（控制理论与控制工程专业论文）网络化控制系统通用仿真平台研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 网络化控制系统是一个新兴的交叉学科，是控制、计算机与网络通讯技术的集 成。本文所研究的网络化控制系统不同于传统的集散控制系统( d c s ) 和现场总线控 制系统( f c s ) ，它采用的网络是公用数据网，而不是专用控制网。这种不同对网络 化控制系统来说既是个机遇又是个挑战。一方面，体系开放、遍布全球的公用数 据网给网络化控制系统带来了开放性、数字互连的特点，同时增强了系统的可靠 性和容错能力；另一方面，也带了我们所不希望的网络时延等。为了探讨网络特 性对整个控制系统性能的影响，本文主要工作是开发一个通用的网络化控制系统 仿真平台。利用这个仿真平台，一方面可以做各种仿真试验，另一方面也可以验 证关于网络化控制系统的各种假设和结论。 网络化控制系统的网络服务质量会影响控制系统的控制品质甚至使系统不稳 定，本文首先介绍了网络化控制系统的研究现状、建模和模型、两个稳定性判定 定理和定量评估控制品质的方法。 本文的主体工作是设计仿真平台的总体构架和各模块。作为一个通用的仿真平 台，需要具备开放性、可扩展性，以及仿真结果的真实可靠性。在这样的指导思 想下本文完成了仿真平台的总体设计工作和部分模块实现。网络模块作为通讯中 心不仅具备数据发送、接受等基本功能，而且还有网络时延计算和流量统计较为 复杂的功能。本仿真平台的最大特点在于网络的仿真功能，作者将j a v a 引入 m a t l a b ，既发挥了j a v a 的网络优势又利用了m a t l a b 强大的仿真功能。 网络仿真是本课题的重点也是难点，在网络模块部分先后介绍了网络编程模 型、网络通讯协议以及测量网络时延和流量的常用方法和软件，并用三种方式对 网络环境进行了仿真。最后在仿真平台上，进行了不同模型、不同时延的控制品 质的仿真试验，并分析了时延对控制品质的影响，针对减小这种影响提出了几点建 议。 关键词：网络化控制系统仿真平台网络时延控制品质 l 华中科技大学硕士学位论文 n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) i sak i n do f n e wd e v e l o p i n gc r o s s i n gd i s c i p l i n e ，w h i c h i n t e g r a t e sc o n t r 0 1 c o m p u t e rs c i e n c ea n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o mn c sw h i c hi sr e s e m c h c d h e r ed i 疏r sf r o mt h et r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m c s ) a n df i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m 伍c s ) i n t h a tt h en e t w o r kw h i c hi ta d o p t si st h ep u b l i cd a t an e t w o r ki n s t e a do ft h e s p e c i a l - p u r p o s ec o n t r o ln e t w o r k t h i sb r i n g sb o t ho p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e st on c s b e i n gi n c o r p o r a t e dw i t h t h ep u b l i cd a t an e t w o r k , n c sb e c o m e sa no p e n , d i g i t a l - c o n n e c t e d s y s t e m i ta l s oi m p r o v e si t sr e f i a b i l i t ya n d f a u l t - t o l e r a n ta b i l i t y o nt h ec o l l h a r y , t h ep u b l i c d a t an e t w o r ka l s ob r i n g st h en e t w o r k - i n d u c e dt i m ed e l a yw h i c hw ed o n td e s i r e i no r d e rt o s t u d yt h ei n f l u e n c e sw h i c ht h ef e a t u r e so f t h en e t w o r ki m p o s eu p o nt h en c s ，o t l r ；o bi 3t o e s t a b l i s ha n dd e v e l o pam u l t i - p u r p o s es i m u l a