（控制理论与控制工程专业论文）基于时延补时偿算法的网络控制系统研究.pdf

摘要 摘要 网络控制系统是复杂控制系统和远程控制系统的客观需求，与传统的点对点的控制 系统相比，由于其易于扩展和维护、可靠性高和易于实现资源共享等优点，具有广泛的 应用前景，从而成为当今控制学界研究的热点。网络是一把双刃剑，在带来了诸多便利 的同时也带来了诸多问题，比如：网络时延、数据包丢失和网络调度等问题，这些问题 给控制系统的设计带来了很大的困难。本论文在分析网络控制系统的特点和国内外研究 现状的基础上，把网络时延问题作为主要的研究方向。 针对网络时延问题，本论文主要做了以下两个方面的工作： 1 时延估计。首先在大量实测时延的基础上，建立了网络时延的自适应a r 模型， 在兼顾预测精度和实时性的基础上，确定了模型的阶数，并利用最小均方算法根据新的 时延值在线调整模型的加权系数，通过建立的模型对时延进行预测。并通过仿真验证了 文中的算法对时延有很好预测效果。 2 时延补偿。在前面时延估计的基础上，针对网络时延的补偿问题，本文提出了以 下两种时延补偿算法： a 一种是改进的快速广义预测控制算法，避免了在线求解d i o p h a n t i n e 方程，减少了 计算时间，较好地保证了网络控制系统的实时性； b 另一种是根据时延落在不同区间的多模型切换控制算法，当时延小于一个采样周 期时，采用算法实时性较好的l q g 最优控制算法，当时延大于一个周期时，采用改进 的快速广义预测控制的算法。并通过仿真证明了该方法对网络时延具有很好的补偿效 果，且具有很好的实时性。 关键词：网络控制系统；网络时延；时延估计；切换控制 大连交通大学r 学硕十学位论文 a b s t r a c t n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi st h eo b j e c t i v er e q u i r e m e n t sf o rt h ec o m p l e xc o n t r o ls y s t e ma n d t h er e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，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 op o i n tc o n t r o ls y s t e m ，i th a s aw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sp r o s p e c t sb e c a u s eo fi t se a s yt oe x t e n da n dm a i n t a i na n de a s et o s h a r eo fr e s o u r c e sa n ds oo n ，a n dt h u sb e c o m et h eh o ts p o t so ft h er e s e a r c ho fc o n t r o lt h e o r y n e t w o r ki sad o u b l e e d g e ds w o r d ，w h i c hm i g h tl e a d sal o to fc o n v e n i e n c ea l s ob r i n g sm a n y p r o b l e m s ，s u c ha s ：n e t w o r kt i m ed e l a y s ，p a c k e tl o s sa n dn e t w o r ks c h e d u l i n ga n d s oo n t h e s e p r o b l e m sm a k eg r e a td i f f i c u l t i e st ot h ed e s i g no fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r ，b a s e d o nt h ea n a l y s i so fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e s e a r c hs t a t u so fh o m e a n da b r o a d ，t h ei s s u eo fn e t w o r kt i m ed e l a y si st h em a j o rr e s e a r c hd i r e c t i o no fm yp a p e r f o rt h ei s s u eo fn e t w o r kt i m ed e l a y s ，t h i st h e s i sm a d et h ew o r ko ft w oa s p e c t sa s f o l l o w i n g ： 1 t i m