（控制科学与工程专业论文）基于网络控制的球杆系统模糊控制器设计.pdf

原创性声明 !iiii i i l j l i i i i i 1 1i i i ii i ii fi y 17 19 4 4 8 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：也盈日期：址年月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ：兰生年月墨日 摘要 网络化控制系统是一种通过信息传输网络连接形成闭环控制回 路的控制系统，信息的网络传输必然存在网络传输时延问题，当网络 时延达到一定程度必然会影响到控制系统的稳定性及控制性能，因 此，网络化控制系统的设计应当充分考虑网络时延的影响。 根据网络化控制系统的定义与结构，详细分析了网络化控制系统 中网络时延的组成及相关特性。针对网络时延对控制系统控制性能的 影响，研究如何根据系统的控制性能要求处理网络时延，提出了一种 根据网络时延动态调整模糊控制器参数的方法，实现了球杆系统的网 络化控制。首先对网络环境进行分析，获取传输网络的时延变化范围 及其变化特性，把时变的网络时延转换成固定时延序列。通过建立球 杆系统模型，设计了球杆系统的模糊控制策略。在球杆系统本地控制 中加入固定时延环节，获取了不同时延条件下球杆系统模糊控制器的 最佳参数，在网络化控制中，根据不同的网络时延，调整模糊控制器 参数，减少网络时延对球杆系统控制性能的影响。这种动态模糊的控 制方式保证了不同网络时延情况下控制系统的控制性能都是最佳的。 在球杆系统网络化控制实验研究中，采用基于w e b 的网络化控制系 统实验室n c s l a b 进行实验平台搭建，该平台采用j 2 e e 技术进行开 发，结合m a t l a b s i m u l i n kr e a l t i m ew o r k s h o p 技术实现算法组态，硬 件部分采用n e t c o n 网络化控制器完成算法执行及网络通信等功能， 该平台的主要特点为：在线控制算法组态及监控界面组态，完成对控 制对象的远程监控。 关键词：网络化控制系统；网络时延；球杆系统；模糊控制 a bs t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mi st h ec o n t r o ls y s t e mu s i n gn e t w o r ko f i n f o r m a t i o n a lt r a n s m i s s i o na sac l o s e dl o o p t h ep r o b l e mo ft r a n s m i s s i o n t i m ed e l a ys h o u l db ee x i s t e di nt h ep r o c e s so fn e t w o r k e dt r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o n t h es t a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e w i l lb ea f f e c t e di n e v i t a b l yb yt r a n s m i s s i o nt i m ed e l a y t h e r e f o r e t h e e f f e c to fn e t w o r kt i m ed e l a ys h o u l db ec o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l yw h e n d e s i g n i n gn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o na n ds t r u c t u r eo fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，t h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r kt i m ed e l a ya r e a n a l y z e dt h o r o u g h l y f o rt h en e t w o r kt i m ed e l a y e f f e c to nt h en e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m h o wt o h a n d l et h en e t w o r kt i m ed e l a yu n d e rt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e r ni sr e s e a r c h