t i o np l a f f o r m u p o nt h i sn e t w o r k , w ec a nd o m a n y s i m u l a t i o n st ov e r i f yo u r a s s u m p t i o n sa n d c o n c l u s i o n sa b o u t n c s q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g r e a t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fn c s a f t e r i n t r o d u c i n gt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fn c s t w os t a b i l i t yt h e o r e m sa r c i n t r o d u c c da n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do fc o n 血 o lp e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e di nt h ef i r s tt w o c h a p t e r s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eg e n e r a ld e s i g no ft h es i m u l a t i o np l a t f o r mh i e r a r c h ya n de a c h m o d u l e a sa m u l t i - p u r p o s es i m u l a t i o np l a t f o r m i ts h o u l dc m b o d y t h ef e a t u r e ss u c h 髓o p e n , s c a l a b l ea n dt r u et or e a l i t y w i t ht h i si nm i n d , t h i sp a p e rc o m p l e t e st h eg e n e r a ld e s i g na n d p a r d a li m p l e m e n t a t i o no ft h es i m u l a t i o np l a t f o r m a st h ec e n t r a lm o d u l e ，t h en e t w o r k m o d u l ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l e ns h o u l ds t o r ea n df o r w a r dt h ep a c k e t s b u ta l s oh a v et o c a l c u l a t et h et i m ed e l a ya n dm c a s u l 他t h en e t w o r kf l u x n l cm o s ti m p o r t a n tf e a t u r ei st h e c o m b i n a t i o no fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n ds i m u l a t i o nf u n c t i o n s m a n yi n v e s t i g a t i o n s a b o u tt h ep r o g r a m m i n gt o o l sw e r em a d ea n df i n a l l yj a v aa n dm a na bw e r ec h o s e n 船t h e t o o l s j a v ai sp o w e r f u li nn e t w o r ka n dm 棚a bi st h eb e s tt o o li ns i m u l a t i o mt h i sm e t h o d c o m b i n e st h e s et w o a d v a n t a g e st o g e t h e r n c t w o r km o d u l ei st h em o s ti m p o r t a n ta n dd i 伍c u l tp a r tt h i s p a r ti n t r o d u c e st h e c o m m u n i c a t i o nm o d e l , n e t w o r k p r o t o c o l sa n d t h el e a u e n lm e t h o d st om e a s i r et h en e t w o r k t h r e em e t h o d sa 托u s e dt os i m u l a t et h er e a ln c t w o r ke