（控制科学与工程专业论文）网络控制系统实验平台建设与算法设计.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 网络控制系统是指建立在数字总线基础之上的控制系统随着现场总线 控制的推广应用，网络控制这一融合最新通信网络技术的计算机控制技术已 越来越引起人们的广泛关注与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统 具有可靠性高、系统连线少，结构灵活、通信协议开放等诸多优点然而， 由于控制网络采用串行数字通信方式，各节点将按照协议规范共享网络通信 资源，从而不可避免将把网络环境中诸多不确定因素引入控制系统如何在 网络环境下，充分考虑网络时延等对控制系统的影响。是进行网络控制系统 分析与设计的关键 网络控制本质上是一种应用技术研究，网络控制算法设计应立足于对原 有成熟控制算法进行针对网络环境的适应性修改和补充为此，本文以网络 技术在控制系统设计中的实际应用为出发点，探讨建立在数据网络基础上的 控制系统设计理念，设计并开发了基于以太网的网络化运动控制实验平台， 研究基于网络的控制系统设计方法，并进行了实物验证 论文的主要内容包括： 1 在深入研究网络环境下时延的组成与产生机理基础上，指出回路总 时延是网络控制系统设计考虑的重点。针对回路总时延表现为单周期和多周 期两类特性下，讨论网络控制系统与经典计算机采样控制系统之间的相似之 处与区别，定性指出在网络时延单周期情况下，二者基本一致，而在网络时 延多周期情况下，采样周期的多频切换使网络控制系统表现为不同采样控制 系统间的跳变，而这种切换过程是导致网络控制系统不稳定的重要原因 2 由于实验平台在网络控制系统研究中具有非常重要的现实意义，因 此本文设计实现了一个基于以太网的网络化运动控制实验平台( e t h e r n e t n e t w o r k e dm o t i o nc o n t r o lo p e np l a t f o r m ) 系统选用电机速度伺服控制系 统作为网络控制的目标对象，采用高性能数字信号处理器设计实现了内含以 太网接口的电机驱动器网络化节点；设计了可方便实现各种控制算法的基于 p c 机的网络控制器；设计了网络流量干扰节点，可对网络拥塞程度实现定 浙江大学博士学位论文 性控制：设计实现了网形化网络数据监视系统，动态显示控制系统状态曲 线。该实验平台可真实展现出网络控制系统的实际问题，为网络控制的算法 研究创建了一个良好的实验环境。 3 针对网络控制系统中数据传输的多周期时延问题，提出了一种在不 改变现有基于模型的极点配置控制方法框架的前提下，通过预设网络时延， 计算出一组待选控制输出序列，在执行器端附加数据选择器，根据控制回路 实测时延，选择对应控制输出量的控制策略。通过与p i d 等算法在不同网 络拥堵环境下的实验对比表明，该方法可在一定程度上解决网络不确定时延 问题 4 通过对网络控制系统数据更新过程的深化认识。提出了一种网络环 境下的模型预测控制改进算法，利用预测控制理论在控制时域内的滚动优化 作用，计算得到优化控制序列矩阵。通过优化控制序列来改善系统在拥堵环 境下的控制效果，能够较好地解决网络环境的多周期时延问题。通过在网络 实验平台实际环境下的实验结果验证了该方法的有效性。 5 通过对网络控制系统特征的分析，阐明了工业i t 是工业控制系统设 计未来发展的方向，提出了基于网络数据传输建立工业控制虚拟回路的思 想，建立了复杂网络控制系统的多智能体模型，并采用合同网技术来解决底 层控制层的计算任务调度问题。 最后，在总结全文工作的基础上，提出了有待进一步研究的课题和今后 的工作重点。 关键词 网络控制系统，计算机采样控制系统，网络化运动控制实验平 台，预设时延选择控制，网络预测控制，工业l t 与虚拟回路 i v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a g r e a td e a lo f a t t e n t i o nh a sr e c e n t l yb e e nf o c u s e do nt h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m st n c s s ) w h i c ha r eb a s e do nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w i t ht h es p r e a d a n da p p l i c a t i o no ft h ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e m , n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sh a v e b e i n g g i v e nr i s et ot h ee n g i n e e r s c o n c e r n 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 tt o p o i n tc o n t r o ls y s t e m