e - d e l a ye s t i m a t i o n f i r s t ，al a r g en u m b e ro fm e a s u r e dt i m ed e l a y ，b a s e do nt h e e s t a b l i s h m e n to fan e t w o r kd e l a ya d a p t i v ea rm o d e l ，i nb o t hp r e d i c t i o na c c u r a c ya n d r e a l - t i m eb a s i s ，t od e t e r m i n et h eo r d e ro ft h em o d e l ，a n du s et h el e a s tm e a ns q u a r ea l g o r i t h m b a s e do nt h en e wd e l a yv a l u e - l i n e a d j u s t m e n to ft h em o d e lw e i g h t i n gc o e f f i c i e n t , b y e s t a b l i s h i n gam o d e lt op r e d i c td e l a y t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h et i m ed e l a ye s t i m a t i o n a l g o r i t h mi nt h i sp a p e rh a v e ag o o dp r e d i c t i o no ft h ed e l a ye f f e c t 2 t h et i m ed e l a yc o m p e n s a t i o n b a s e do nt h ea b o v et i m e d e l a ye s t i m a t i o n ，f o rt h ei s s u e o fc o m p e n s a t i o nf o rn e t w o r kd e l a y ，t h i sp a p e rp r e s e n t st w ok i n d so ft i m e d e l a yc o m p e n s a t i o n a l g o r i t h ma sf o l l o w i n g ： a a ni m p r o v e df a s tg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，t oa v o i dt h eo n - l i n es o l v i n g d i o p h a n t i n ee q u a t i o n s ，r e d u c i n gt h ec o m p u t a t i o nt i m e ，a n dt ob e t t e re n s u r et h er e a lt i m eo f n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m b p r e s e n t sad i f f e r e n tr a n g ef a l l su n d e rt h et i m e d e l a ym u l t i - m o d e ls w i t c h i n gc o n t r o l s t r a t e g y ，w h e nt h et i m e d e l a yi sl e s st h a nas a m p l i n gp e r i o d ，u s i n gt h el q go p t i m a lc o n t r o l a l g o r i t h mb e c a u s eo fb e t t e rr e a l - t i m e ；w h e nt h et i m e d e l a yi sg r e a t e rt h a no n es a m p l i n gp e r i o d ， a d o p tt ot h ei m p r o v e df a s tg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m s a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o wt h a tt h em e t h o dh a sag o o dc o m p e n s a t i o ne f f e c to nt h et i m e d e l a ya n dh a sag o o d r e a l t i m e k e y w o r d s - n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ；n e t w o r kt i m e - d e l a y ；t i m e - d e l a ye s t i m a t i o n ； s w i t c hc o n t r o l 大连交通大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：列多硼 日期：卅年t 月ff 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通盍堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整交通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：翻、皿译a 日期：卅年f 月f7 r 日 导师签名： 日期：1 学位论文作者毕业后去向：罾也 工作单位：k 彦钆逼善车始4 会有海象司电话： 通讯地址：邮编： 电子信箱： 纵绸 1 日 第一章绪论 1 1 网络控制系统的研究背景 第一章绪论 1 1 1 网络控制系统的定义 计算机从它诞生那天起，便开始应用于工业控制领域，它使模拟控制逐渐向数字量 控制转移，大大提高了控制系统可靠性和精确性。近年来，计算机技术使用越来越为广 泛，网络技术也在不断地发展，随之而来的是控制系统的结构不断地发生变化。计算机 应用于控制系统，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己开始步入网络控制时代1 1 l 。 “网络控制系统 这个名词最早于2 0 世纪9 0 年代出现在美国马里兰大学g r e g o r y c w a l s h 的论著中，但未给出明确的定义。清华大学的顾洪军给出了明确的定义1 2 j ：网 络控制系统m c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) ，又称为网络化的控制系统，即在网络环境 下实现的控制系统。是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。图1 1 是典型的网络控制系统的结构图。 图1 1 网络控制系统的结构 f i 9 1 1t h es t r u c t u r eo fn c s 1 1 2 网络控制系统产生的背景 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 大连交通大学t 学硕十学位论文 机直接数字控制系统( d d c ) ，采用数字式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1 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 模拟信号。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1 5 j 。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 ) t d c 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 6 1 。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 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 2 第一章绪论 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 t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p n e t 、基金会总线( f f ) 、w o r l d f i p 、h a r t 、c a n 等【7 l 。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己 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己经 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1 8 j 。 1 2 网络控制系统的特点和选题意义 1 2 1 网络控制系统的优点 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与传统控制系统相比，具有以下优点1 9 1 ： 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 功能模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； 3 大连交通大学1 ：学硕十学位论文 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 在底层控制仪表间的应用，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。 