n v i r o n m e n t a t l a s t , o nt h es i m u l a t i o n p l a t f o r m , m a n ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dt oi d e n t i f yt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e a f t e rt h ei n f l u e n c e si m p o s e d b y t h et i m ed e l a ya r ea n a l y z e d , af e w s u g g e s t i o n sa r eg i v e n 0 u h o wt or e d u c et h ei n f l u e n c e k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n p l a t f o r m n e t w o r k - i n d u c e d d e l a yq u a l i t yo f p e r f o r m a n c e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 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。 学位论文作者签名：刊；炙佑 日期：弘叼忙午月7 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密田。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：玉l 强他 日期：加年年牛月 口日 指导教师签名：孑圹够 目期：口一乒年彳月，口日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章回顾了网络化控制系统这一新兴学科近几年来短暂而迅速的发展历程，综合 分析了网络化控制系统的国内外研究现状和研究方法。最后介绍了本仿真平台的研究 意义。 1 1 问题的提出 在信息时代的今天，网络技术不仅仅改变了人们的通讯方式，而且也正在改变着 传统的制造、生产方式。网络技术开始渗透到传统的工厂自动化、汽车行业、飞机制 造和军事等领域，用以降低成本、提高效率。七、八十年代兴起的分布式控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y g e m ) 和后来的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是网 络技术和控制技术结合的最初形态，实现了网络技术与控制技术的第一次融合，它们 将控制功能下放到现场各节点。不再需要一个中央控制单元来集中控制和操作，相对于 传统的集中式控制系统是一个突破。但是f c s 和d c s 都是基于封闭的专用网，这一缺 点影响了其发展。企业内部底层的集成制造系统和上层的管理信息系统的集成、远程 控制、嵌入式网络设备的兴起等新技术不断发展，逐渐出现了更高级结合形态的网络 化控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 。网络化控制系统是计算机技术、网络通讯技 术和控制技术共同发展的产物，也就是人们通常所说的3 c ( c o m p u f i n g ，c o m m u n i c a t i o n a n d c o n t r 0 1 ) 。多学科交叉决定了这种技术应用的覆盖面之广，同时对研究者的素质也 提出了更高的要求。它的出现标志着控制系统正向着网络化、集成化、分布化和节点 智能化的方向发展。传感器、控制器、执行器分布在不同空间的现代智能工厂是网络 环境下典型的控制系统“1 其问的通信通过公用数据网0 n t c r n e t ) 来实现。 对于网络化控制系统的定义。不同的学者从不同的角度给出了不同的定义。清华 大学顾洪军对网络化控制系统给出了如下定义：指在某个区域内一些现场检测、控制 及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点 的设备和用户实现资源共享和协调操作“。美国马里兰大学( u n i v e r s i t yo fm a r y l a n d ) 的 g e o r g ec w a l s h 教授则认为“通过公用数据网形成闭环的反馈控制系统”称为网络控 制系统。有些学者则用另一个名词集成通信与控制系统i c c s ( i n t c g r a t e d c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ) ， 在控制系统的闭环中利用网络传输各种数据，可以实现资源共享、降低布线成本、 系统维护更加简单、较高的诊断能力、较好的可靠性和容错能力，同时可以满足空间 华中科技大学硕士学位论文 跨度较大的大型控制系统的要求，其优点是显而易见的。但是由于网络时延的存在也 会使系统实时性降低，控制性能恶化，严重情况下甚至会导致系统不稳定。