（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的分析与控制.pdf

声明尸明 蚴i i i i i i | l i t | i l l l l ii i i i i y 1 7 8 5 6 6 1 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文网络控制系统的分析与控制， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盈日 期：塑1 21 羔! 鲨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盘导师签名： 日期：兰! z ! 兰：塑日 期：遨! 兰：塑 ， _ _ 冬 华北电力大学硕七学位论文摘要 摘要 本论文主要研究内容为具有时延的网络控制系统的建模、稳定性分析和控制器设 计。首先分析时延产生的机理、原因、特点及其对网络控制系统性能的影响。假设网络 诱导时延是时变不确定的，分别在时延小于一个采样周期和大于一个采样周期的情况下 建立闭环网络控制系统模型，并利用l y a p u n o v 稳定性定理和l m i 工具箱设计使系统渐 进稳定且满足儿性能指标的充分条件，并给出日。控制器的设计方法，从而有效抑制外 部扰动对网络控制系统的影响。最后，对网络控制系统发展前景进行了展望，并指出今 后有待进一步研究的问题。 关键词：网络控制系统，网络诱导时延，日。控制 a b s t r a c t t h em a j o rr e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e ri st h em o d e l i n gm e t h o d ，s t a b i l i t ya n a l y s i sa n d t h ec o n t r o l l e rd e s i g no ft h en c s s w i m t i m e - d e l a y f i r s t l y , i nt h ep a p e r t h ea u t h o ra n a l y z e st h e m e c h a n i s m ，c a u s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft i m e - d e l a y , a n dt h ee f f e c t sm a d eo n t ot h ec o n t r o l p e r f o r m a n c e si sa n a l y z e da l s o s u p p o s et h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a yi st i m e v a r y i n ga n d u n c e r t a i n ，t h em o d e l so ft h ec l o s e d l o o pn c s sw h e nt h et i m e - d e l a yi sl e s st h a no n es a m p l e a n dm o r et h a no n es a m p l ea r ee s t a b l i s h e d ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nl y a p u n o n vf u n c t i o na n d l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ( l m i ) ，t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n sw h i c ha r es u b j e c tt ot h ea s y m p t o t i c s t a b i l i t ya n dh 。p e r f o r m a n c ea r ed e r i v e d ，a n dt h ed e s i g nm e t h o d so ft h ec o n t r o l l e r sa r ea l s o p r e s e n t e d ，w h i c hs h o wg o o dp e r f o r m a n c et or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ed i s t u r b a n c e a tl a s t ， t h ep r o s p e c to fn c sa n ds o m ei s s u e st h a ts h o u l db er e s e a r c h e da r ep o i n t e do u t y u a nl i a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f m ay o n g g u a n g 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 k - i n d u c e dd e l a y ，h 。