总之，网络控制系统与传统的控制系统相比，具有结构简单、连线少、适应能力强、 成本和能耗较低、可靠性高，而且资源可以共享，便于安装和维护，在设计和扩展方面 具有很高的灵活性等优点。另外，使用无线网络技术还可以实现使用大量广泛分散的廉 价传感器与远距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的控制系统，这是点对点结构的 控制系统所无法实现的。 1 2 2 网络控制系统的基本问题 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 通信网络的选择 网络控制系统首当其冲的就是通信网络选择问题，在网络控制系统中，通信网络是 控制系统的“中枢神经 ，是系统中传感器、执行器和控制器等各节点所共享的公共网 络。这一公共网络可以是有线网络、无线网络或混合网络。例如，可以是i n t e m e t 、无 线局域网、传感器网络、工业以太网、现场总线或以太网与现场总线的结合等。目前以 下三种类型总线比较具有代表性：具有载波多路侦听冲突检钡w j ( c s m a c d ) 的以太网 ( e t h e m e t ) 、令牌传输总线的控制网( c o n t r o l n e t ) 、控制器局域总线( 的设备网 ( d e v i c e n e t ) 。在这三种网络类型中，e t h e m e t 是优先的选择。因为e t h e m e t 是目前世界 上应用最为广泛的计算机通信技术，世界上8 0 以上的网络是e t h e r n e t ，所以在网络控 制系统中采用e t h e m e t 作为控制总线将保证技术上的可持续发展并在技术升级方面无需 独自的研究投入这一点是任何现有的现场总线技术无法比拟的。同时，随着机器人技术、 智能技术的发展、远程控制的设备越来越多，控制信息不仅包含大量的数据，而且还要 传递声音和视频信号，都要求通信网络有更高的带宽，更好的性能，通信协议有更高的 灵活性，这些要求e t h e m e t 都能很好地满足。由于千兆的快速e t h e r n e t 的核心协议与传 4 第一章绪论 统e t h e r n e t 相比没有什么变化，快速e t h e r n e t 可以很容易地介入传统e t h e r n e t 的原有环 境中。在局域网主干网带宽需求急增的情况下，快速e t h e m e t 以其易于掌握和管理、升 级费用相对便宜等优势得到了快速发展。目前e t h e r n e t 的上层网络协议基本是基于 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议网际协议) 。由于 智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低、功能越来越强大，应用t c p i p 协议的 e t h e r n e t 可满足控制系统各个层次的要求，使e t h e r n e t 贯穿于控制系统的各个层次，实 现现场设备到管理层的直接通讯，最终实现企业的控制、管理信息的无缝集成。但在工 业e t h e r n e t 中，目前尚无统一标准的应用层协议，采用t c p i p 协议的e t h e r n e t 自动化产 品厂商都有自己专用的应用层，这使连接到同一控制系统的e t h e m e t 的不同厂商设备不 能互操作，所以目前多个组织正在为工业控制领域的t c p i p 定义公共的应用层协议， 其中之一是控制和信息协议c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 国外对e t h e r n e t 作为控制总线的研究己从理论阶段过渡到开发阶段。美国o p t 0 2 2 公司采用嵌入式i n t e r n e t 技术，研发了以太网加系统( s n a p i 0 ) 。目前s n a p i 0 已成功 应用于工业过程控制、路桥收费系统监控、输油管线的监控等工程。国内在这方面正处 于初级阶段，其发展是智能技术下移到设备，大量的嵌入式设备连接到网络上，并通过 网络相互通信、自动操作。因此，根据以上现状的分析和未来的展望，本文的研究背景 是基于t c p i p 协议的e t h e r n e t 。 2 节点的驱动方式 在网络控制系统中，节点的驱动方式是指传感器节点、控制器节点和执行器节点的 启动方式。目前的有两种驱动方式：时钟驱动( t d ，t i m e d r i v e n ) 和事件驱动( e d ， e v e n t d r i v e n ) 。