s , n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw h i c ha 他f r a m e d f i e l db u s h a v eal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y , l i t t l es y s t e mw i r i n g , f l e x i b l e c o n f i g u r a t i o n , o p e nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，r e a l i z a b l ei n f o r m a t i o nr e s o u r c e s h a r i n g , e t c h o w e v e r , t h ec o n t r o ls y s t e m sc o m m u n i c a t ei ns e r i a ld i g i t a ll i n e , c a u s i n gn o d e sc o m p e t i n gf o rn e t w o r kr e s o u r c e sb yp r o t o c 0 1 t h e ns o m e u n c e r t a i n t yf r o mn e t w o r ke n v i r o n m e n tw i l lb eb r o u g h ti n t ot h ec o n t r o ls y s t e m s i n e v i t a b l y t h ek e yt on e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa n a l y s i sa n dd e s i g nw i l lb eh o w t oh a n d l et h ei s s u ec a u s e db yn e t w o r kt i m ed e l a yi nn e t w o r ke n v i r o n m e n t e s s e n t i a l l y , n e t w o r k e dc o n t r o li sa na p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y t h a t sw h yn e t w o r k c o n t r o la l g o r i t h md e s i g ns h o u l db ee s t a b l i s h e di nm o d i f i c a t i o na n dc o m p l e m e n t o fo r i g i n a l l yd e v e l o p e dc o n t r o la l g o r i t h mt oa d a p tt ot h en e t w o r ke n v i r o n m e n t a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ec o n t r o ls y s t e mt h e o r yo nd a t an e t w o r k , d e v e l o p s e t h e r a e tn e t w o r k e dm o t i o nc o n t r o lo p e np l a t f o r m ( e n m c o p ) ， e s t a b l i s h e sm e t h o d o l o g yo nc o n t r o ls y s t e md e s i g nb a s e do nn e t w o r ka n dg e t s v a l i d a t i o no np r a c t i c a le x p e r i m e n to f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 i n v e s t i g a t i n gt i m ed e l a yc o m p o s i t i o na n dp r o d u c t i o nm e c h a n i s mi n n e t w o r ke n v i r o n m e n t , t h et h e s i sp o i n t so u tl o o pd e l a yi st h ef o c u so fn e t w o r k c o n t r o ls y s t e md e s i g n e x t e n s i v ed i s c u s s i o ni s g i v e no nt h es i m i l a r i t ya n d d i f f e r e n c eb e t w e e nn e t w o r k e dc o n t r o la n dt r a d i t i o n a lc o m p