c o n t r o l - ，a ? ； 冬 1 ， r 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 网络控制系统概述3 1 2 1 网络控制系统的结构3 1 2 2 网络化控制系统的特点3 1 2 3 网络控制系统的基本问题4 1 3 网络控制系统的研究现状5 1 3 1n c s 建模5 1 3 2n c s 稳定性分析和设计6 1 3 3 网络调度6 1 3 4n c s 应用研究6 1 4 本论文主要工作7 第二章时延网络控制系统分析8 2 1 网络时延特性分析8 2 2 时序分析9 2 3 控制网络简介1 0 2 3 1e t h e r n e t 1 2 2 3 2c o n t r o l n e t 1 2 2 3 3d e v i c e n e t 1 3 2 4m a t l a b t r u e t i m e 工具箱简介1 4 2 5 时延对网络控制系统性能的影响1 5 2 6 本章小结1 8 第三章短时延n c s 鲁棒以控制1 9 3 1 短时延n c s 状态反馈日。控制1 9 3 1 1 问题描述1 9 3 1 2 状态反馈风控制器设计2 l 3 1 3 仿真实验2 6 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 短时延n c s 动态输出反馈h 。控制2 8 3 2 1 问题描述2 8 3 2 2 动态输出反馈h 。控制器设计2 9 3 2 3 仿真实验3 3 3 3 本章小结3 4 第四章长时延n o s 鲁棒以控制3 6 4 1 问题描述3 6 4 2 控制器设计3 7 4 3 仿真实验4 3 4 4 本章小结4 4 第五章总结与展望4 5 参考文献4 7 致谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 l ， p 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 在传统的计算机控制系统中，传感器和执行器都是与计算机实现点对点的连 接，传递信号一般采用电压和电流等模拟信号。在这种结构模式下，控制系统往往 布线复杂，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性、抗干扰性、灵活性和扩展 性，特别在地域分散的情况下，传统控制系统的高成本、低可靠性等弊端更加突出。 随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了巨大的技术变 革，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 ) 应运而生，其主要标志就 是将计算机网络引入控制系统，使众多传感器、执行器、控制器等主要功能部件通 过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点的 铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性。 计算机控制系统的发展主要经历了以下几个阶段：传统的集中式控制系统、七 十年代中期发展起来的集散控制系统( 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 ) 、八十 年代末发展起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 ，f c s ) 、以及九 十年代发展起来的基于以太网的控制系统。 早期的计算机控制系统是直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) ，这 种控制系统在二十世纪七八十年代占主导地位。在这种控制结构中，计算机直接参 与对象进程的控制，所有传感器和执行器都与同一台计算机点对点连接。由于当时 计算机价格昂贵，整个生产过程和控制策略都采用一个中央处理单元完成控制计 算、信息处理等工作。因此，在这一控制系统中，计算机的一个单一故障也会让整 个系统及所有回路失效。 随着计算机成本的降低和网络技术的发展，( 计算机) 控制网络被首次引入到 了控制系统，于是集散控制系统( d c s ) 随之而产生。d c s 将控制任务分散到若干小 型的计算机控制器( 也称为现场控制站) 中，每个控制器采用d d c 控制结构处理部 分控制回路，而在控制器与控制器、控制器与上位机( 操作员站或工程师站) 之间 建立计算机网络，这种控制结构使得操作员在上位机中对被控系统的实时运行状态 进行监测，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制 网络下载到对应的控制器中实时运行。