所谓时间驱动的工作方式，是指节点在采样时钟的作用下定时从等待 队列中取得采样信号，然后发送；而事件驱动是指信号到达节点，节点立即被激活，对 数据进行处理和发送，即“信号到达 这个事件“驱动”节点执行相应的动作，因此叫 事件驱动工作方式。网络控制系统中的传感器一般采用时间驱动的工作方式，传感器的 时钟即为系统的采样时钟，而控制器和执行器可以是事件驱动，也可以是时间驱动。 控制器或执行器采用事件驱动，有显而易见的优点：一方面减少了等待采样时刻的 等待时间，在一定程度上减少了网络时延；另一方面也避免了时钟驱动时节点问时钟同 步的困难、空采样和数据丢失等问题。但事件驱动不易实现，因而实际应用中支持事件 驱动的控制网络较少，目前支持的网络有：支持c s m a 协议的网络如e t h e r n e t 、c a n 和l o n w o r k s l l 0 1 。 3 网络诱导时延 网络中的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而网络的承载能力和 5 大连交通火学+ 1 ：学硕 学t 证论文 通信带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，这使得信息在传输过程中不 可避免地存在时延。由于网络的介入而使得控制系统的信息在传输时产生的时延，称之 为网络诱导时延( n e t w o r k i n d u c e dd e l a y ) 。网络诱导时延由于受到网络所采用的通信协 议、网络当时的负荷状况、网络的传输速率和信息包的大小等诸多因素的影响，而呈现 出或固定或随机、或有界或无界的特征。 定义1 1 ：n c s 中，将传感器采样到数据的时刻起至该数据开始被控制器处理的这 段时间称为传感器到控制器时延r 。跖。 定义1 2 ：n c s 中，将控制器产生控制信号的时刻起至该控制信号使执行器产生相 应动作的这段时间，称为控制器到执行器时延f 。“1 1 1 】。 控制器的执行时间称为运算时延，但这种时延在处理器不够快时表现很明显，可以 将运算时延归结到吒“中来考虑。 h a l e v i l l 2 j 给出了将分布式网络时延气”和气“汇总为单一时延的命题，即 z 。i m t - t - k ”+ z 。“。在大多数情况下，网络诱导时延是时变不确定的，它可能大于一个采样 周期，也可能小于一个采样周期。根据的l 上界与采样周期h 的关系，引入下列定义【1 3 】： 定义1 3 若网络诱导时延吒在区间1 0 ，a 】内分布，且as h ，则称这样的网络诱导时 延为短时延。 定义1 4 若网络诱导时延吼在区间【o ，a 】内分布，且a h ，则称这样的网络诱导时 延为长时延。 从上面的定义可以看出，对于长时延的情况，在某些时段内也可能出现时延小于一 个采样周期的情形。网络诱导时延的存在给网络控制系统的稳定性带来很大的影响，和 长期以来控制界研究的时延系统一样，网络控制系统中的时延将大大降低控制系统性 能，例如上升时间增大、超调量增大、稳定时间变长等，更严重的情况会使控制系统不 稳定。即使系统仍然保持稳定，稳定区域也会显著减小。所以，在网络控制系统的建模 和控制器设计问题中，以及在网络调度和网络传输协议设计问题的研究中，如何处理网 络诱导时延的问题都是非常基本和重要的问题。 4 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 td r o p o u t ) 现象。 根据产生的机理，数据包丢失可分为两种情况：一种是因传输信道由系统中各节点 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 6 第一章绪论 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多，相 应的网络节点的发送任务也增重，因此数据碰撞、网络拥塞和节点失败发生的可能性也 增大，导致通信链路中断，造成数据包丢失。尽管大多数通信协议有重发机制，但超过 一定时间未到达的数据包将被丢弃。另一种是在实时控制系统中，特别是高速运动控制 系统对数据包传输的实时性要求很高，延迟几毫秒的数据包往往已不具有实时控制的意 义，因此往往是将一定时间未到达的数据包主动丢弃，直接发送新数据，以保证信号的 及时更新和采样数据的有效性。 一般网络控制系统对数据丢包会有一定的容忍裕度，但丢包率过大将使系统性能和 稳定性下降【1 4 l ，因此数据丢包问题亦是网络控制系统研究的重要方向。 5 网络带宽分配和调度问题 在网络控制系统中，参与实时控制的现场设备间交互的是实时数据，管理层与现场 设备、管理层与管理层之间交互的是非实时数据。实时数据直接关系到网络控制系统的 性能优劣和稳定与否，因此对时间的要求很苛刻。由于实时数据中仅包含系统的有效控 制信息，因此数据包长度一般较短，对网络带宽的占用率较低，且数据的传输往往表现 出一定的周期性。非实时数据，如用户编程数据、组态数据等，对时间要求不高，允许 有较长的时延，但是这类数据往往长度较长且不定，会在某些时刻，如用户将组态数据 下载到设备时，对网络带宽占用很高，甚至导致其它节点无法访问网络。