e d am e t h o d t or e a l i z en e t w o r k e dc o n t r o lo fb a l la n db e a ms y s t e mi sp r o p o s e db y a d j u s t i n gt h ef u z z yc o n t r o l sp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h en e t w o r kt i m e d e l a y f i r s t l y , b ya n a l y s i so ft h en e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t h es c o p eo ft h e n e t w o r kt r a n s m i s s i o nt i m ed e l a ya n di t sc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i a t i o na r e m e a s u r e da n dc h a n g e di n t oaf i x e dt i m ed e l a ys e q u e n c e s e c o n d l y , t h e b a l la n db e a ms y s t e m sm o d e li sb u i l tt od e s i g nt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y t h i r d l y , t h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ff u z z yc o n t r o l l e ru n d e rd i f f e r e n t n e t w o r kt r a n s m i s s i o nt i m ed e l a ya r eo b t a i n e db ya d d i n gaf i x e dt i m e d e l a yt ot h eb a l la n db e a ms y s t e m sl o c a lc o n t r o le x p e r i m e n t f i n a l l y , i n t h eb a l la n db e a m sn e t w o r k e dc o n t r o le x p e r i m e n t t h ef u z z yc o n t r o l l e r s o p t i m a lc o n t r o lp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o no fn e t w o r kt i m e d e l a ya r ec h o s et or e d u c et h ee f f e c to fn e t w o r kt i m ed e l a y t h ec o n t r o l s y s t e m sc o n t r o lp e r f o r m a n c ei sa c c e p t a b l eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o no f n e t w o r kt i m ed e l a yb ya d o p t i n gt h i sd y n a m i cf u z z yc o n t r o lm e t h o d t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f 0 1 1 1 1i sb u i l to nw e b b a s e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s l a b o r a t o r yc a l l e dn c s l a b n c s l a bi sd e v e l o p e db yj 2 e et e c h n o l o g y a n dm a t l a b s i m u l i n kr e a l t i m e 肋r k s h o pt e c h n o l o g y n e t c o n n e t w o r k e dc o n t r o l l e ri sa d o p t e dt oo f f e rt h ec a p a b i l i t i e so fa l g o r i t h m i m p l e m e n t a t i o na n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s