从而对实现了任务控制和信息监视的分离， 从而大大提高了控制系统的可靠性，并实现了集中管理和分散控制。 但是，随着现场设备的增加，系统布线的复杂程度急剧增加，成本大幅提高， 而系统的抗干扰性变差，灵活性下降，扩展更加不便，因此需要寻求新的解决方案。 华北电力大学硕士学位论文 过程中，现场总线控制系统( f c s ) 应运而生。 能化现场设备和控制系统的通信网络。f c s 把控制系统一直 延伸到生产现场的控制设备，信号的传输完成数字化，提高了信号转换的精度和可 靠性。同时由于f c s 的智能仪表( 变送器、执行器) 带有微处理器，可以直接在生 产现场构成控制回路，控制功能完全下放，从而实现了完全的分散控制。目前国际 上最有影响力现场总线的有f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s i l l 。 f c s 技术经过2 0 多年的发展，取得了很高的成就，是当前工业控制系统发展的 方向，但是就目前的应用情况看来，还存在一些问题，首先就是没有统一的国际标 准。由于总线种类仍然有l o 余种，并且各厂家自成系统，从而不能达到完全开放， 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。这些问题的存在给现场总线技术 的推广和应用带来了很大的困难。 近十年来，随着以太网技术的发展和广泛应用，工业以太网也正在成为工业控 制网络的主流技术。由于以太网具有开放性、价格低廉、软硬件资源丰富、通信速 率高等特点，不但已基本垄断了商业领域的网络通信市场，而且在工业控制领域也 得到了广泛的应用。如何把以太网应用到工业领域，己经成为工业控制和实时通信 研究的热点。与此同时，由于以太网技术起步较晚，它具有传输不确定性，实时性 较差等特点，因此，将其应用于控制系统还有许多问题亟待解决。 从整体来看，计算机控制系统己经朝着网络化、集成化、节点智能化、分布化 的方向发展。另外，近年来互联网( i n t e r n e t ) 技术飞速发展，使得通过i n t e r n e t 实现远程控制成为可能。智能传感器、控制器和执行器嵌入i n t e r n e t 网络接口通 过h t t p 、t c p i p 等通信协议即可通过网络传输信息，用户能够在任何时间、任何 地点通过i n t e r n e t 对被控设备进行远程访问和控制，随时了解远程设备运行状况， 现场设备的控制将不再受时间和空间的限制，从而大大提高了工作效率。在一些具 有强腐蚀性或者危险性的工业环境中，网络布线十分困难甚至不允许布线时，可以 利用无线网络进行信息传输。上述现场总线、工业以太网、互联网以及无线局域网 等计算机网络技术与控制技术的结合将在很大程度上加快控制系统信息化建设的 步伐，促进控制系统向网络化方向发展。 将传感器、控制器和执行器设备嵌入网络接口后作为独立的网络节点直接连接 在通信网络上，通过网络进行被控对象的数据测量、数据控制、参考输入以及报警 等信息的传输交换，这种通过通信网络所形成的闭环反馈控制系统称为网络控制系 统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 。n c s 的出现使得各行业综合自动化水平从 d c s 、f c s 上升到一个更高的高度。网络控制系统已经引起了国内外众多学者的关注， 成为当前国际学术界研究的一个热点。 2 华北电力大学硕士学位论文 由于网络中信息流存在非线性动力学特性，网络作为闭环反馈控制的一部分和 被控对象组成的闭环系统是一变时延的不确定的复杂系统，这对基于网络的控制系 统的控制方法提出了严峻的挑战。另外，计算机网络是以数据包的形式传递和交换 信息，与传统控制系统的基本假设( 例如信息传输的同步，无时延等) 不相符合， 导致现有的系统设计和分析方法不再适用。因此必须重新审视传统控制系统的研究 方法，充分考虑网络传输信息的特点，对网络控制系统的建模、系统分析以及设计 进行深入的研究，这对于网络控制系统的理论研究和实际应用具有深远的意义。 1 2 网络控制系统概述 1 2 1 网络控制系统的结构 网络控制系统是指将传感器( s e n s o r ) 、控制器( c o n t r o l l e r ) 和执行器 ( a c t u a t o r ) 等节点以及其他设备通过实时网络构成的闭环反馈控制系统。它的组 成主要包括如下四个部分：被控对象、传感器、控制器和执行器。网络控制系统的 基本结构图如图卜l 所示2 1 。 控制网络 图1 - 1 网络控制系统结构图 和其他计算机控制系统不同，网络控制系统所有的实时测量传感信号和控制数 据都是通过网络传输的，各节点通过网络协调来完成控制任务。而且，网络控制系 统的网络概念更加广泛，不仅仅局限于现场总线，还包括工业以太网、无线网络等 多种形式，甚至包括i n t e r n e t ，并随着网络技术的发展而覆盖更多的网络种类1 3 1 。 