u t e rs a m p l ec o n t r o l w h i l el o o pd e l a yh a v ec h a r a c t e r i s t i c sa ss i n g l es a m p l ep e r i e da n dm u l t i p l e s a m p l ep e r i o d s ，t h e nq u a l i t a t i v ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a ti ns i n g l es a m p l ep e r i o d v 浙江大学博士学位论文 m o d en c s sa c ta l m o s tt h es a m ea st h e c o m p u t e rs a m p l ec o n t r o ls y s t e m s ； o t h e r w i s e ，i nt h ec a s eo fm u l t i p l es a m p l ep e r i o d sn e t w o r kd e l a y , m u l t i f r e q u e n c y s w i t c ho fs a m p l ep e r i o d si st h ei m p o r t a n tf a c t o rc a u s i n gu n s t a b l eo ft h en e t w o r k c o n t r o ls y s t e m s 2 c o n s i d e r i n gt h es i g n i f i c a n tp r a c t i c a lm e a n i n go fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m f o rn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h ，t h ea u t h o ri m p l e m e n t sa ne t h e r n e t n e t w o r k e dm o t i o nc o n t r o lo p e np l a t f o r m , w h i c hi n c l u d e sas p e e ds e r v om o t o r d r i v e r 髂an e tn o d ew i t he m b e d d e de t h e r n e ti n t e r f a c eu s i n gd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ；an e t w o r i 【c o n t r o l l e rb a s e do np cw h i c hi sc o n v e n i e n tf o rr e a l i z i n g s o r t so fc o n t r o la l g o r i t h m ；n e t w o r kf l o wd i s t u r b e r s , h e l p i n gc o n t r o lo nn e t w o r k c o n g e s t i o n ；av i s u a lg r a p h i c a lm o n i t o rs y s t e mo n r e a lt i m en e t w o r kd a t a , d i s p l a y i n gc o n t r o ls y s t e ms t a t ec u r v ed y n a m i c a l l y t h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m e x h i b i t sr e a l p r o b l e m so l ln e t w o r ks y s t e m ，a n do f f e r san i c ee x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n tf o rn e t w o r kc o n t r o it h e o r e t i c a lr e s e a r c h 3 t of i xt h ep r o b l e mo fm u l t i p l es a m p l ep e r i o d sd u r i n gd a t at r a n s f e ri n n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dap r o p o s a lt h a tp r e s u m e s n e t w o r kt i m ed e l a ya n dc a l c u l a t e sas e to fs e l e e t a b l ec o n t r o lo u t p u ts e q u e n c e s w i t h o u tc h a n