t h ec o n t r o la l g o r i t h ma n d m o n i t o r i n gi n t e r f a c ea r ec o n f i g u r e do nt h ew e b t or e a l i z ec o n t r o l l i n gt h e h e x p e r i m e n t a ld e v i c er e m o t e l y 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 m s ；n e t w o r kt i m ed e l a y ； b a l la n db e a ms y s t e m ；f u z z yc o n t r o l m 目录 第一章绪论1 1 1 网络化控制系统的定义与结构1 1 2 网络化控制系统中存在的主要问题及本文的研究意义2 1 3 网络化控制系统中网络时延问题研究现状4 1 4 物联网与网络化控制系统5 1 5 论文的整体结构及主要内容7 第二章网络化控制系统的网络时延分析9 2 1 网络时延分析及时延捕获。9 2 2 时间斜坡函数概念与网络时延1 3 2 2 网络时延其他预估方法1 4 2 。2 1 时延均值预估法1 4 2 2 2 时延窗口在线时延估计法。1 5 2 3n t p 协议及时钟同步1 6 2 4 网络服务质量与网络化控制系统1 8 2 5 小结l9 第三章基于w 曲的网络化控制系统实验平台2 0 3 1 基于w 曲的网络化控制系统开发平台2 0 3 2n e t c o n 网络化控制器2 3 3 3a j a x 技术原理2 5 3 5 小结2 7 第四章球杆系统网络化模糊控制器设计2 8 4 1 球杆系统结构2 8 4 2 球杆系统建模2 8 4 2 1 球杆机械部分建模。2 9 4 2 2 转盘与连杆机构部分建模2 9 4 2 2 伺服电机建模3 0 4 3 球杆系统模糊控制研究3 2 4 4 网络化动态模糊控制策略研究3 6 4 5 球杆系统网络化动态模糊控制4 0 4 6 球杆系统网络化控制仿真研究4 l 4 7 小结4 3 第五章球杆系统网络化模糊控制实验研究4 4 5 1 球杆系统网络化控制实验平台组成4 4 5 2 球杆系统网络化控制m d l 文件模块说明4 5 5 3 球杆系统网络化模糊控制实验结果分析4 9 5 4 网络化控制实验中的自定义模块及相关说明4 9 5 5 网络化控制系统中执行器端的保护措施5 0 5 6 小结5 0 第六章总结与展望5 2 6 1 结论5 2 6 2 展望5 3 参考文献5 4 致谢5 9 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 0 硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 网络化控制系统的定义与结构 随着控制系统、网络及通信技术的发展和相互结合，控制系统结构越来越灵 活，空间分布越来越广，对系统控制性能的要求也越来越严格，网络及通信技术 的引入给控制系统带来远程操控优势的同时，也会面临一些特殊的问题。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 ，n c s ) ，最早出现在马里兰大学w a l s h 的论著 1 】中，文中简单地示意并说明了n c s 的系统结构。国内学者于之训等在文献 2 】 中首先使用“网络化控制系统”这一术语，文中对网络化控制系统进行了简要说 明，顾洪军等在文献【3 】给出了网络化控制系统明确定义，戴冠中等在论著 4 】中 提出“网络化系统”的概念。m u r r y 和a s t r o m 等根据控制在通讯网络领域所发挥 作用的特点，将网络控制分为基于网络的控制和对网络的控制两种不同的形式 【5 】，在此基础上，一些文献根据其对网络控制定义将基于网络的控制系统称为网 络化控制系鲥锄】。随着i n t e r n e t 网络技术的发展，i n t e m e t 网络环境下的新型网络 化控制系统在理论上迅速得到研究，并开始尝试研究应用于复杂的工业控制领域 和民用领域，另外网络化控制在远程医疗设备、机器人远程遥控操作、楼宇自动 化、智能汽车系统、航空及航天、移动传感器网络、军事等领域有广泛的应用前 景【9 1 3 1 。 网络化控制系统( n c s ) ，是在基于通信网络实现的网络化控制系统，通常指 把某个区域内一些现场检测装置、执行器机构及控制设备通过通信线路进行链 接，通信线路负责设备之间的数据传输，完成该区域内不同地点的装置设备和使 用者实现资源共享和设备操作。网络化控制系统结构如图1 1 所示。远程控制设 备及监控装置通过网络化控制器连接到i n t e r n e t 网络，网络化控制器是具有通讯、 控制等功能的嵌入式控制系统。