1 2 2 网络化控制系统的特点 网络控制系统是一种完全扁平化的控制系统，将通信网络引入控制系统，实现 了现场设备控制的分布化和网络化，同时也加强了现场控制和上层管理的联系。相 对于传统的点对点的控制系统，网络控制系统布线简单，成本低，安装维护简便， 易于扩展，系统可靠性和灵活性高，信息资源能够共享，便于进行故障诊断和远程 3 华北电力大学硕士学位论文 控制，有良好的互换和互操作性，易于实现整个企业的管理和控制的一体化。 网络控制系统在通过共享网络资源给控制系统带来诸多优点的同时，也给系统 和控制理论带来了新的机遇和挑战。将通讯网络引入控制系统，必然使得系统的分 析变得更加复杂，网络控制系统的复杂性主要是由网络自身的特点决定的。主要在 于： ( 1 ) 信息的传输时延，通常是随机的； ( 2 ) 由于网络传输的不可靠性，网络控制系统会发生数据包丢失的现象； ( 3 ) 由于网络带宽和数据包容量的限制，多通道传输是不可避免的。 总的来说，虽然网络控制系统中存在一些问题，但是由于其能够实现信息资源 共享、廉价等不可替代的优点，所以网络控制系统具有很强的生存能力，并取得了 迅猛的发展。 1 2 3 网络控制系统的基本问题 1 2 3 1 网络时延 将通信网络引入控制系统实现了现场设备控制的分布化和网络化，同时也加强 了现场控制和上层管理之间的联系。由于网络中的信息源很多，信息传送要分时占 用网络通信线路，而网络的承载能力和通信带宽有限，必然造成信息冲撞、重传等 现象的发生，使得信息在传输过程中不可避免的存在时延。由于网络所采用的通信 协议、网络当时的负荷状况、传输速率和信息包大小等因素的影响，时延呈现出或 固定或随机、或有界或无界的特征【4 j 。 时延是造成系统性能下降的基本因素之一，主要表现为系统稳定时间加长，超 调量增大，震荡加剧，同时系统的相角稳定裕度减小甚至导致系统不稳定p j 。如何 分析、处理网络时延对整个系统性能的影响是很重要的。它是网络控制系统研究中 面临的主要问题之一。 1 2 3 2 数据包丢包及时序错乱问题 在网络控制系统中，各节点通过网络交换数据，由于网络资源有限，节点数大， 网络拥塞，连接中断，节点竞争网络失败这些现象都不可避免，这些原因都会引起 数据包丢失扣l ；如果新的数据包到来之前旧的还未传输的话，为了保证数据的实时 性，那么旧数据包也将丢失。对于一个闭环的控制系统而言要保证其稳定性就必 须减少数据包的丢失，或者使其丢失率控制在一定的范围之内。因此，寻求一个能 够保证系统稳定且满足相应性能指标的丢包率是n c s 必须要解决的问题之一。 数据包时序错乱是指由于网络控制系统中数据传输机制不同，从而使得源节点 发送的数据包到达目标节点的先后顺序错乱。时序错乱将导致数据传输率降低，间 4 华北电力大学硕士学位论文 接增加网络时延。 1 2 3 3 单包传输和多包传输 基于数据包传输的网络控制系统可以分为单包传输和多包传输【7 l 。单包传输是 网络控制系统中各节点待发数据被封装于一个数据包中进行传输；多包传输是指网 络控制系统中各节点待发数据被分成多个数据包，分时传输。网络控制系统采用单 包传输还是多包传输取决于网络协议和被控对象的实际情况。当一个节点待发送的 数据量较大，超过数据包容量限制时，必须采用多包传输。另外，当系统有多个传 感器和执行器，并且分布在一个很大的物理空间时，很难用一个数据包实现所有数 据的传输，这种情况也必须采用多包传输。 1 2 3 4 网络调度 网络调度是指确定网络节点发送数据的次序和发送时刻、时间间隔的控制规 则。这里所说的调度发生在网络用户层，或者传输层的上层，其目的是在有限带宽 下合理调度网络控制系统的业务数据，充分配置网络带宽以减小网络时延和数据包 丢失，确保系统预期的控制性能。目前，网络控制系统的调度方法主要包括基于优 先级设置的调度方法，基于节点发送时间间隔的调度方法以及基于死区的调度方法 等。选择不同的调度方法会对闭环系统的性能产生一定的影响【8 】。因此，网络调度 是系统设计需要考虑的重要问题之一。 1 2 3 5 其它问题 除上述基本问题外，控制系统各节点的工作模式、时钟同步、网络类型等问题 始终贯穿于整个n c s 的分析、设计以及实现过程中，这些问题将影响到上述基本问 题的特性，需要加以关注。这些问题将在下文中详细叙述。 1 3 网络控制系统的研究现状 n c s 的研究是当前控制领域的一个前沿课题，具有重要的理论意义和广阔的应 用前景。针对n c s 的研究开始于上世纪八十年代1 9 1 。九十年代，n c s 广泛应用于国 防、工业、经济管理等各项领域，掀起了n c s 的研究热潮。我国关于n c s 的研究开 始于上世纪九十年代末f c s 在工业控制领域的研究。目前，n c s 的研究主要集中于 网络控制系统建模、稳定性分析及设计、网络调度和应用研究等方面的问题。 1 3 1n c s 建模 文献 1 0 将网络时延分别在小于采样周期和大于采样周期的情况下讨论了系 统建模问题。文献 “ 讨论了在没有外部扰动的情况下具有数据包丢失的n c s 模型。 文献 1 2 和文献 1 3 针对m i m o 的网络控制系统，建立了系统时变离散时间模型。 