g i n gt h ec u r r e n tm o d e lb a s e dp o l ea s s i g n m e n tc o n t r o ls c h e m e ， a t t a c h e sd a t as e l e c t o rt ot h ea c t u a t o r ，s e l e c t sc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lo u t p u ta sp e r r e a l l o o p t i m ed e l a y c o m p a r e dw i t hp 1 da p p l i e di nn e t w o r kc o n g e s t i o n e x p e r i m e n ti nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t , t h i sc o n t r o la l g o r i t h mc a nh e l pt os o l v et h e n e t w o r ku n c e r t a i nt i m ed e l a yp r o b l e mt oac e r t a i ne x t e n t 4 w i t hd e e pu n d e r s t a n d i n go nd a t au p d a t ep r o c e s so fn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r da ni m p r o v e da l g o r i t h mo fn e t w o r k e dm o d e l p r e d i c t i v ec o n t r o l ，t a k e sa d v a n t a g eo fs c r o l lo p t i m i z a t i o ni nc o n t r o lh o r i z o nt o g e to p t i m i z e dc o n t r o ls e q u e n c e sm a t r i xa n dt oi m p r o v es y s t e mc o n t r o le f f e c t w h i l en e t w o r kb e i n gc o n g e s 她w h i c hs o l v e sm u l t i p l es a m p l ep e r i o d st i m ed e l a y p r o b l e mo fn e t w o r ki nab e t t e rw a y a l s o ，t h i sh a sb e e nd e m o n s t r a t e db y v l 浙扛大学博士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h ee n m c o p - 5 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa n dt h e i n d u s t r i a li ti si l l u s t r a t e d ，a n dt h ei d e ai sp r o v i d e dt oc o n s t r u c tv i r t u a ll o o pi nt h e i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e md e s i g nb a s e do nt h en e t w o r kd a t at r a n s f e r ad e s i g n p a t t e r no fc o m p l e xn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m su s i n gm u l t i a g e n t - s y s t e mm o d e li s p r o p o s e da n dt h et a s ks c h e d u l i n gp r o b l e mi sr e s o l v e db a s e do i lt h ec o n t r a c tn e t t e c h n o l o g y f i n a l l y , us u m m a r yi sm a d eo ns o m er e m a i n i n gc h a l l e n g e sa n dr e s e a r c h e m p h a s e si nt h en e x tp h a s e k e y w 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 , c o m p u t e rs a m p l ec o n t r o ls y s t e m , n e t w o r k e dm o t i o nc o n t r o lo p e n p l a t f o r m ，p r e s u m e dd e l a ys e l e c tc o n t r o l ， n e t w o r k e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，i n d u s t r i a li ta n dv i r t u a ll o o p 浙江大学博士学位论文 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师王树青教授表示崇高的敬意和衷心的 感谢! 