远程控制室主要由具有通讯、控制功能的网络化 控制器和应用服务器组成，应用服务器作为系统的平台负责与用户交互和控制系 统信息的存储。广义的网络化控制系统还包括通过企业信息网络以及通过 i n t e m e t 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的实现监视与控制等。由于信息 通过网络传递，信息传输网络化给网络化控制系统带来便利的同时，也引入了网 络传输过程中出现的网络时延和网络数据包出错、丢失或数据包顺序混乱等问 题，使网络化控制系统的通信数据完整性、确定性、同步性、定时性等方面缺乏 保证【1 4 1 。 硕士学位论文 绪论 现场设备装置 ，信患传输譬竺哆”参，；“# r 一一少镬一一一一0 一一一一一一一一1 用户 叫恳制墨急 一i 1 2 网络化控制系统中存在的主要问题及本文的研究意义 由于在网络化控制系统的控制回路中引入网络传输环节，网络环境中数据包 的传送要分时占用网络通信介质，如果通信网络带宽冗余不足或者通信网络出现 故障，必然会造成信息在网络传输过程中出现时间延迟，丢包等现象。控制系统 相关信息如反馈量在进行网络传输过程中发生的编码与解码、传输等过程中所占 用的时间，称之为网络时延。网络化控制系统中存在多种不同性质的时延，不同 的传输网络存在不同的网络传输时延特性，网络时延可能是固定地分布在一个范 围内，也可能是随机变化的【1 5 】。例如，在e t h e m e t 网络环境中，在网络通讯带宽 足够承载信息数据传输时，网络传输时延通常是固定的；而在i n t e m e t 网络环境 中，网络时延不仅与信息传输协议有关，而且和网络传输通道的带宽，网络传输 过程中的路由跳数，是否经过核心交换设备等有很大关系。目前i n t e m e t 网络由 各种不同网段组成，不同网段之间进行数据传输和相同网段间进行数据传输产生 网络时延的特性也有所不同，例如，一定地域内的教育网内数据传输和教育网与 电信网之间数据传输，通常网络时延会有很大差别。随着i n t e r n e t 网络的发展， 特别是发达国家已经完成或接近完成的“信息高速公路 建设，其网络带宽几十 倍甚至上百倍于国内的i n t e m e t 网络，这种基础建设环境下的差别导致网络时延 和其他信息在网络中传输可能存在的问题在不同地区中也存在相当大的差别。 网络传输时延是网络化控制系统中存在并需要解决的一个主要问题，网络传 输时延会不同程度地降低控制系统的控制性能，甚至使控制系统出现不稳定。网 络时延随机时变特性是网络化控制系统需要研究解决的一个重要问题。网络时延 2 硕士学位论文绪论 表示网络中两个节点间传输一个数据包所需要的时间，般用秒或者毫秒表示。 网络时延是衡量通信网络服务质量的一个重要性能指标【1 6 j ，通信网络服务质量 通常用网络传输过程中最大时延和平均时延反映。网络传输时延可分为传播时 延、信息交换时延、数据包队列时延、传感器端和执行器端a d 、d a 等信号转 化时延。 1 ) 传播时延：指信号在传输介质上所消耗的时间。传播时延与信息传输的 物理距离成正比。一般在网络化控制系统中，通常由于信号在传输过程中以电、 光等形式存在，传播速度很快。因此，网络传播时延通常占网络时延中的比例很 小。 2 ) 信息交换时延：指信息通过网络基础交换设备中的交换机、路由器、网 桥、网关等网络连接设备所需要的时间。这些网络设备在转发过程中会产生数据 包交换时延。通常数据包在信息交换过程中受到网络交换设备的性能和网络带宽 的影响而出现不同的时延，一般的，信息交换时延受网络环境的影响较大，网络 中信息传输量大，超过了网络信息传输冗余，信息交换时延通常会比较大，并且 变化很大，网络中信息量很小，低于网络信息传输冗余，信息交换时延通常会比 一 较小，并且非常稳定。 3 ) 队列时延：在网络设备信息交换和转发的过程中，由于设备性能和网络 带宽的影响可能会出现数据拥塞，因此必然会出现数据包排队等待的过程。数据 包在网络交换设备中排队所消耗的时间称为队列时延，与信息交换时延相比，队 列时延由网络传输带宽决定而不是交换设备的处理能力影响。但与信息交换时延 ， 一样，与网络的信息传输量有很大关系。 4 ) 传感器端和执行器端信号转化时延：指传感器端模拟信号转换成与网络 通信协议相关的数据包所需要的时间和执行器端网络数据包转换成控制信号输 出量所需要的时间。该过程由前端网络通信设备的处理能力决定，即设备的a d 、 d a 转换能力，一般的，该部分时延还与网络化控制系统的复杂度有关。 传输网络的时延特性影响着n c s 的设计与实现。目前，针对时变、不确定 的网络时延，通常采用采用鲁棒控制、预测控制、自适应控制、智能控制等方法 进行系统分析与设计，或者通过将时变的网络时延转化为固定时延环节，把网络 化控制系统转化成确定性时延系统的方法进行分析和设计【3 j 3 , 1 4 1 。本文主要研究 基于i n t c r n e t 网络环境下的网络时延特性以及基于i n t e r a c t 进行网络化控制系统 开发。