为了弄清 楚网络时延会给控制系统性能带来什么样的影响，以及如何减小这种影响，本文的核 心研究任务是完成网络化控制系统通用仿真平台的设计和实现。 本课题得到了下列基金的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金( 编号：6 0 2 7 4 0 1 4 ) ：网络化控制系统的故障诊断和容错控制： ( 2 ) 高等学校博士学科点专项科研基金( 编号：2 0 0 2 0 4 8 7 0 0 6 ) ：网络化控制系统的故 障诊断和容错控制。 1 2 网络化控制系统综述 网络化控制系统是个新名词，但是我们对于网络与控制相结合的方式并不陌生， 集散式控制系统、现场总线控制系统就是网络化控制系统的雏形。自1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司推出第一套d c s 以来，它已经广泛地应用于各种工业控制领域并趋向成熟，成为 工业控制系统的主流。 d c s 曾经在网络控制系统中占主导地位，它的核心思想是分散控制、集中操作、 分级管理、灵活配置、组态方便。虽然它在一定程度上克服了集中式数字控制系统对 控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，但是与工业控制打交道的过程测控站仍然还 是集中的，现场信号的检测传输和控制仍采用4 2 0 m a 的模拟信号，其一对一的结构 导致布线量大、工程周期长、安装费用高和维护困难等问题。此外，由于采用单向模 拟信号传输，因此可靠性和互操作性差。f c s 在比较复杂的控制系统中应用还是比较 少，因为其功能模块与d c s 的众多功能模块相比还是要略逊一筹。近来，有些公司推 出了e t h e m e t 智能i o 模块，利用e t h e s m t 智能板，配以各种i o 模块，对外提供以太网通 讯接口，可以直接挂在h 响n e t 或i n t e m e l l ，直接将现场的数据提交到企业内部网上， 使控制网络和管理信息网络很好的集成”。开放、统一的网络化控制系统的出现成为 了一种必然。 网络化控制系统具有如下的特点：a ) 数字化互连( i n t 鲰埘i n e 曲e d ) ，即数字信号取 代模拟信号在数字网络上进行传输；b ) 可j z 操作性( i n t e r o p e r a t e d ) ，即不同厂商的产品 在同一网络中可以相互兼容，相互通讯；c ) 开放性( o p e n ) ，即扩展比较容易，增加或 减少节点比较简单，维护性增强；d ) 高性能的网络通讯( 瑚g hp e f f o r m a n c e c o m m u n i c a t i o n ) e ) 节点智能化( i n t e l l i g e n t ) ，很多节点都是带有c p u 的智能终端，能 够进行记录、处理数据。正是因为这些优点，g c w 砒s h 教授在s c h e d u l i n g o f n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m ”l 文中，写道：“设计者选择网络化控制系统不是因为性能上有很大 2 华中科技大学硕士学位论文 改善，而是成本更低、维护更方便、可靠性更好”。( d e s i g n e r s c h o o s i n g t o b s e n e t w o r k e d c o n l z o ls y s t e ma r c h i t e c t u r ea r em o t i v a t e dn o t b yp e r f o r m a n c e ，b u tb yc o s t , m a j n t e m m c e ，a n d r e l i a b i l i t y ) l i n d agb u s h n e u 在- n e t w o r k sa n dc o n t r o l 。1 一文中，从两个方面介绍了网络化控制 系统：1 ) 通信网络的控制( c o n t r o lo f n e t w o r k ) ，包括网络调度、通讯机制：2 谨于网 络的控制系统( c o n t r o lt h r o u g hn e t w o r k ) ，包括稳定性问题、实际应用和各种总线标准。 下面介绍网络化控制系统常见的两种结构和研究现状，便于我们对网络化控制系统有 个整体的把握。 1 2 i 两种常见结构 网络控制系统最常见的两种结构 1 直接网络结构( d i r e c ts t r u c t u r e ) “1 ，如图1 1 所示： 删能矿仓爿k 一 i 妇1 d 口矗一d 岫a r k 口 h m t 昭赫酞 厂弋1 日啪。 口1 i 图1 1 直接网络连接的网络控制系统 f i g 1 1n c s m o d e lw i t hd i r e c tc o n n e c t i o n 这种结构的典型应用是远程教学实验平台( o v e r s 协戈t t z e s ，1 9 9 9 ) 和直流电机速 度控制( t i p s u w a n c h o w , 2 0 0 1 ) “”n 0 1 。 