5 华北电力大学硕士学位论文 文献 1 4 建立了输出动态反馈的具有分布时延的m i m o 时延网络控制系统的连续时 间模型。文献 1 5 给出了网络控制系统在随机时延的情况下的数学模型，同时研究 了零状态均方指数稳定性的充分条件。文献 1 6 针对多变量n c s 给出了非等差多时 滞模型。 1 3 2n c s 稳定性分析和设计 文献 1 7 2 3 将随机时延转化为确定性时延，然后利用确定性方法对n c s 进行 分析和控制器设计，改善系统性能，如文献 1 7 在时延大于和小于采样周期、单包 传输和多包传输丢包时，建立了广义n c s 的模型并给出了相关控制器的设计方法； 文献 1 8 分别给出了存在时延和丢包现象的n c s 稳定性条件，但并没有研究同时存 在时延和丢包的情况。文献 2 4 2 6 采用随机控制理论方法对系统进行了建模、分 析和设计。文献 2 7 给出了具有时延和丢包的n c s 的稳定性条件和状态反馈控制器 设计方法。文献 2 8 对于具有不确定时延的n c s 假设网络介入前系统渐进稳定，利 用l y a p u n o v 函数和l m i 工具箱，给出了系统稳定的最大允许时延的求解方法。文 献 2 9 给出了具有时延的网络化切换系统的稳定条件，并设计了一种新的观测器和 控制器。文献 3 0 针对网络控制系统中的不确定性研究了系统的鲁棒稳定性和鲁棒 控制器设计方法。 1 3 3 网络调度 网络控制系统作为一个包含网络和控制的整体，其性能不仅包括控制性能还包 括网络性能。n c s 的性能不仅依赖于控制算法的设计还依赖于网络资源的调度。合 适的网络协议可以保证网络服务质量( q o s ) ，良好的控制器性能可以保证控制的品 质( q o p ) 。文献 3 1 指出了在n c s 中网络通信协议和控制系统不应该分开设计，而 是应该协同考虑，该文献将c p u 调度中的r m 算法推广到网络调度中，并在数据包 传输可调度约束和n c s 稳定性约束下给出了使得相对传输误差最小的传输周期。文 献 3 2 给出了使n c s 稳定的最大诱导时延的求解方法，并提出了一种保证实时信息 传输实时性及偶发信息成功传输的调度方法，通过估计网络各节点所需带宽，确定 n c s 的采样周期。文献 3 3 研究了决定采样周期的调度算法，提出了时间窗的概念， 所设计的调度算法使得时延小于最大的允许值，消除数据拒绝和空采样，且提高了 网络资源的利用率。文献 3 4 给出了基于同一网络的多个闭环系统同时稳定的调度 算法，该算法基于网络应用层确定了各系统的采样周期及其信息传输的优先级。文 献 3 5 将线性系统的调度策略应用到非线性n c s ，研究了非线性n c s 的指数稳定性。 1 3 4n o s 应用研究 文献 3 6 将c o n t r o l n e t 和p r o f i b u s d p 两种现场总线网络模型分为物理传输 6 华北电力大学硕士学位论文 层、数据链路层和上层协议进行了横向比较。文献 3 7 研究了基于p r o f i b u s 现场 总线的p l c 系统的设计方法，给出了p r o f i b u s - d p 网络配置及程序设计方法。文献 3 8 研究了c a n 总线在多相多单元的永磁无刷直流电机控制系统中的应用，主要分 析了c a n 总线通信系统的建立、通信协议和通信可靠性等问题。文献 3 9 分析了 c o n t r o l n e t 的体系结构和协议分层及其采用的媒体访问控制机制。文献 4 0 给出了 c o n t r o l l o g i x 系统在实现多用户系统时间同步方面的解决办法，同时，这种方法对 于工业现场解决同类问题具有重要的作用。但是由于网络和通信技术的飞速发展， 网络控制系统不断面临着新的问题，使得在n c s 的研究方面明显存在着理论研究落 后于技术发展的问题。 1 4 本论文主要工作 本论文主要研究内容为具有时延的网络控制系统的建模、稳定性分析和控制器 设计。 1 首先介绍了本文的研究目的和意义， 2 分析时延产生的机理、原因和特点， 在不同驱动方式下网络控制系统性能； 阐述n c s 的基本问题和研究现状； 主要分析在不同网络环境下和各节点 3 把网络时延分为短时延和长时延分别建立具有不确定性的网络控制系统模 型，并利用l y a p u n o v 稳定性定理和l m i 工具箱设计使系统渐进稳定的日。控制器； 4 最后通过仿真实验证明控制器的有效性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章时延网络控制系统分析 从n c s 的发展过程看，不同公司推出的总线标准之间存在着实时特性和网络时 延特性的差异，而且广域网和互联网也开始应用于网络控制系统之中，这些原因给 网络时延特性分析带来了困难，另外在网络控制系统中，由于网络负载的特性不同 从而造成了网络时延特性也存在着差异。了解网络时延的特性以及网络数据传输策 略是进行网络控制系统稳定性分析和控制器设计的前提。 本章首先分析网络时延产生的机理、原因和特点，然后从网络控制系统中节点 采用不同的驱动方式，在不同网络环境下网络控制系统性能，并利用t r u e t i m e 工 具箱进行仿真研究，比较在以太网、控制网和c a n 总线三种典型的网络介质下，网 络控制系统节点采用不同驱动方式对系统性能的影响。 