数据包在i n t e r n e t 网络传输过程中，由于i n t e r n e t 网络的复杂性、网络流 量的动态变化和网络路由路径的动态选择，网络时延随时都在发生变化。一般来 说，网络时延和网络时延的抖动越小，那么网络的服务质量就越好，对网络化控 制系统的设计越有利。在i n t e r a c t 网络环境下，典型的网络时延为几十到几百毫 3 硕士学位论文 绪论 秒，影响网络时延的主要因素是路由跳数和网络带宽。在距离较近的网段内，有 足够网络带宽保证的情况下，数据包在网络中传输稳定，网络时延通常很小且变 化不大，在距离较远的网段传输中，网络带宽通常会变得紧张，在路由转发过程 中耗费的时间随着距离的增加变得越来越多，网络传输很容易出现不稳定，丢包 的概率也很高，网络时延通常很大且变化剧烈。 1 3 网络化控制系统中网络时延问题研究现状 针对传输网络的时延问题，目前己有不少研究成果【1 他o 】，主要涉及网络时延 的测试、分析和预测等方面。对网络时延问题的研究一般可分为两类：一类是从 网络测试角度出发，对网络的吞吐量、响应时间、单向传输时延、网络时延抖动 等参数进行测量与分析，其目的主要是为评估网络性能，为网络的设计、运营与 维护提供参考。此类研究一般从网络技术上展开，测试和分析方法不完全符合网 络化控制系统设计的需求，所得的网络时延测试结果对网络化控制系统的分析和 设计无实际价值；另一类是从控制领域的角度，试图通过对网络时延的测试与分 析，建立网络时延的模型，从而对其进行预测和控制，此类研究往往对网络时延 的复杂性估计不足，采用的测试方法简单且不规范，导致测量结果不准确，得到 的数据不具有可比性。另外，测试的网络时延通常不能保证精度上的要求，导致 得出的网络时延结果不具有代表性。对网络时延的预测方法研究目前尚不能应用 于网络时延变化剧烈的网络环境，需要作进一步深入地研究。目前，关于网络时 延的研究一般集中于i n t e r a c t 网络环境中，基于i n t c r n e t 的网络时延的测量、分 析及建模工作却仍然不够充分，缺乏能够在实际系统中应用的网络时延获取方 法。 目前，针对网络化控制系统网络时延的不确定性，网络化控制器的设计主要 有以下一些方法： 1 ) 确定性控制设计方法 应用确定性设计方法通过将随机时延转化为固定时延，然后针对转化后的固 定时延设计控制器。文 2 1 1 针对模型提出了基于观测器的分布延迟补偿器。在该 补偿器算法中，通过在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区，将时变的传输时 延转化为固定的时延，其优点是可用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网 络控制系统进行设计和分析，不受时延特性变化的影响，其缺点是将所有时延都 转化为最大时延来处理，人为地将传输时延扩大化，因此降低了系统应有的控制 性能。对于具有随机传输延迟的闭环控制系统，若按最大传输延迟来设计控制器， 则所得闭环控制系统不一定稳定1 2 2 2 3 j 。 2 ) 随机控制设计方法 4 硕士学位论文绪论 应用随机控制的方法关键在于对网络时延的合理建模和估计，将网络时延作 为系统中的随机变量或随机过程，设计随机最优控制律。文 2 4 1 利用对传感器采 用时间驱动，控制器和执行器采用事件驱动的模型进行了控制策略研究，假设时 延的概率分布己知，且不超过一个采样周期，利用m a r k o v 链对时延的概率分布 进行了建模，给出了闭环网络化控制系统的l q g 随机最优控制律，该控制律满 足确定性等价原理。文【2 5 】针对控制网络中的随机传输延迟，提出控制器节点采 用事件驱动的方式，同时在传感器和控制器节点发送端设置发送缓冲区，以确保 信息按产生的时间先后依次到达接收端，采用这种控制模式，利用传输延迟的 m a r k o v 特性，得到了具有多步随机传输延迟的网络化控制系统的数学模型。并 得到了满足给定二次型性能指标的最优控制律的解析表达式，成功的解决了原来 事件驱动模式下对这类网络控制系统无法获取其解析随机控制律的难题。 3 ) 智能控制设计方法 智能控制对于解决变化的问题和情况有较好的适应能力，因此可以用智能控 制和先进控制策略解决时延不确定和时延补偿问题，提高系统的鲁棒性。文 2 6 】 利用模糊控制鲁棒性较好的特性，设计了基于模糊逻辑的控制器，并与传统的 p i d 控制器和时延补偿p i d 控制器进行了比较，说明了在存在时延的控制系统中， 模糊控制的效果优于传统p i d 控制方法。文 2 7 1 研究了基于i n t e m e t 网络的控制 系统，利用对网络延时的补偿来提高系统的性能。首先利用f u z z y 理论设计了模 糊补偿器，直接对p i 控制器的参数进行整定，并给出了离线和在线的整定算法。 进一步又考虑对模糊规则参数的自适应调整，并对电机网络化控制进行了仿真实、 验，验证了该控制策略的有效性。 