2 分层网络结构( h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ) 叫，如图1 2 所示： 图1 2 分层网络结构的网络控制系统 f i g 1 2n c s w i t h h i e r a r c h y a r c h i t e c t u r e 分层网络结构的典型应用是移动机器人( t i p s u w a n c h o w , 2 0 0 2 ) 和远程操作c r a m x 1 , 1 9 9 8 ) a 结构2 相对于结构1 有系统稳定性更好的优点，因为结构2 去掉m a i n c o n t r o l l e r 和网络部分仍然是一个传统的闭环控制系统，在m a i nc o n t r o l l e r 失效的情况 下，仍能利用r e m o t e c o n t r o l l e r 对被控对象进行控制。进一步讲这是用结构冗余来提 高系统的稳定性。 华中科技大学硕士学位论文 l - 2 2 研究现状 关于网络化控制系统的起源，可以追溯到h a l e v i ，y 和r a y , a 于1 9 8 8 年发表在 j o u r n a lo f d y n a m i c s y s t e m s ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 上的i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n a n d c o n t r o ls y s t e m s ：p a r ti a n a l y s i s j o u r n a lo fd y l l a l l i cs y s t e m s ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 一文，文中第一次提出通讯网络与控制系统相结合。 逐渐地，网络化控制系统逐渐成为控制领域的一个新的研究热点，正吸引着越来 越多的国内外学者的关注。gc w m s h 教授主要研究控制网络的稳定性问题“”：美国 密执安大学( u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ) 以f a n g l il i a n ，j a m e sm o y n e 为首的研究小组在从 事传感器总线系统的优化和设计工具软件的开拓性工作“；n o r t hc a r o l i n as t a t e u n i v e r s i t y 的t i p s u w a n 和c h o w ，韩国p u s a n n a t i o n a lu n i v e r s i t y 都在从事这方面的研 究。同济大学的于之训是国内较早从事这方面研究的学者，其研究集中在网络时延和 稳定性方面“。清华大学顾洪军网络化控制系统的机理模型、网络实时性要求等。北 京理工大学的吴平东教授等也在从事基于l n t e m e t 远程控制的实验和理论研究“。值 得一提的是三位华人学生在这方面非常的活跃：马里兰大学的h o n g “3 1 ( 博士论文题 目：r e d t o r c ho i ln e t w o r k e dc b n t r o ls y s t e m ) ，密执安大学f e n g - l il i a n “”( 博士论文题 目：a n a l y s i s ，d e s i g n , m o d e l i n g ，a n dc o n t r o lo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 和c a s e w e s t e r nr e s e r v eu n i v e r s i t y 的w e iz h a n g “”( 博士论文题目：s t a b i l i t yo fn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m ) 。这些研究主要都集中在如下四个方面： 1 稳定性( s t a b i l i t yo f n c s ) 的研究 文献【1 6 】对随机时变时g ( r a n d o mv a r i a b l ed e l a y ) 下的输出反馈网络系统进行研究， 基于最小方差滤波器和动态规划原理，得到了具有随机延迟补偿的l q r 控制器，但不 满足确定性等价原理。文献【1 7 】假设时滞满足已知的概率分布或是m a r l 【o v 链给出了 闭环网络化控制系统的l q r 随机最优控制律，该控制律满足确定性等价原理。文献 【1 8 】基于连续模型设计连续控制器，给出了最大允许传输间隔m a t i ( m a x i m u m a l l o w a b l et r a n s f e ri n t e r v a t ) 的概念，并给出了保持系统稳定的s 的值，但保守性较大。 总之，研究网络化控制系统稳定性的基本思路是；对网络环境下的控制系统进行 建模，并用现有的稳定性理论对其进行研究分析。网络环境下的控制系统建模有三种 情况：离散数学模型、连续数学模型和混杂数学模型。根据控制器和执行器工作方式 的不同( 时间驱动和事件驱动) ，可采用不同的数学模型。 