程和网络控制系统产生的背景；介绍 了网络控制系统的概念、系统结构和基本问题；介绍了网络控制系统的研究现状；介 绍了本文的工作及内容安排。 第二章对影响网络控制系统性能的一些因素进行了分析。分析了几种典型控制网 络的性能和特点；分析了延时产生的原因及组成；分析了延时和数据包丢失对系统稳 定性的影响。 第三章对单包传输情况下的网络控制系统的被控对象进行了建模。包含延时小于 6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 采样周期情况下的模型和延时大于采样周期但有界情况下的模型。其中延时小于采样 周期分为无数据包丢失和有数据包丢失两种情况。延时大于采样周期又分为三种情 况，分别为：延时固定在两个采样周期之间；延时随机但有序；延时随机且存在时序 错乱。 第四章对多包传输情况下的网络控制系统的被控对象进行了建模。分析了多包传 输的复杂性，在一定的假设条件下，建立了控制器为事件驱动和时间驱动两种方式下 的模型。其中，当控制器为事件驱动方式时分不丢包和丢包两种情况；当控制器为时 间驱动方式时，分节点时钟同步和异步两种情况。 第五章在前面模型基础上利用极点配置方法设计了状态观测器和控制规律。其中 状态观测器的设计分为全维状态观测器和降维状态观测器。控制规律为时变的线性状 态反馈。并证明了分离定理在这种设计法则下仍然成立。 第六章为本文的结论和展望。总结了本文的主要研究内容，分析了本文的局限性 及今后的研究方向。 一7 东北大学硕士学位论文 第二章网络控制系统性能分析 第二章网络控制系统性能分析 在网络控制系统中，影响控制系统性能的不仅是控制系统的控制性能质量 ( q o p ) 还有网络的服务质量( q o s ) 。采用什么类型的网络，应用什么样的数据传输 协议和调度方法，网络诱导延时的产生及数据包丢失等问题都是影响整个控制系统性 能的重要因素。 2 1 控制网络性能分析 计算机通讯网络通常被划分为数据网络和控制网络。数据网和控制网都应用于信 息交换，但数据网的特征是大的数据包，一般没有严格的实时限制，控制网则具有频 繁传输小数据包的特征，具有实时要求和临界时间的限制。把数据网络和控制网络区 分开的关键因素就在于支持实时应用的能力。显然控制网络的实时性要求要比数据网 络高得多，当然这样一个关键因素也只是一个模糊的区分，我们并不很严格地认为哪 种网络是控制网络，哪种网络是数据网络。在控制系统中已经采用了许多不同类型的 网络系统，本节将比较3 种类型的网络系统性能。 2 1 1 控制网络协议 根据时间延时特征，工业自动化系统中采用的控制网络基本上分为以下三类：随 机网络，有界网络和常值网络 46 1 。顾名思义，在随机网络上传输的信息延迟时间是随 机的，有界网络中的延迟时间有确定的上界，而常值网络上的时间延迟保持一定。这 三种控制网络主要的区别在于m a c 层协议的不同，如果不考虑应用层的调度策略，那 么m a c 层协议基本上决定了网络的延时特征。在工业实现上常用的m a c 层协议有 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测，i e e e 8 0 2 3 ) 、令牌网( i e e e 8 0 2 4 和 i e e e 8 0 2 5 ) 和基于c a n 的协议。 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 是目前占据市场份额最大的局域网技 术。c s m a c d 是一种总线结构的网络，采用分布式控制方法，附接总线的各个节点通 过竞争的方式获得总线的使用权，只有获得使用权的节点才可以向总线发送信息帧。 网络上每一个节点在发送信息之前监测网络，如果有冲突，冲突的节点停止传输，采 用一定的退避算法随机等待一段时间后再重新发送。例如采用二进制退避算法 ( b e b ) 进行等待。因此，采用c s m a c d 协议的网络是随机网络，数据的传输延迟 一8 一 东北大学硕士学位论文 第二章网络控制系统性能分析 是不确定的。工业应用上采用c s m a c d 协议的典型控制网络为e t h e m e t 。 令牌网的数据传输延迟有确定的上界，属于有界网络。在令牌网中有一个令牌在 网络中传输，只有得到令牌的设备才能传输信息。这样除了传递令牌，整个传输的带 宽由所有设备瓜分。只要网络没有饱和，信息传输的时间延迟就有上界，延迟的幅度 取决于传输数据率、网络上的节点数、数据包的大小和最大令牌传输时间。