十三年前，我第一次踏入了浙江大学的校门，先后进入机械电子工程、 模式识别与智能系统和控制科学与工程专业学习深造回首这些年来的学习 科研生活，我庆幸遇到了这么多优秀的老师和同学，是他们的严格要求与鼓 励关怀，激励我努力学习不断成长，悉心领会做人做事做学问的道理。这是 我一生不尽的财富 五年多的博士生涯转瞬即逝在这段难以磨灭的日子里，我激动过、失 望过、彷徨过、痛苦过，是王老师时时在我耳边关心支持、催我奋进。王老 师以他渊博的学识、严谨的治学态度、坚实的专业知识和敏锐的洞察力指导 我在学业上努力前行，更以其热情真挚的为人品格和达观向上的人生态度为 我树立了学习的榜样。 衷心感谢荣冈教授、王宁研究员、张建明副教授、金晓明副教授、张泉 灵副教授、来国妹女士等老师在学习和科研工作上给予我的关心和帮助。 感谢刘峙飞、张柯、张奕同学等师兄弟们的合作，本文所取得的些许科 研成果属于整个网络控制研究小组。同时也感谢朱炜博士、周韶园博士、张 惠良博士、赵小强博士、李荣雨博士、李奇安博后、谢磊博后、周猛飞博 士、陈良博士以及实验室里各位同学给予的帮助和鼓励 最后，向所有支持、关心和帮助过我的朋友表示诚挚的感谢! 黄海 2 0 0 7 年4 月于浙大求是园 第一章绪论 第1 章绪论 摘要 本章综述了网络控制系统的基本概念和典型结构，对网络系统的产生背景 和发展历程做了简要的分析，详细阐述了网络控制系统的基本问题，全面概述 了目前的研究现状和发展方向，最后给出了本文的结构和主要内容 1 1 问题的提出 随着计算机控制技术在工业过程中的逐渐普及，工业过程控制在近几十年 来取得了重大进展，许多生产过程都实现了自动化【伴随着计算机技术，控 制理论以及通信技术等各领域的快速发展，历经了直接数字控制、集散控制和 现场总线控制等多个发展阶段，进一步融合了网络技术的计算机控制技术已开 始步入网络控制时代。 所谓网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 是指建立在数据网络基础 之上的控制系鲥矾。在网络控制系统中，处于工业现场的检测、控制和操作设 备都具备串行数字通信接口，直接与数字通信网络相连接。所有设备共享一个 信号传输通道，能够实现设备间的数据通信、资源共享和相互协作典型的网 络控制系统结构如图i i i 所示 图i i i 网络控制系统结构图 1 i i 网络控制产生的背景 任何一种新技术的出现，都有其产生的背景和基础条件网络控制系统的 产生直接来源于计算机控制技术的发展与广泛应用。1 9 6 2 年，英国帝国化学工 业公司首创了计算机直接数字控制系统( d d c ) ，采用数字计算机取代传统的模 拟调节器作为系统的核心控制计算单元【3 l 宣告进入了计算机控制时代。d d c 充分利用了数字计算机精度高、运算速度快、无温漂等优点，可获得较高的控 j 浙江大学博士学位论文 制性能，便于复杂算法的实现，能够将原来控制多个控制环路的多个模拟调节 器用一个数字计算机控制器来代替，降低了控制系统的成本1 4 j 。在与现场的仪 表和变送器的通信方面，数字计算机控制系统延用了4 2 0 m a 的模拟信掣习 虽然这种早期的计算机控制系统较模拟调节器有了性能上的飞跃，但是从结构 上看，这种控制系统过于集中，只能局限于某个工段的控制，缺乏扩展性和交 互性；从性能上看，这种系统的实时控制受制于其硬件资源的集中分布，计算 机负荷过大；在可靠性方面使风险集中化，一旦计算机出现故障，整个工段都 将被迫停机。 随着工业生产的规模不断扩大，对生产过程安全平稳的要求不断提高，集 中式控制系统越来越满足不了实际的需求【6 】数字计算机性能的提高，成本的 降低和体积的减小，促使工程师们试图打破集中式控制的结构，将控制功能下 放，因此分布式控制系统在实际工业中应用也就成为可能。h o n e y w e l l 公司于 1 9 7 5 年推出了第一套集散控制系统( d c s 卜似一2 0 0 0 ，开创了分布式控制系 统的先河集散式控制系统针对早期控制系统单台计算机集中管理整个控制过 程模式中集中的弊端，把一个控制过程分解为多个子系统，由多台计算机协同 完成，每台计算机承担一部分功能，而由一台主机协调控制。其设计原则是： 分散控制，集中操作，分级管理，分而自治，综合协调【”。集散控制系统在实 际应用中取得了巨大的成功，但也存在一定不足。首先，集散系统仍是模拟数 字混合系统，特别是控制单元与现场设备、仪表之间的通信方式仍然是 4 - 。