实时数据和非 实时数据在控制网络中传输有如下特点： a 实时数据发送的时间往往是周期性的，大致上由系统的采样周期决定；非实时数 据发送的时间往往是不确定的； b 实时数据的数据包大小基本一定，在网络上的传输时间可以根据网络传输率估算； 非实时数据的数据包大小不定，在网络上的传输时间也不定； c 实时数据对网络的占用往往不会对非实时数据产生很大的影响，但是非实时数据 在网络上的传输有可能直接导致现场设备一段时间内无法发送实时数据，会严重影响系 统的性能和稳定性。 因此，在网络控制系统中，如何协调实时数据和非实时数据对网络资源的占用，如 何避免非实时数据的传输对实时数据的传输产生过大影响，也是一个重要的问题。 6 采样周期的选择问题 对于一般的计算机控制系统，采样周期越小，系统的反馈越及时，控制性能就越好。 由于这种系统的信号传输线采用的是模拟电缆，传输信号为4 2 0 m a ，设备之间都采用 点对点的连接方式，且数据量有限，无需考虑传输带宽，可视为无时延传输信道。而网 7 大连交通入学t 学颁十学f f 7 ：论文 络控制系统采用公共的数字串行链路作为通信信道，带宽有限，因此选用的采样周期越 小，所需的网络带宽就越大。若采样频率过高，设备节点单位时间需要发送的数据量变 得很大，网络带宽若不能满足如此之大的负荷，就会发生网络拥塞和大量丢包，严重影 响网络控制系统的性能和稳定性。网络控制系统中，采样周期选择必须兼顾系统控制性 能和网络负荷，不能为了过分追求良好的控制性能而加重网络的负担，也不能为了避免 网络性能下降而牺牲系统控制性能。因此，网络控制系统采样周期的选择问题是控制性 能与网络负荷间的权衡和折衷。通过对连续控制系统、离散控制系统和网络控制系统在 不同采样率条件下的系统性能进行了比较，得到了图1 2 的结果。由图可知，选择一个 合适的采样率对网络控制系统的性能有重要影响。如果采用确定的控制策略，图中差、 优、可接受和不可接受区域可以由控制系统的特性来确定【1 5 j 。 图1 2 不同采样率下各系统的性能比较 f i g1 2t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r e da m o n gv a r i o u ss y s t e m sb a s e do i ld i f f e r e n ts a m p l i n gr a t e 对于连续控制系统，由于不存在实际意义上的采样过程，所以对采用一个特定采样 策略的系统来讲，它的性能都是固定的，这是离散控制不能比拟的。 对于一般离散控制系统，假定没有其它不确定因素，那么它的控制性能唯一决定于 所采用的采样频率，图1 2 中a 点对应的采样间隔p a 由该控制系统所采用的采样频率 和离散系统稳定性条件确定。 8 差t雌ij 第一章绪论 对于网络控制系统，由图中可知，b 点出现在a 点右侧，这是由网络诱导时延造成 的。过了b 点，采样频率增大，n c s 和一般离散控制系统一样，性能变好，但当采样 频率继续增大后，网络的传输负荷开始变大，引起网络竞争的耗时增加和数据丢失的可 能性增大，从而降低网络性能，这是c 点产生的原因。 7 稳定性问题 由于网络时延和丢包等问题的存在，原有计算机控制系统的稳定并不能代表网络控 制系统的稳定，因此在分析网络控制系统的稳定性时，不能忽略网络的影响，应将网络 也纳入考虑范围【1 6 1 。由于离线分析稳定的系统，当网络作为传输信道介入时，则有可能 成为不稳定系统；同样也不能只根据网络的稳定与否来判断整个系统的稳定性，离线稳 定的系统，在网络环境较恶劣情况下仍有可能继续保持稳定。因此分析网络控制系统的 稳定性要兼顾系统和网络。 8 单包传输和多包传输问题 单包传输问题是指传感器等系统部件的待发送数据被封装在一个数据包中同时发 送。包交换网络中的帧的大小是有限制的。多包传输问题是指传感器等系统部件的待发 送数据分成多数据包，分时发送，因此他们不能同时到达控制器或执行器。进行多包传 送的原因之一是在包分网络中，由于数据包大小的限制，在一个数据包中只能携带有限 的信息。这样，大的数据必须拆成多个数据包才能传送。原因之二是网络中传感器和执 行器分布在一个大的物理区域中，不可能将他们整合到一个数据包中进行传送。 不同的网络适合于不同类型数据的传送。以太网，本来设计用来传输数据文件，能 在一个数据帧中传送长达1 5 0 0 字节的信息，所以它将传感器数据打包在一帧中传送时 非常有效。而c a n 其特点是传送较小的控制数据，它1 帧最多能传送8 字节的数据， 因此，传感器数据在c a n 上通常分成多包传送。这并不是说信息帧越长越好，而是不 同的网络有其不同的用途，以太网适用于传送文件类数据；而像c a n 这类控制网络则 特别适用于传送控制数据。 