2 网络服务品质( q o s ) 和控制品质( q o p ) 的研究 对于网络化控制系统的性能影响比较大的网络服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 有：可 用比特速率( a v a i l a b l eb i tr a t e ) ，通信带宽，网络往返时t g ( r o u n d t r i pt l m e ) 等等。文献 4 华中科技大学硕士学位论文 f 1 4 g j 如何改善控制品质q o p 做了深入的研究。w b iz h a n g 研究了在有通信约束的情况 下n c s 资源的可调度性“。关于控制网络标准的研究也是在试图通过提高网络服务 质量来改善控制品质的。 3 控制网络标准的研究 控制网络不同于数据网络的地方在于：控制网络的数据量较小，而且不是像数据 网一样采用数据包的形式发送数据，并且这种发送几乎是周期性的；数据网则不同， 经常会有突发性的大量数据的传输：在n c s 中，对采样数据的传输可以是周期的，也 可以是非周期的，这将取决于控制网络的介质存取控制协议( m a c 协议) 。1 n t e r n e t 采取 的载波侦听多路存取( c s m a ) 是一种典型的随机存取协议，而c o n t r o l n e t 的令牌环则是 一种常见的网络调度协议。 最为重要的一点是控制网络对数据传输的实时性要求高于可靠性，而数据网则要 求数据传输的准确性。如何才能既发挥控制网的实时性又具有数据网的可靠性，成为 这方面的重要研究内容。 目前国际上有4 0 多种控制网络总线标准，如c a n ，c o n t r o l n e t , p r o f i b u s 等，都已广 泛应用于各种工业应用。2 0 0 1 年1 月4 日，i e c 6 1 1 5 8 标准获得通过，标志着八种现场总 线控制体系结构的成立，这八种总线分别是：c o n t r o l n e t ( r o c k w e l l 公司支持) ， p = r o f i b u s ( 西门子公司支持) ，p n e t ( 丹麦p r o c e s sd e l t a 公司支持) ，f fh i 曲s p e e d ( 美国 f i s h e r r o s e m o u n t 公司支持) , e t h e m e t , s w i f i n e t ( 美国波音公司支持) ，i e c 6 1 1 5 8 ， w o r l d f i p ( 法蓬l a l s t o m e 公司支持) 和i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 啪“2 “8 。尽管 如此，各大厂商都提出了自己的标准，导致了现场总线领域很难统一，限制了其进一 步发展。它们都有各自的特色和市场定位，其性能比较如表1 1 所示。 c o n t r o ln c t 最大包长为5 0 4 b y t e s ，d e v i c en e t 适合于频繁传送较短的控制数据，其 一个数据包的最大长度为8 b y t e s ：因此，在d e v i c e n e t 采样数据经常分割成多个数据 包进行传送。而设计初衷只为商业和办公自动化服务的以太网( e t h e r n e t ) 却以其数字式 互连、互操作性、开放性、成本低廉和高性能等特点受到了工业控制界越来越多的青 睬，而且有统一各种现场总线而成为控制网络标准的趋势。 然而e t h e m e t 应用于工业系统也有需要改进的地方。首先e t h e r n e t 是为办公环境 设计的，所以在耐温防磁，防水防尘，防冲击振动等方面还不能适应工业控制的恶劣 环境的要求。其次，一般认为以太网的实际负载仅能达到信道带宽的l 3 。否则将会因 几个节点试图同时占用信道而发生碰撞现象从而引起通信阻塞现象，严重时甚至导致 系统无法正常工作。因此认为以太网无法适合实时控制系统的要求，但是随着1 0 0 0 m 、 i o g 以太阿的出现，传输速率不断增加，e t h e r n e t 正在逐渐地克服这种缺点。 、 5 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 各种网络标准比较 e t h e m e tc o n t r o ln e td e v i c en e 玎c a n ) 支持单位广泛应用 r o c k w e l l 公司德国b o s c h 公司 介质访问方式c s m a c d t o k e n - p a s s i n gp r i o d t y b a s e d 低负荷时，几乎保证了优先级高； 优点高负荷时效率高 无延时的消息的传送 低负荷时令脾； 速率低数据： 缺点大负荷时效率低的传递占用了： 包容量小： 大部分网络时间 d a l ar a t e1 050 5 b i t t t m e ( u s ) 0 10 22 m a x d a t as i z e 1 5 0 05 0 48 ( b y t e s ) m a x n mo f n o d e s 1 0 0 09 96 4 支持t c p i p 协议直接 开放性 需要协议转换需要协议转换 与i n t e r n e t 互联 成本低，技术支持广泛，软硬件垄断，软硬件垄断， 成本 软硬件丰富成本较高 成本较高 无论采用哪种协议，在网络化控制系统要求比较苛刻的实时性( r e a l t i m e ) 和带宽 ( b a n d w i d t h ) 方面将成为重要研究内容。 