2 0 m a 的模拟信号，电流的损耗和线路的干扰会严重影响控制精度；其次， 它在结构上遵循主从式的思想，没有完全突破集中控制思想的束缚；更重要的 是，d c s 领域主要由h o n e y w e l l 、r o c k w e l l 、f i s h e r 、a b b 、f o x b o r o 、横河、 西门子等国外大公司占据，其所生产的d c s 系统都属于非开放式专用网络， 相互之间不兼容，不利于提高系统组态的灵活性和可维护性。 和集散控制系统相比，现场总线控制系统( f c s ) 是一种开放的分布式控制 系统，它把封闭的专用协议变成标准开放协议，其设备节点中包含了数字处理 器，因此具有较强的数字计算和数字通信能力，可实现真正意义上的分布式控 制系统。f c s 系统与d c s 系统相比具有很多优点：它是数字串行通信网络， 采用总线式网络结构，设备之间可进行单播、组播或广播等多种方式的通信， 充分利用了通信带宽，减少传输线路的使用量，节省系统安装维护的成本；现 场设备由于嵌入了c p u ，具有一定的智能，可以完成p i d 、数字滤波、补偿处 理等简单控制任务，处理各种故障、运行状态及参数信息：现场总线的应用使 整个控制系统分散化、扁平化，提高了控制系统的可靠性，便于管理层了解底 2 第一章绪论 层控制层的运行状况，为管控一体化提供了一定的基础：现场总线的开放性允 许遵从同一通信协议的、不同厂家的设备互换和兼容。当前的控制领域存在1 9 种现场总线协议，比较重要的有：c o n f i n e r 、p r o f i b u s 、p 二n e t 、基金会总线 俨f ) 、w o r l d f i p 、h a r t 、c a n 等i s ! 现场总线具备开放性、分散性和数字通 信三种显著特性，体现了。信息集中，控制分散”的思想。 现场总线虽然可实现工业企业生产过程的。完全数字化”，但是由于现场 总线至今没有实现标准统一，无法实现工业企业综合自动化系统中自上( 信息 管理层) 而下( 现场设备层) 真正透明的信息互访和集成由于计算机控制系 统在不同层次间传送的信息已经变得越来越复杂，对工业网络的开放性、互联 性、带宽等方面提出了更高的要求从计算机控制系统的发展历程来看，为了 满足现代大型工业生产自动化和过程控制要求复杂化的需求，提供更安全、更 可靠、性能更高、集成性更高，数据传输速率更高、成本更低的控制系统成为 未来控制科学面临的重大问题，而网络控制系统的提出和发展已经给出了这个 问题的初步答案，如何将自动控制、计算机和信息技术三者更紧密的结合，这 也成为计算机控制科学一个重要的发展方向唧 1 1 2 网络控制系统的结构 网络控制系统一般可分为两种结构：直接结构、递阶结构【0 1 1 1 】 直接结构是由一个控制器和一个包含执行器、被控对象，传感器的远程系 统组成控制器和远程系统分布在不同的地点，之问通过网络互连。系统运行 时，控制器通过网络从传感器获得系统输出值，计算得到控制信号后，再通过 网络发送到远程的执行器，从而实现对远程系统的直接控制，典型应用如远程 实验室【1 2 】等，其结构如图1 1 2 所示 图i i 2 网络控制系统的直接结构 递阶结构和直接结构的不同点在于其远程系统本身就是一个闭环控制回 路，处于网络另一端的控制器实际上是在本地控制回路的基础上添加了一个外 环的控制回路，主要功能是根据接收到的远程系统的系统输出，给出相应的设 定值，并发送给远程闭环系统，典型应用如远程遥控系统【1 3 1 4 爝其结构如图 浙江大学博士学位论文 1 1 3 所示。 - ， 一 ：= 二 l 一 图1 1 3 网络控制系统的递阶结构 在网络控制系统的研究中，往往选择直接结构作为研究对象，因为如果将 递阶结构中的远程控制回路视为一个广义对象的话，递阶结构将退化为直接结 构；其次，采用直接结构的网络控制系统，能够更直接地体现网络特性对系统 性能的影响而在设计具体的网络控制系统的时候，设计者可以根据实际需 要，选择合适的结构加以实现。 1 1 3 网络控制系统的驱动方式 网络控制系统的驱动方式一般指系统中传感器、控制器及执行器等网络节 点的运行方式。目前网络节点的启动方式有两种驱动方式：时钟驱动( c l o c k - d r i v c ) 和事件驱动( e v 朗t d r i v c ) t b i j q 时钟驱动指节点在预定的时间由时钟触发而启动特定的工作，时钟驱动可 使节点周期性的工作；而事件驱动指节点的动作是由特定的事件发生而触发 的。在网络控制系统中，传感器节点一般都是时钟驱动的，即传感器按一定的 周期对被控对象进行数据采样，然后将数据通过网络发送给控制器节点控制 器节点和执行器节点既可以采用时钟驱动，也可以采用事件驱动。如果两者都 采用时钟驱动方式，数据的到达( 传感信号数据到达控制器节点，控制信号数 据到达执行器节点) 并不会触发节点开始工作，只是将数据保存在节点的缓存 区内，当节点各自的时钟达到周期节拍时，节点才将缓存区内的数据读出，并 进行相应的计算和操作。如果控制器采用事件驱动方式，则当控制器节点接收 到传感信号时，其立即调用控制算法计算得到控制信号，发送给执行器节点； 采用事件驱动方式的执行器也是在接收到控制信号后立即动作，将控制信号转 化成相应的模拟信号作用于对象。图1 1 4 为传感器、控制器、执行器节点均 以时钟驱动方式工作的时序图，图1 1 5 为传感器和执行器以时钟驱动方式工 作、控制器以事件驱动方式工作的时序图，图1 1 6 为传感器以时钟驱动方式 工作、控制器和执行器以事件驱动方式工作的时序图。 