典型的令 牌控制网络有c o n t r o l n e t ，m a p 和p r o f i b u s 基于c a n 的网络协议对传输短的信息数据做了优化，使用c s m a a m p 介质访问 方法。该协议是面向信息的，每个信息都被指定了一个优先级，用于在出现同时传输 时决定哪个节点获得网络的访问权。传输信息的位流使用开始位来同步，优先级跟在 开始位后且逻辑0 优先于逻辑“1 ”。因此，如果两个设备同时发送信息，它们都 先连续的发送消息帧，接着监听网络。如果收到与自己发出的不同的位，它就失去了 继续发送消息的权利，那么另外一个就赢得优先权。通过这样的方法使得正在进行的 传输不会发生中断。基于c a n 的网络保证了具有较高优先级的数据的实时性，而具有 较低优先级的数据则不能保证实时性，甚至延时可能无限长。因此，基于c a n 的9 回络 同时具有有界网络和随机网络的特征。 只依赖m a c 层协议而使信息的传输延时为常值，目前还没有确定的标准。但是可 以结合m a c 层协议和应用层的调度算法，使得延时为常值。例如文献 1 6 介绍了一种 在信息的接收端设置缓冲区的办法让随机时变的延时成为常值。 2 1 2 典型控制网络的比较 n c s 的实现可选择不同类型的网络，基于c s m a c d 、令牌和c a n 三种协议的代 表网络有e t h e m e t 、c o n t o l n e t 和d e v i c e n e t 它们有各自的协议和应用范围，存在不同 的优点和问题。 e t h e r n e t 使用c s m a c d 协议( c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n ) 。在这 种网络中，每个节点平等争用网络资源，无优先级之分。待发送数据的节点首先要监 听网络是否空闲，如果空闲则立即发送，否则等待直到网络空闲。如果节点产生冲 突，则采取一定的退避机制避免冲突。e t h e m e t 具有很高的数据传输速率，在低负荷情 况下基本没有延时。但是e t h e m e t 在高负荷下会频繁产生冲突，延时有可能无界，难 以保证控制系统的实时性和可靠性，甚至使网络陷入瘫痪。因此，一直以来e t h e m e t 只作为控制系统上层问的通讯。 c o n t r o l n e t 主要用于p l c 与计算机之间的通讯网络，也可在逻辑控制或过程控制 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章网络控制系统性能分析 系统中用于连接串行、并行的i o 设备、人机界面等。c o n t r o l n e t 数据传输速率为 5 m b p s ，采用令牌总线( t o k e n p a s s i n gb u s ) 协议。令牌总线网络中的节点在逻辑上连 成一个环，每个节点都知道它前在节点和后续节点的地址，令牌按一定顺序传递。在 数据传输时，每个拥有令牌的节点才可发送数据帧，其余节点等待令牌。这种类型的 网络由于每次只有一个节点在工作，所以不会笈生冲突，保证了数据在高负载时的传 输效率。但在低负载多节点的网络中，大量的时间消耗在令牌的分发上，使得网络的 传输效率很低。 d e v i c e n e t 是一种基于c a n 技术的开放型通讯网络，主要用于构建底层控制网 络。c a n 使用c s m a a m p ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t ha r b i t r a t i o no nm e s s a g e p r i o r i t y ) 介质访问方式，每个消息都有自己的优先级，网络根据每个消息的优先级仲 裁发送权。这种类型的网络能够保证高优先级类型数据的实时性。但是，c a n 总线为 短消息数据帧结构，一次最多只能传输8 个字节的数据，而且数据传输速率很低。 表2 1 二种网络的系统参数 ! ! 坐! ：! ! 理! ! 坐p ! 型堡! 里! o f 塑! 丝! ! ! ! ! n v o r k s e t h e m e tc o n t r o l n e td e v i c e n e t 表2 1 是三种类型网络的比较。现在工业控制应用最广的实际上是这三种网络的结 合，即e t h e m e t c o n t r o l n e t d e v i c e n e t ，属于一种f c s 结构。