4 调度算法的研究 在n c s 中，控制系统的性能不仅依赖于控制算法，而且也依赖于对共享的网络资 源的调度。调度算法所要实现的目的是：在有限的网络带宽的情况下，如何实时地发 送最有用的数据。令牌环、时间片轮询等静态调度算法保证了公平性( f a i r n e s 曲，但是 没有考虑到任务的轻重缓急；优先级调度算法，保证了重要的任务始终最先调用，但 是失去了公平性。 在此基础之上，g e o r g ec w a l s h 教授在s c h e d u l i n go f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m “” 一文中提出的m e ft o d ( m a x i m u me r r o rf i r s t , t r y o n c e d i s c a r d ) 最大误差优先调 度算法，是一种动态调度算法，相对于传统的静态调度算法有很大的改进。其动态性 体现在两个方面：1 ) 保证误差最大的数据优先传输；2 ) 丢弃过时的数据而使用最新数 据。 5 网络化控制系统应用研究 网络化控制系统的应用非常广泛，如嵌入式i n t e r a c t 。“2 ”。、远程直流电机控制、 远程机器人控制侧、虚拟网络试验室曲1 等。 嵌入式i n t e m e t 发展促进了手持无线终端产品如p d a 和信息家电的出现，文献 【2 3 2 4 2 5 描述了嵌入式i n t e m e t 最新发展状况和应用成果。t i p s u w a n 进行了远程移 趁机器人的应用研究嘲。”3 。挪威理工大学( n o r w c g i a nu n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n d 6 华中科技大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y ) 、德国限u h r - u n i v e r s i 懂tb o c h 哪) 和瑞士s w i s s f e d e r a li d s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 进行的r e m o t el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t 强a l l a 均计划，能让在网上的学习者产生一 种身临其境的感觉。文献【2 8 1 【2 9 】给我们展示了无线局域网 ，i a 的未来。 1 3 课题的意义 网络化控制系统是一个全新的研究方向，由于随机时变网络时延的存在，传统控 制器的设计理论并不能适应网络控制器；关于网络控制系统的网络特性和控制特性也 还处在研究当中。这时候，就迫切需要一个仿真软件平台，一方面可以利用它做各种 试验，另一方面也可以验证我们的假设和结论。国际上两个著名的网络仿真软件m i l 3 公司的o p n e t 和由l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y 的n e t w o r kr e s e a r c hg r o u p 开发的n e t w o r ks i m u l a t o r ，而且分别是w m d o w s 和l i n u x 下面的网络仿真工具。还有 网络协议、数据包分析工具，如s n i f f e r ，e t h e r e a l 等。但是它们只是用来仿真网络特 性，并不能加入控制系统，更不能仿真网络控制系统的控制特性。这方面研究国内只 是处在远程控制、远程故障诊断、网络虚拟实验室”3 和嵌入式i n t e r a c t “”。”。3 的阶段， 并没有一个通用的仿真平台。本软件仿真平台正是在试图填补这项空白：通过这个仿 真平台，我们可以进行下面的研究： 1 全数字仿真和混合仿真； 2 对控制器算法进行优化设计，并且观察仿真结果： 3 对系统进行性能评估( p e r f o r m a n c ee v a l u a f i o n ) ，随机、时变的网络时延 如何影响系统的稳定性、控制品质： 4 为研究网络化控制系统稳定性条件、实时性等性能等提供仿真试验平台。 这里需要解释两个概念：全数字仿真和混合仿真。全数字仿真就是所有的模块， 包括传感器模块、被控对象模块、执行器等都是利用计算机来模拟的仿真；混合仿真 则不同，有虚拟的模块也有实际的模块。本文中被控对象是实际的物理设备。 混合仿真可以实现对远端的被控对象进行信号采集，远程监控等功能。此时，被 控对象是典型的嵌入式系统，嵌入式系统实现i n t e r a c t 网络接入实现混合仿真的常见 方法是通过嵌入式服务器( e m b e d d e dw e bs e r v e r ) ，客户端可以访问这个嵌入式服务器 甚至发出控制命令给服务器，详细请参考文献 3 0 】。 