2 1 网络时延特性分析 从前文的叙述可知，n c s 中传感器、控制器、执行器和被控对象是通过闭合的 通信网络实现反馈控制的，数据在控制系统各部件之间通过网络进行交换。图2 1 给出了网络控制系统的结构图。 r 谳蕊一j 输弩正固倒 i； i ii 陌孺翮! 执行器h 茄蒙 传感器 输出y 图2 - 1 闭环n c s 结构图 根据数据传送方向，网络控制系统中主要有三种时延，即从传感器到控制器的 时延k ，从控制器到执行器的时延吃和控制器进行运算产生的时延l 。 ( 1 ) 从传感器到控制器的时延f 。：当传感器给控制器发送测量值时，就产生 该时延。在k 时刻可以表示为： t ：= t 譬一t i 式中，t 靠是控制器接收并开始处理输出信号时刻的时间常数； f “是被控对象输出信号发送时刻的时间常数； ( 2 ) 从控制器到执行器的时延吃：在控制器发送控制信号给执行器的过程中 即产生该时延。在k 时刻可以表示为： z 誊= t ：一t ： 8 华北电力大学硕士学位论文 式中，f 芦是远程被控系统开始处理控制信号时刻的时间常数； f ，是控制器运算完成发送控制信号时刻的时间常数。 另外，在网络控制系统中，控制器进行运算产生的时延t 总是存在，但是与r 。， f 。相比，它的数值和变化都很小，往往可以忽略不计。为了便于分析，在一些控制 算法中经常采用将控制器的计算时延t 和两个主要的网络时延乞、k 叠加在一起 的处理方法，即网络控制系统的总时延可以表达为： f = 吃+ + l = 吃+ 2 2 时序分析 在网络控制系统中，由于网络的介入使得系统中信息传输出现了新的特点，而 传感器、控制器和执行器作为网络上的节点的驱动方式也会对系统中信号的传输特 性与系统模型的建立带来影响 4 1 - 4 5 j 。 目前网络控制系统中节点有两种驱动方式：事件驱动( e v e n td r i v e n ) 和时间 驱动( c l o c kd r i v e n ) 。事件驱动是指系统节点在特定的事件发生时，节点才开始 处理相应的任务。而时间驱动方式是指系统节点在事先规定好的时间间隔进行工 作，即传统计算机控制系统中定时采样的工作模式。下面以传感器采用时间驱动方 式，执行器采用事件驱动方式，控制器分别采用时间驱动方式和事件驱动方式对这 两种驱动方式进行分析。 当控制器采用时间驱动方式时，控制器等周期采样，在采样时刻如果有新的传 感器信号到达时，它便利用该信号进行控制输出的计算，否则利用上一时刻得到的 传感器信号进行计算；执行器在控制信号到达时立刻利用该信号进行动作。其时序 图如图2 - 2 所示。 ，”、 、一、 、 、“ | 乙 茹、 i 。 1 i： i 图2 - 2 控制器采用时间驱动方式时网络时延时序图 在控制器采用事件驱动方式的情况下，传感器采样信号到达控制器时控制器立 刻进行计算，其时序图如2 - 3 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 对象状态 传感器 控制器 执行器 对象输入 。 、r 、k 、 厂、 、_ 一一 、 、 t l 、 n 、 i l r 7 li i z1u v 上1v 上，l ，- l 口 图2 3 控制器采用事件驱动方式时网络时延时序图 从上面的分析可知，事件驱动方式相对于时间驱动方式具有以下几个优点： ( 1 ) 控制器采用事件驱动方式，使得传感器发送的数据在到达控制器后立即 进行运算，从而避免了控制器为等待下一个采样时刻到来的时间，减少了网络诱导 时延； ( 2 ) 控制器采用事件驱动方式，避免了控制器在时间驱动方式下与传感器时 钟同步的问题； ( 3 ) 控制器采用事件驱动方式，提高了采样数据的利用率，同时也减少了无 效采样和数据丢失的现象。 但与此同时，事件驱动相对于时间驱动也有缺点：事件驱动带来了随机采样和 随机时延；事件驱动比较难实现，往往需要网络通讯协议的支持。而且由于分数时 延的引入，系统模型相对要复杂一些。因而并不能单纯的认为事件驱动就比时间驱 动方式效果好，在选择驱动方式时要综合各方面的因素来考虑。 2 3 控制网络简介 计算机网络通常被划分为控制网络和数据网络。数据网络在广域范围上使用数 据包和相对不是很频繁地猝发式传输来实现数据通信，利用较高的数据传输率传输 大量的数据包。但是相反，在控制网络上有大量的控制信号，它们频繁地来回于数 量相对较大的节点之间，以满足实时控制系统的实时性要求。把控制网络和数据网 络区分开的关键因素就是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，但是也不能非常严格地认为哪种网络是控制网络，哪种网络是数据 网络。 控制网络不同于一般的计算机网络，由于它自身的结构特点与工业生产对其要 求不同，决定了时延产生的机理不同。工业控制网络是工业企业综合自动化系统的 基础，现代制造系统的典型网络结构包含信息管理层、过程监控层和现场设备层【4 ， 如图2 - 4 所示。 