第一章绪论 图1 1 4 传感器、控制器和执行器为时钟驱动的时序图 图1 1 5 传感器、执行器为时钟驱动，控制器为事件驱动的时序图 浙江大学博士学位论文 kt佳+ltt h lo t + 3 ) to t + 4 ) t 图1 1 6 传感器为时钟驱动，控制器、执行器为事件驱动的时序图 从单个节点的角度来看，时钟驱动方式的实现比事件驱动简单，只需在节 点中设置特定的时钟中断，就可以实现一个周期性触发的工作机制；而事件驱 动除了需要将数据到达这个事件绑定到相关的中断上，还需要设定相应的判断 机制来保证系统的正确响应。但是如果将控制回路中所有节点都设置成时钟驱 动的工作方式，则整个控制回路的所有节点的时钟必须做到精确同步，并会出 现传感器和控制器在同一时刻争夺网络带宽资源的现象，这将直接导致网络时 延和丢包。相比较而言，控制器采用事件驱动的工作方式，使信号在控制回路 上的传递保证了一定的逻辑顺序，避免了多个节点争夺网络资源的问题0 7 。作 为只接收信息、不发送信息的执行器，其工作方式的不同并不会耗费网络带宽 资源，唯一的区别仅在于其对被控对象的作用是否需要等到整周期时刻才施 加，因此其驱动方式的选择可根据对象特性、执行器性能等因素加以确定。 1 1 4 网络控制系统的研究意义 网络控制系统作为新一代的工业控制系统，将其数字化的功能延伸到系统 的控制底层，利用数字通信链路将原来用模拟线路连接的现场仪表连接起来， 可方便实现整个网络的数据共享。工业控制采用网络控制系统有如下优点： ( 1 ) 控制功能分散。网络控制系统将d c s 控制站的功能分配到现场仪 表，可取代单个功能块控制多个回路的集中式控制结构，提高了系统的可靠 性。 ( 2 ) 减少了系统连线。传统集散控制系统的通信网络仅限于控制站或输入 第一章绪论 输出单元，现场仪表的连接模式仍采用点对点摸拟信号传输方式而网络控制 系统在控制层引入了通信网络，采用总线式的布线方式，每个节点可以通过共 享网络来传输数据，相对于原有连线方式，大大简化了布线，节省了成本。提 高了可靠性，并降低了由此带来的维护成本 ( 3 ) 线路抗干扰性能好网络控制系统的通信线路全部采用双向的数字信 号传输，比传统的4 2 0 m a 模拟信号传输的抗干扰性能更好 ( 4 ) 网络的开放性和设备的互操作性强由于网络控制系统的开放性，各 个设备节点只要符合标准的网络协议和满足特定的功能就可以相互调换采用 不同厂商的现场设备组态时，只需要通过简单的软硬件配置，就可以构成所需 的控制回路，共同实现控制策略，具有较大的灵活性 ( 5 ) 总线供电网络控制系统可直接通过总线供电，解决了现场仪表外接 电源的问题，降低布线难度，有利于提高控制系统的本质安全性 ( 6 ) 系统信息集成和设备诊断方便。网络控制系统使控制系统扁平化，数 字通信网络在底层控制仪表问的应用，促使了控制层网络与管理层网络的无缝 连接，使得管理系统容易获得控制系统的运行状况和设备的状态信息，以及其 它各种有用信息，可以方便地实现在线故障检测与诊断。 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， 但是由于网络控制系统具备的上述优点，以及随着建立在现场总线基础上的网 络控制系统的相关解决方案的成熟、推广与应用，其显示出的效益越来越明 显，网络控制系统也越来越容易被大多数工业领域和大量的终端用户所接受 国内外的工控产品生产商也顺应这种潮流，推出了各自的现场总线和工业以太 网产品，以及针对不同客户需求的解决方案f i s h e r - r o s e m o u n t 公司的数字化 智能工厂的解决方案p l a n t w e b 采用了f o u n d a t i o nf i e l d b u s 总线作为设备间通信 方式【”1 西门子公司推出了基于p r o f i b u s 现场总线协议和p r o f i n c t 工业以太网 协议的工控产品和解决方案，在烟草、汽车制造、水处理、电力等行业得到了 广泛的应用【l 卵。浙大中控也提出了基于工业以太网的实时通信控制系统解决方 案e p a ，推出相应的分布式网络控制系统，并在纯碱碳化生产装置上应用冽 网络控制系统在工业控制领域的应用，充分体现了其硬件配线数量少、安装成 本低、试运转时间短、维修支出少等优点，提高了生产企业的效率和利润一 些业内专家和咨询公司预计，在未来的5 年中，现场总线在工业流程中的应用 将高速增长，其市场份额也将进一步增大闭j 。 7 浙江大学博士学位论文 1 2 网络控制研究的基本问题 对控制系统进行数字化、网络化改造，将数据通信网络传输速率高、传输 精度高、协议开放性高、便于安装与维护等优点引入的同时，也将网络的一些 本质特性引入到控制系统中。虽然这些特性并不会严重影响数字通信网络在办 公自动化方面的应用，但是在安全性、可靠性、实时性要求很高的工业现场， 其所特有的属性所带来的弊端往往是难以容忍的综合分析，网络控制系统主 要存在如下几方面问题 1 2 1 网络通信协议 在网络控制系统中，通信网络取代了传统的模拟信号线路，提供了控制器 与远程被控对象通信的传输媒介，用于对远程对象的控制根据网络类型和媒 介访问控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 方式划分。