网络控制系统的性能评估包括两个方面：网络服务品质( q u a l i t yo fs e r v i c e ，即 q o s ) 和控制品质( q u e r yo f p e r f o r m a n c e ，即q o p ) 。系统的网络性能用服务品质来衡量， 而控制性能用控制品质来衡量。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的内容和组织结构 本文第一章介绍了网络化控制系统产生的背景、应用前景以及国内外研究现状。 本仿真平台旨在服务于网络化控制系统的基础理论和试验研究。 第二章在介绍了网络化控制系统与传统控制系统的差异和网络化控制系统的模型 的基础上，定量地讨论时延对于控制性能和稳定性的影响。最后介绍了常用的网络化 控制系统的设计方法。 第三章从仿真平台的需求入手，设计了平台的总体结构和各模块的数据结构和实 现方法。网络模块是其中的难点，这里将j a v a 引入m a t l a b 实现了基于m a t l a b 平 台的c l i e n t s e r v e r 模式通讯。由于时间原因，本文只实现了网络模块的部分功能，基 于实测网络的真实网络仿真功能有待进一步实现。 第四章介绍了网络模块的通讯模型和通讯协议，设计了基于网络时延和流量测量 的网络模块，并且对在m a t l a b 环境下进行了固定时延网络仿真、随机时变时延的 网络仿真和真实网络环境仿真。 第五章在仿真平台上进行了不同模型不同网络时延的仿真试验，并且介绍了减小网 络时延对控制性能影响的时延补偿方法。 第六章总结了全文并且对未来进行了展望。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 网络化控制系统 在现代控制系统中，用公用数据网取代传统的控制网有着广泛的应用前景。本章 首先阐述了这种趋势给网络化控制系统带来的机遇与挑战，以及网络传输时延与控制 系统的实时性要求这一对矛盾：接着介绍了网络化控制系统与传统控制系统的差异； 在给出网络化控制系统模型的基础上，定量地讨论了时延对于控制性能和稳定性的影 响。最后介绍了常用的网络化控制器的设计方法。 2 1 网络化控制系统带来的机遇与挑战 所谓网络化控制系统，是指通过一个实时的公用数据网构成闭环的控制系统。网 络化控制系统与传统的控制系统最大的不同在于其通信方式是基于网络的，而不是传 统的点对点的通信方式。下图便是把公用数据网集成到控制系统中的网络化控制系统 的一种典型结构。“，如图2 1 所示： r r 。 r 一1 i 一叫执行器h 连续对象 h 传感器 i ji 控制器一执行i传感器一控制id l 协时延7 “l| 嚣时延f w l _ _ o网络通道l 1 一 ；r i 一_ 离散控制器k 一 连续信号 一禹散信号 图2 1网络化控制系统的框图 f i g 2 1t h ef r a m e w o r ko f n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m 其中从传感器到控制器的时延f 。又称为反馈通道时延，控制器到执行起时延f r 。 又称为前向通道时延。 开放体系的公用数据网相对于传统封闭的专用控制网有明显的优势，给网络化控 制系统带来了更多的开放性和灵活性。遍布全球的公用数据网发送数据是通过路由器 转发的，没有确定的路径；其中一条路线的破坏不会导致整个网络的瘫痪，具有极好 的鲁棒性和容错性。把公用数据网集成到控制系统当中，就是希望这种新型的控制系 统具有上述的更多的优点。机遇和挑战并存，这种集成同时也带来了我们所不希望的 华中科技大学硕士学位论文 公用数据网的缺点：网络延时。网络环节不仅导致信息传递时延，而且由于目前互联 网中路由器多是采用动态路由协议依据互联网负载状况选择信息的传递路由，因此， 互联网负载的实时变化，造成信息的传递路由动态变化，从而导致信息传递延时具有 随机性和不确定性。随机不确定的网络时延可能导致网络化控制系统性能的降低，甚 至不稳定。对于图2 1 所示的控制系统，公用数据网基于数据包的信号传送方式与传 统的控制命令或控制字符的方式完全不同，这些使得我们需要发展适用于工作在分散、 异步、信息分组传送环境中的控制系统分析和设计理论。“。 但总的来说是机遇大于挑战，我们也希望借助网络快速发展的这个契机，给控制 学科的发展注入新的活力。 2 2 网络化控制系统的模型 网络控制系统的模型是分析网络控制系统的稳定性、网络化控制器设计的基础。 由于网络控制系统是一个复杂的混杂控制系统( h y b r i d c o n t r o ls y s t e m ) ，其建模方法不 同于传统的线性系统，而是有自己的独特方法基于时延模型的方法或基于网络参 数的方法”3 。根据被控对象和控制器的驱动模式的不同，建模方法可以有很多种。这 里只讨论被控对象是时间驱动、控制器是事件驱动的模式下基于网络时延的建模方法。 在网络化控制系统中，被控对象和传感器是连续的对象；同时，控制器和网络数 据包的信号都是离散信号；网络化控制系统是一个典型的混杂控制系统。因而在对网 络化控制系统进行建模的时候，被控对象的传感器和执行器采用时间驱动的方式，即 定时采样：控制器采用事件驱动的方式，用数据包或消息的方式驱动。“。 根据传感器到执行器的总时延r =