1 0 ， 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4 现代制造系统典型网络结构 ( 1 ) 信息管理层网络：主要用于企业的计划、生产、销售、库存以及企业经 营等方面信息的传输，在该层网络上传输的信息一般都是非实时性的，并且数据包 较大，信息传输频率较低。数据通信的发起是随机的，没有规则的，数据吞吐量较 大，要求网络必须具有较大的带宽，因此该层主要由以太网组成。 ( 2 ) 过程监控层网络：主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库，进行 先进控制和优化计算，以及传输更新现场设备的工作配置信息或命令。该层网络上 传输的信息具有周期性、实时性，当传输的实时信息出现较大的时延或者丢失时则 会导致多个设备不能协调工作，该层网络一般由令牌网和以太网组成。 ( 3 ) 现场设备层网络：主要用于控制系统中大量现场设备之间的测量与控制 信息以及其它一些信息，比如故障信息、状态信息等的传输。传输的信息具有周期 性和实时性，数据长度较小但是传输频率比较高，对实时性和确定性要求较高，但 是对网络传输的吞吐量要求不高。当该层传输的信息出现时延或者丢失的现象时会 造成系统系能的降低，甚至使控制系统不稳定。该层网络一般由现场总线，比如c a n 总线组成。 上述这三层网络一般通过网关或者网桥相互连接，当三层采用同一网络时，在 信息管理层网络上传输的大数据包将会降低过程监控层网络和现场设备层网络的 效率，现场设备层网络上的数据频繁传输也可能会加大其它两层网络信息传输的延 迟。 根据控制网络时间延时特性，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1 4 6 1 。在随机网络上信息传输的时延时间是 随机的，有界网络的时延时间是有一确定性上界的，常值网络的时延时间是一定值。 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时延的特征。在工业实现上常用的m a c 层协议有 c s m a c d ( 载波侦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 3 和 i e e e 8 0 2 5 ) 和基于c a n 的协议。网络控制系统的实现可以选择不同类型的网络， 基于c s m a c d 、令牌和c a n 三种协议的代表有e t h e r n e t 、c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t ， 华北电力大学硕士学位论文 它们有各自的协议和应用范围，存在不同的优点和问题。 2 3 1e t h e r n e t e t h e r n e t 采用c s m a c d 作为媒体访问层协议来解决介质的冲突问题。c s m a c d 是网络上的节点在发送消息之前侦听网络，当有冲突时，则节点停止传输消息并等 待一段随机长度的时间在进行发送。根据二进制指数退避算法( b e b ) 可知传输时 延是不确定的。所以在e t h e r n e t 中，当节点需要发送信息时，它首先侦听网络， 如果网络处于空闲状态，则立即向网络发送信息。反之，则继续侦听，直到网络空 闲。当两个或两个以上节点同时检测到网络空闲，并同时向网络发送信息时，则这 些发送节点的信息产生冲突并导致发送中断。所以，节点一边发送数据一边检测冲 突，当检测到冲突后，立即停止传送，并等待一段随机长度的时间再重新发送。 c s m a c d 由于低介质访问，网络操作算法比较简单，在网络负载低时基本上没 有时延。和令牌总线或者令牌协议相比，增加和扩大访问网络不用增加通信带宽。 但是，以太网采用非竞争协议，而且不支持任何消息优先，在网络负载较大时，消 息的碰撞相当严重，很大程度上影响了数据的吞吐量，增加了时间延迟，延迟时间 可能是无界的，从而造成了以太网实际性能的降低。这样产生碰撞后，消息必然会 丢失，不能保证终端对终端的连续通信。以太网中一个节点传输消息时，不管其它 节点是否在等待访问介质，它都独自占用通信介质。由于最小帧长的限制，e t h e r n e t 发送很少的数据也要使用较大的数据包。 根据e t h e r n e t 用于控制存在的问题，研究人员提出了几种改进方案。一种是 对每条信息增加时间戳，但是这样需要进行时钟同步，而这对于ie t h e r n e t 是很困 难的。还有方案是采用确定的重发时延来避免网络冲突，从而使时延有界，但这是 以降低网络性能来换取的时延减小。其它一些方法有使用带有优先级的c s m a c d 改 进有实时性要求的数据包响应时间。通过划分网络结构，使用切换e t h e r n e t 是另 一种提高效率的方法。 2 3 2c o n t r oin e t c o n t r o l n e t 以及m a p 、p r o f i b u s 等很多网络控制系统都是典型的令牌总线或者 令牌环网。