4 ) 鲁棒控制设计方法 鲁棒控制理论是针对实际工程中模型不确定性发展起来的，因此对于此类问 题可以直接应用鲁棒控制器的设计方法来解决。采用该方法的关键是要将时延环 节转化为系统的一个不确定块，同时可以考虑被控对象本身的不确定性，然后针 对转化后的系统设计鲁棒控制器，这样设计出的控制器能同时保证网络化控制系 统的鲁棒稳定性和鲁棒性能指标。文【2 8 将吼和综合的方法引入控制器的设 计，给出了将传输时延的不确定性转化为不确定块的等价框图，设计了鲁棒控制 器，使闭环系统具有较好的抗干扰能力。 1 4 物联网与网络化控制系统 网络化控制系统在实施中存在一个重要问题就是远端控制器和前端执行器 都需要具有网络通信能力。目前基于i n t e m e t 的网络化控制系统发展必须采用嵌 入式系统设备才能在此基础上开发嵌入式系统以用于网络通信。因此网络化控制 硕士学位论文绪论 系统在部署上必然存在一个实施成本问题。目前具有网络通信能力的网络化控制 器由于产量规模的限制通常成本很高，而且一般设计成通用，尚不具备专用，小 型化的特性，因此具有网络通信能力的网络化传输设备无法大量普及。而该问题 的存在极大地限制了网络化控制系统的发展。物联网概念的产生和发展为网络化 控制系统的实施带来了前景，很大程度上能够解决网络化控制系统终端设备通讯 问题。物联网体系结构如图1 2 所示。 应用层网络 传感器网络及 终淌设备 图l - 2 物联网体系结构图 物联网( t h ei n t e r a c to f t h i n g s ) 最初的概念是在1 9 9 9 年提出的，它的定义很 简单：把所有物品通过射频识别( i 强i d ) 、红外感应器、全球定位系统、激光扫 描器等信息传感设备与i n t e m e t 网络连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能 化识别、定位、跟踪、监控和管理【2 ”1 1 。国际电信联盟2 0 0 5 年的一份报告曾描绘 “物联网 时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒 主人忘带了什么东西；衣服会“告诉 洗衣机对颜色和水温的要求，等等。物联 网把新一代1 1 r 技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装 备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道等各种 物体中，然后将“物联网 与现有的i n t o n e t 网络整合起来，实现人类社会与物 理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能 够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基 础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧 状态， 提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。物联网中的“物 需要 满足以下条件才能够被纳入“物联网 的范围： 1 ) 要有相应信息的接收器，例如射频识别技术( 1 强d ) ； 2 ) 要有大范围的数据传输通路，如i n t c r n e t 网络； 6 硕士学位论文绪论 3 ) 要有一定的数据存储功能； 4 ) 要有c p u ，一般的根据其职能决定c p u 的处理能力； 5 ) 要有操作系统，可采用嵌入式操作系统如u c l i n u x ； 6 ) 要有专门的应用程序，由其具体的职能决定； 7 ) 要有数据发送器，蓝牙、红外、w i f i 、3 g 通信等： 8 ) 遵循物联网的通信协议，由其通信方式决定； 9 ) 在世界网络中有可被识别的唯一编号。 根据物联网对设备需求的准则可见物联网中对设备的要求和网络化控制系 统中对远端设备互联的要求有着相同的特点。目前，物联网技术正逐渐被人们所 重视，并在国外军事领域中开始了相关研究与试验。可以预见的是物联网相关技 术的发展将是网络化控制系统发展的一大机遇。 1 5 论文的整体结构及主要内容 论文全文共分为六章，整体结构及各章的主要内容如下： 第一章绪论。首先介绍了网络化控制系统的定义与结构，分析了网络化控 制系统的优点及存在的主要问题，给出了课题来源，并论述了研究意义，讨论了 网络化控制系统与可能会兴起的物联网之间的联系与发展，最后介绍了论文的研 究内容和论文安排。 第二章网络化控制系统涉及的网络技术与网络时延分析。从网络自身特性 出发，分析了网络相关技术对网络化控制系统的影响，讨论了网络时延的组成， 通过对n t p 协议分析，提出网络化控制系统中时钟同步问题以及其对网络时延 捕获的影响，分析了一种在损失一定控制性能的情况下，对网络时延进行处理， 方便控制器的设计的办法，最后介绍和分析了i n t e r n e t 网络中一个重要的概念即 网络服务质量对网络化控制系统的影响和发展。 