这种结构不能满足控制信 息化的高要求，只有用从管理到控制一网到底的结构，才能满足今后发展的需求。以 太网技术经过多年发展，特别是它在i n t e m e t 中的广泛应用，使得它的技术更为成熟， 并得到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技术上还是产品价格上，以太网较其 它类型的网络技术都具有明显的优势。另外，随着技术的发展，工业控制网络与普通 计算机网络、i n t e m e t 的联系更为密切。工业控制网络技术需要考虑与计算机网络连接 的一致性，需要提高对现场设备通讯性能的要求，这些都是工业控制网络设备的开发 者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章网络控制系统性能分析 2 _ 2 延时对系统性能的影响 2 _ 2 1 时延的产生原因及组成 在传统的点对点连接的控制系统中，延时只是由设备的处理能力决定。但是，在 网络控制系统中，这些延时还取决于网络协议的传输机制。在n c s 中，两个节点间的 信息传输延时可以分解成三部分，分别为：在源节点产生的延时、在网络传输渠道上 产生的延时和在目标节点上产生的延时，如图2 1 所示。 k ，s tt 图2 1 消息从源节点到目标节点的时间划分 f i g 2 1t i m i n gd i a g r a mo f s e n d m gam e s s a g ef r o mas o u r c en o d et oad e s t i n a t i o n n o d e 2 2 1 1 源节点和目标节点的延迟时间 在源节点和在目标节点上产生的延时称为设备延时，每个设备都需要网络通讯和 数据获取的处理时间。在源节点上产生的延时包含预处理时间l 。和等待时间7 0 。源 节点的预处理时间。是计算时间z 。和编码时间瓦。的和a 源节点的等待时间气。是 排队时间。和阻塞时间瓦。的和。 预处理时间。是指从外部环境获取数据并且将其编码成合适的网络数据传输格式 所需要的时间，这个时问取决于设备的软硬件特征。很多情况下，处理时间可以假定 为常值，或者可以忽略不计。 等待时间指消息在传送队列中的等待时间与被网络中其它的消息传输所阻塞 的时间之和。乙。取决于网络负荷及源节点传输的数据量。影响等待时间的主要因素 是网络协议、信息连接方式和网络流量。例如图2 2 所示，使用基于c a n 的短消息连 接方式的网络，从机1 到9 的优先级由高到低。如果从机l 发送一个消息，那么其它 的8 个从机必需等待直到网络空闲。显然从机9 因为拥有最低的优先级将会有最长的 等待时间。 一1 1 东北大学硕士学位论文第二章网络控制系统性能分折 在传送队列中的等待时间乙是指一个消息在源节点的传送队列中等待直到其前 面的消息传送完毕的时间。它取决于队列中前面消息的阻塞时间、消息的传输周期和 处理负荷。在实际中，乃是很难确定的。在一些控制应用当中，为了实时性的考虑 会丢弃旧的数据而传输新的数据( 如一次性试探协议t o d ) 【5 ，这样就可以令z 为 0 ，但是这种方案不符合标准的网络协议。 阻塞时间是指节点准备好发送数据后还必需等待的时间。它是决定控制网络性能 的主要因素，取决于网络协议。它包括其它节点传送消息时的等待和当发生冲突时的 重传时间。 在目标节点上产生的延迟时间是指接收处理时间，由解码时问。和计算时 间瓦。组成。解码时间。是将网络的传输数据格式解码成物理数据格式所需的时 闯。 j tl ? 。 图2 2 等待时间图表 f i g 2 2w a i t i n gt i m ed i a g r a m 2 _ 2 1 2 网络渠道上的延迟时间 在网络渠道上产生的延时瓦包含网络的传输时间乙。和发出整个消息的帧时间 。，。，其大小取决于消息的大小、数据率及网线的长度。 帧时间7 k 。由数据的大小、额外开销、填充符和位时间决定。令赢为数据的长 度( 单位为字节) ，n o 。为开销的字节数，。为填充帧的剩余部分以满足最小帧长 要求所用的字节数( 在某些防议中) ，在某些具有填塞机制的网络中m 。为填赛的字 节数，帧时间就可以表示为： 钿。= ( 二m + 圯讪d + p 耐+ 巩m 矿) 8 x 瓦n ( 2 1 ) 其中，为位间隔时间，m ，虬“d ，州和m 研的值在e t h e m e t ，c o n t r