因为在发送一个消息帧之前最大的等待时间可以由令牌的循环时间获 得，所以它们都是确定性的网络，等待的时间取决于传输数据率、网络上的节点数、 数据包大小和最大令牌传输时间。 令牌总线( i e e e8 0 2 4 ) 网络上的节点被安排成一个逻辑环，每个节点在逻辑 环序列中指定一个逻辑位置，序列中的最后一个成员跟着第一个成员形成一个闭合 的逻辑环。在c o n t r o l n e t 中每个节点都知道它的前驱节点和后继节点。在网络操 作中，拥有令牌的节点发送数据帧，直到数据帧发送完毕或者令牌持续的时间结束， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 节点就会把令牌传递给它的逻辑上的后继节点。由于网络中在任意时刻只有收到令 牌的节点才能够发送数据，所以不会发生数据帧的冲突。协议规定了对每个节点访 问的最大时间，当持有令牌的节点停止发送，但是并没有将令牌传递给它的后继节 点时，则会重新产生令牌，使节点可以动态地加入总线或者退出逻辑队列。由于节 点收到令牌的过程是顺序依次进行的，每个节点都有公平的访问权。 c o n t r o l n e t 协议采用含蓄的令牌传递机制并分配唯一的m a ci d ( 从1 到9 9 ) 给每一个节点，获得令牌的节点才能发送数据。在网络上并没有真正的令牌在网上 传递，而是网上的每个节点侦听每个消息帧的源m a ci d 。在消息帧最后，每个节点 把隐含的令牌寄存器接收的源m a ci d + i 。所有节点的寄存器中值都是相同的，从而 避免了介质访问的冲突。如果令牌寄存器不等于节点自身的m a ci d ，那么这个节点 就不能发送数据。 在网络运作过程中，令牌总线能够动态地增加或移除节点。每个令牌循环时间 中预定时间和未预定时间部分使得c o n t r o l n e t 不仅适合传输由严格实时性要求的 数据，而且适合传输对实时性没有严格要求的数据。令牌总线协议是一个确定性协 议，可以估算出最大的通信时延，网络上的所有节点都知道消息的传输方向，保证 了较高的消息传输确定性，在网络负载高时吞吐力比较好。但是其对网络负载高低 不敏感，在网络负载较低时，在令牌传递上浪费了很多时间，使得系统性能大大降 低。 2 3 3d e vic e n e t 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。c a n ，即设备控制局域网， 由于其高性能、高可靠性及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。国外已经有 许多大公司的产品采用了这一技术。由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已 不再局限于汽车行业，c a n 已经形成了国际标准，被公认为几种最具前途的现场总 线之一。 c a n 是一个串口通信控制访问协议，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据 通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 总线上的节点没有地址，节点上的 信息都有一个特殊的优先级，网上的节点都可以在任意时刻主动向网络上的其它节 点发送消息。当节点传送消息时首先侦听网络，如果网络空闲，则节点开始发送消 息。但是如果有两个或多个节点同时发送消息时，就会发生碰撞，则对网络的访问 冲突要通过对每一帧的初始部分进行仲裁来处理。它采用非破坏性优先权逐位进行 仲裁，优先级低的节点会主动退出消息的发送，优先级最高的节点将不受影响继续 传递消息。这样大大节省了冲突的仲裁时间，缩短了高优先级消息发送的时延，当 网络负载很大时也不至于出现网络瘫痪的情况。而且如果消息的周期和发送时间是 1 3 华北电力大学硕士学位论文 已知的，那么任何两个设备之间的时间延迟也就是确定的而且是一常数。c a n 总线 上数据的发送和接收都是通过消息帧进行的，消息帧的发送是以发送标识符的最高 位开始的，消息都有唯一的标识符，网络中的其它节点是否接收收到的数据完全取 决于对配置的标识符的掩码的过滤情况。当两个节点同时向网络发送消息时，它们 首先把消息帧从标识符最高位开始向网络发送，然后侦听网络，当节点侦听到得位 数据和它发送的位数据不同时则停止发送，另一个节点在仲裁处理中占据优先位 置，继续发送消息。 c a n 协议是面向消息的，常用于短消息的发送和对有优先级的信息进行载波多 路侦听仲裁处理的介质访问。它采用短帧结构，传输时间短，信息传输出错率低， 高优先级消息的最大通信时延是可以估算的。但是和其它网络相比，c a n 总线的最 大缺点是数据传送率低，数据吞吐量有限。尽管它支持大于8 位的数据片段，但是 它也不适合大数据包的传输。 2 4m a ti a b t r u e ti m e 工具箱简介 t r u e t i m e 是由瑞典l u n d 工学院( l u n di n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y )