第三章基于w e b 的网络化控制系统实验平台。该平台主要用于网络化控制 系统的开发，本文主要实验研究部分基于该平台实现，本章系统地介绍了基于 w e b 的网络化控制系统实验平台的各组成部分，包括n e t c o n 网络化控制器、w e b 平台的设计原理及相关技术，以实例的方式演示了该平台的使用。 第四章球杆系统网络化控制模糊控制器设计。首先建立球杆系统模型，分 析了球杆系统的控制策略，重点阐述了球杆系统网络化控制模糊控制器设计的基 本原理，最后在对网络环境分析的基础上，利用m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 仿真工具 进行了球杆系统网络化模糊控制的系统仿真，证明了动态模糊控制在球杆系统网 络化控制中应用的可行性。 第五章球杆系统网络化模糊控制实验研究。阐述了通过基于w e b 的网络化 7 硕士学位论文 绪论 控制系统实验平台搭建球杆系统网络化控制的原理及实验过程，对球杆网络化控 制系统的各组成部分做了简要说明，通过球杆网络化控制是否采用动态模糊控制 的前后实验结果对比证明了本文动态模糊控制策略的有效性。 第六章总结与展望。在总结了论文的主要研究工作的基础上，分析了课题 研究开发过程中的经验和不足，并指出下一步的研究工作。 8 硕士学位论文第二章网络化控制系统涉及的网络技术与网络时延分析 第二章网络化控制系统的网络时延分析 2 1 网络时延分析及时延捕获 典型的网络化控制系统结构如图2 1 所示，其中广代表数据从传感器经网 络传送到控制器端的时延，广代表数据从控制器经网络传送到执行器端的时延。 网络时延的特性取决于传输网络及其传输协议。例如i n t 科 n e t 网络环境下网络时 延是随机、时变的，并且随着网络通信距离及通信网段等呈现不同的特性，而 e t h e r n e t 网络环境下网络时延通常是常值。 执行器卜一+ l 控制对象h 采样器 i 自魄l 蒜谳照2 亩1 枣二二鲤二壁 l n 翮一 图2 一l 网络化控制系统结构 网络化控制系统的设计必须考虑网络时延的影响，因此对网络时延进行分析 与捕获是十分重要的工作之一，通过建立和分析网络时延环境，可以方便网络化 控制器的设计。网络化控制系统所采用的网络环境在正常运行情况下是可以获知 的，本文的研究建立在如下一个i n t e r n e t 网络环境基础上：通过对两个口地址间 一定时间的p i n g 命令测试可以获知两个m 之间的信息传输时延、丢包率，如图 2 2 所示。 厂、 价 e v 馨 拣 医 图2 - 2 本文考虑的网络时延环境 通过对网络环境检测可获知该网络环境的最大时延小于l o o m s ，最小时延大 于5 0 m s ，丢包率小于1 。该网络环境网络时延f 可以分为固定时延序列和 9 硕士学位论文第二章网络化控制系统涉及的网络技术与网络时延分析 偏差时延部分k 。现有的网络控制研究表明当网络时延与系统的采样周期相比 很小，在不改变系统控制器参数的情况下，网络时延对系统的控制性能影响很小 【3 2 1 。因此只要确定系统的控制周期r ，使得r b , a t ，其中0 口l ，a 的大小根 据控制对象取值，一般来说，如果控制对象对网络时延越敏感，a 的值就应该越 小。但是考虑的实际对象通常没有仿真对象那么精确，过小的a 不利于控制参数 的确定。网络时延f 对控制系统的影响主要反映在固定时延序列f 。；上，这种做 法既充分考虑到了网络时延对控制系统的影响又使时延问题变得简单化，保证了 网络时延的时变特性又能使时延作为固定时延序列处理，方便了控制器的设计。 在网络化控制系统结构图中，网络时延通常分为f 、f 两部分。如果要分 别测出f 、f “，通常的做法是在发送端的数据包中加上本地时间戳，数据包接 收端获取该时间戳并和本地时间戳进行比较，如果两端的时钟是同步的，并且精 确到+ l m s ，那么可以捕获精确的单向网络时延r ”和f 。在不同传输网络中如 e t h e r n e t 网络环境下，时钟同步达到+ _ l m s 级精度是可以实现的，因为可以从时 钟同步协议n t p 的设计原理上分析可知，在时钟同步过程中因为e t h e m e t 网络 的传输时延通常没有i n t e r n e t 网络复杂，其网络时延在短距离时很小在长距离时 只要带宽足够，网络时延的波动不大。目前i n t e m e t 网络环境下所采用n t p 协议 进行时钟同步的，基于i n t e r n e t 的n t p 协议时钟同步方式本身就是存在网络时延 偏差的问题。通过n t p 协议在e t h e r n e t 网络环境下进行时钟同步可以达到_ + l m s 精度。但是通过n t p 协议做到在e t h e r n e t 网络情况下时钟同步，在i n t e m e t 网络 环境中应用仍存在问题。首先通用计算机，包括一般的嵌入式控制系统，c m o s 时钟精度只能达到1 s 级。因此+ l m s 级时钟同步只能通过软件实现，这种实现 方式必须保证系统不能停机，且系统的时钟晶振频率和精度都要求很高。