可以分为随机访问 ( r a n d o m a c c e s s ) 和轮询访问( s c h e d u l i n g ) 两大类”，j 。 在随机访问网络中，节点对网络媒介的访问采用的是载波监听多路访问机 制c s m a ( c a r r i e rs e n s em u k i p l ea c c e s s ) ，采用这种机制的主要有设备网 ( d e v i c e n e t ) 和以太网( e t h e m c t ) 这类网络上的节点在发送数据前，都要 侦听网络上是否有数据在传输，如果网络是空闲的，则可以发送，否则需要一 直等到网络空闲再尝试发送。多个节点同时发送数据会产生数据冲突，当冲突 发生时，如何处理这种冲突依赖于采用何种网络协议设备网( d e v i c e n e t ) 是基于c a n 总线( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 协议的现场总线，而c a n 总线是 采用带有逐位仲裁的载波监听多路访问机制c s m a b a ( c s m aw i t hb i t w i s c a r b i t r a t i o n ) 在这种机制下，c a n 总线上数据包都赋予7 一定的优先级，当 数据冲突发生时，高优先级数据包将继续传送，低优先级数据包的传输被中止 嘲。以太网采用的是带冲突检测的载波监听多路访问机制c s m a c d ( c s m a w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。以太网上传输的数据包没有优先级高低之分，当数 据冲突发生时，所有数据包的发送都被中止，每个数据包等待一个时段后再次 尝试发送阱】在这类随机访问网络上，节点对网络的访问是随机的，因此网络 时延也是不确定的，并有可能发生丢包。 在轮询访问网络中，网络媒介访问往往采用令牌传递t p ( t o k e np a s s i n g ) 机制和时分多路复用t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u k i p l ea c c e s s ) 。采用令牌传递 机制的有令牌总线( i e e e8 0 2 a ) 和令牌环( i e e e8 0 2 5 ) ，而t d m a 被应用 于光纤通信 2 2 1 这类网络为每一个节点周期性的分配了一定的时间片，每个节 点在属于自己的时间片内访问网络，不受其他节点的干扰，从而避免了多个节 第一章绪论 点同时争夺网络公共带宽资源轮询访问网络中的时延是由等待令牌或时间片 所引起的，因此时延往往是定常或有界的。 1 2 。2 网络时延 网络控制系统的通信网络是串行数字链路，所有节点都通过连接到这个链 路上与其它节点通信。从广义上说，组建网络时。不管是采用随机访问网络， 还是采用轮询访问网络，节点之间都是竞争公共网络带宽资源的关系。因此不 可避免存在网络时延 网络协议中的数据链路层协议直接决定了网络时延的产生方式和特性令 牌总线和令牌环采用轮询访问的方式，每个节点都有一块自己独享的网络访问 时间片，一旦节点交出令牌后，如果它要再次访问网络，就必须等待其他节点 都轮询一遍才能再次获得令牌从数据传输的角度来看，这段等待重新获得令 牌的时间往往是周期性定常的圈与这种有序的、通过令牌传递来访问网络的 机制相比，以太网的随机访问机制基本为无序竞争，随机性更大。虽然以太网 中每个节点的地位都是平等的，也没有通过令牌传递这种机制来限定同一时刻 只有一个节点能够访问网络，但是由于串行总线的物理特性只允许同一时刻只 有一个节点访问连接到同一总线上的所有节点必须竞争网络访问权竞争失 败的节点必须等待一定的随机时段后再次竞争网络访问权，这个随机的时段也 就构成了随机网络时延当前，共享式以太网正逐渐被交换式以太网取代，虽 然交换机的应用将网络冲突域的范围从整个总线缩小到交换机端口，但是交换 机存储转发的机制和访问端口冲突同样会导致网络时延的产生【2 3 删 网络控制系统跨越多个局域网时，除了上述局域网内节点间的竞争和冲突 会引起网络时延外，数据包在网间的传输也会受网络时延的影响局域网与局 域网间一般是通过路由器相连接，数据包从一个局域网发送到另一个局域网 时，要经过路由器的存储转发，这也会引入网络时延除此之外，网络上层协 议的定时未达、重传等机制也会加重数据包所经历的网络时延 时延的引入会降低网络控制系统的控制性能，严重时会导致系统不稳定 网络时延是网络控制系统分析和设计不可忽略的重要因素。 1 2 3 数据包丢失 在实际网络控制系统中，通信网络并不是可靠的。当传感器、控制器和执 行器利用网络传输数据和控制信息时，不可避免会出现数据包丢失( p a c k e t d p o t ) 现象 根据产生的机理，数据包丢失可分为两种情况：种是因传输信道由系统 9 浙江大学博士学位论文 中各节点所共享，而网络带宽有限，在某一时间能够在控制器与传感器和执行 器之间进行数据交换的数目是有限的。负载较小时，传感信号能够及时地、完 整地发送到控制器，控制器也能够及时地将控制信号发送出去；当负载变大 时，单位时间到达的数据包数量增