因此通 过同步时钟的方式分别获取网络传输时延f 、f 鬈必须考虑精度问题。 针对球杆系统网络化控制，控制周期设定为2 0 m s ，设计的网络环境时延 4 0 m s f l o o m s ，这种条件下分别获取网络传输时延r 口、f 饕进行系统分析是 困难的，因为其精度无法满足要求。事实上，在网络带宽充裕的情况下，基于 t c p i p 协议的数据包网络传输时延在短时间内可以保证r a = f ”，而网络环境的 测试也证明该假设是成立的，因此，对球杆系统网络化控制研究可建立在r = 广 条件下。 以目前设备的技术条件，在采用i n t e m e t 网络为传输网络的网络化控制系统 中，由于两地的系统时钟很难精确同步到+ l m s 级，因此不能通过计算两地的本 地时间差来计算单向网络传输时延。从网络化控制系统设计的角度出发，控制系 统所采用的网络应当是尽可能朝着有足够的带宽冗余，数据包传输稳定，因此， 对于网络时延来说，可以看成短时间内变化不大，而且稳定在一个范围内。事实 l o 硕士学位论文第二章网络化控制系统涉及的网络技术与网络时延分析 上，针对网络时延产生的原因分析可知，引起网络时延变化的因素主要发生在路 由路径选择阶段。通常，路由器在处理能力足够，网络带宽有足够冗余的情况下， 通过静态路由表进行数据转发所消耗的时间是稳定的。因此本文假设网络时延在 足够带宽和网络设备支持的情况下稳定在某一范围，且短时间内变化不大是有一 定根据的。 基于上述假设，网络时延的测量可以通过计算往返时间( r r r ，r o u n dt r i p t i m e ) 来使网络时延量化。i m 是指一个数据包从网络一端传到另一端又返回所 花的时间，由于是通过软实现的方式，因此精度很高，可达到微妙级。根据r 1 广r 的实现所采用的不同承载的协议通常可分为以下三种方法： 1 ) i c m p 协议实现，i c m p 是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 消息协议1 的缩写，通常用于测试不同m 主机、路由器之间网段的连接状况，一 般能够反映出网段间是否连通、主机是否已联网、路由是否可达等通信网络本身 的情况。控制消息的测试传输虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传输 状况起着重要的参考作用，通常i n t e m e t 网络环境下，采用p i n g 命令检测网络环 境状况，p i n g 命令检测方式也可作为网络时延测试的常用的方法，在具体实施中， 裂 由于协议的关系，i c m p 协议通常具有网络攻击性质，因此需要考虑网络设备安 全性方面的因数。 2 ) u d p 协议实现，当目标的主机或者中间节点如防火墙或者网关出于安全 “ 因数考虑而禁止p i n g 命令测试时，可以使用u d p 报文来检测网络时延。u d p 协议是面向不可靠连接的，不需要可靠数据流的应用程序选用u d p 协议进行数 一 据传输。u d p 协议的这种特性可在基于i n t e r n e t 网络化控制系统开发中可用于摄 像头等图像、声音传输，但在网络时延检测方面，由于存在数据包因为协议的原 因丢失而造成时延测量的不准确，造成控制效果欠佳的可能性，因此，u d p 协 议不适合实现r 1 盯方式捕获网络时延 3 ) t c p 协议实现，t c p 协议提供的是可靠的、面向连接的传输控制协议， 即在传输数据前要先建立逻辑连接，然后再进行数据传输，最后释放连接的三个 过程。t c p 提供端到端、全双工通信方式，通常，基于i n t e r n e t 的网络化控制系 统使用t c p 协议进行传输层的业务操作，因此，使用t c p 协议实现网络时延的 在线捕获在实现上更方便。t c p 协议的各种传输控制措施是网络化控制系统信息 传输不可缺少的，正是t c p 协议的特性，网络化控制器的设计一般都会加入t c p 传输协议的支持。 本文的研究主要建立在t c p 协议的基础上，采用r t t 原理捕获网络时延。 具体实现方式是采用如图2 3 所示。主要思路是使用斜坡函数发送一个时间数据 包，经网络传输时延后马上返回，通过计算发送和接收到的时间差得到双向传输 硕士学位论文第二章网络化控制系统涉及的网络技术与网络时延分析 时延。该方法的捕获网络传输时延的思路也可用于实际系统上。该方法在实施上 简单可靠。 i 一一一一一一一一一一一一_ t i l 、州l 纛n 搦黑慧鬻a i _ - _ - _ - 1 厂一一一一一一i l i l i i i 一 控制嚣端执行器端 图2 - 3 网络传输时延捕获方法l 根据网络控制器的设计不同在具体实现上会存在一些问题，例如：本文的实 验建立在n e t c o n 网络化控制器的基础上，n e t c o n 网络化控制器在执行文件采用 m a t l a b s i m u l i n k + r t w 进行