通过上面的分析，网络控制系统存在的问题各种各样，包含控制、网络和通信的各 个领域，其中时延和丢包问题是其最有代表性的两个方面，丢包在保证一定丢包率的前 提下某种意义上可以是认为是无穷大的时延，因此在某种意义上丢包也可以涵盖在时延 问题的范畴内，因此，时延问题将成为我课题的主要研究方向。 1 3 网络控制系统的研究现状 自从“n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”被提出，并被作为一个系统研究以来已经取得了一 系列的研究成果。网络控制系统作为控制和网络的交叉学科涉及的内容相当广泛，其研 9 人连交通大学i ：学硕十学位论文 究的领域同时包含了连续域和离散域；网络控制系统的对象包含了线性定常、线性时变 和非线性的对象；系统的分析和设计方法有基于确定性控制的方法，基于随机控制理论 的方法，基于鲁棒控制的方法以及基于离散事件系统、混合系统的方法等。 目前主要有两类设计网络控制系统的方法：第一类将网络与通信协议认为是已知条 件，考虑网络诱导时延、数据包丢失等因素，研究基于时延微分方程( 差分方程) 描述的 系统的控制策略设计。目的是在已有的网络条件下，设计相应的控制器以保证系统的控 制性能和稳定性。第二类设计方法的重点是网络拓扑和协议的改进，网络调度算法的优 化，网络设备的改进等，从而提高网络的传输确定性和可靠性，保证信号传输的实时性， 使控制系统能够达到所要求的稳定性和性能要求。另外，现在也出现了两条基本研究途 径互相交叉，调度与控制协同设计的趋势。 基于前面的分析，网络控制系统的研究是一个跨学科的综合问题，面面俱到是不可 能的，我将结合自己专业，在控制领域针对网络时延问题做出分析研究，下面侧重网络 时延方面对网络控制系统的研究现状予以介绍。 1 3 1 时延的特性分析及时延估计 网络时延的随机性、不确定性给网络控制系统的分析和设计带来了很多困难，如果 能够对网络时延的特性做出分析，给够在设计控制器之前就估计出时延的大小，这将大 大方便网络控制系统的建模以及控制器的设计，在网络时延的特性分析和估计算法方面 很多学者做了大量的工作，简述如下： 在时延特性分析及时延测试方面：邬春学等【r 7 l 详细分析的n c s 中端到端时延的组 成，分析了时延产生主要区域，并指出时延与数据包的关系。杨丽曼等( 1 8 j ，给出了回路 时延和网络时延的界定，指出了网络负载是产生时延和时延抖动的直接原因。n i l s s o n l l 9 j 对网络时延进行了测量，对其建立了马尔可夫链模型，并利用此模型研究了n c s 的分 析设计方法，但此结论是在实时内核编程、以太网独立于外部网络基础上获得的。王庆 鹏等【2 0 j 指出网络时延具有时变、跳动和数据丢失等特点。而彭刚等也对网络时延进行了 测试和分析，指出网络时延具有一定的周期性【2 。 在时延估计算法方面：王庆鹏等【2 0 1 提出了一种网络延时预测算法：加权平均算法， 此算法能够简单地预测网络延时。魏震掣2 2 】提出了一种平均时延窗口法，通过事先设定 网络的优先级，使得吼”和t “有相同的分布来估计时延。司风琪等瞄】提出了一种基于 神经网络的方法来对时延进行估计对时延进行估计。王永骥等【2 4 j 提出了出了一种基于支 持向量机的方法来预测网络时延。 1 0 第一章绪论 1 3 2 网络时延补偿算法 网络中诱导时延是网络控制系统的有待解决的主要问题。就单输入单输出的网络 控制系统的时延问题来说，大致可以分为以下两类： 1 改变时延以方便控制算法的设计 a 把时延转化为最大延迟。于之训【2 5 l 等人针对网络诱导时延提出了基于观测器的 分布延迟补偿器。在该补偿器算法中，首先在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区， 将时变的传输延迟转化为固定的传输时延。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，不受延迟特性变化的影响；其缺点是将所有 延迟都转化为最大延迟，人为的将传输延迟扩大化，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，有时也会使 所得闭环控制系统不稳定。 b 假设网络诱导时延符合某种统计规律，在己知时延统计规律的情况下，借助随 机控制理论分析与设计网络控制系统。n i l s s o n l 2 6 , 1 9 】假定传感器采用时间驱动，控制器和 执行器采用事件驱动的工作方式，并且假定时延的概率分布己知，且网络诱导时延小于 一个采样周期，然后利用m a r k o v 链对时延的概率分布的调节进行了建模，给出了闭环 网络系统的l q g 随机最优控制律，该控制律满足确定性等价原理。文献1 2 7 l 对独立随机 时延和具有m a r k o v 特性的时延条件下的l q g 问题作了研究，给出了在不同时延特性下 的l q g 最优控制器和闭环系统均方稳定性的条件，文中推导的最优控制器适用分离定 理，并且假定传输时延小于一个采样周期，文中同时强调了时间戳( t i m es t a m p ) 的重要 性。值得提出的是，在该文中应用m a r k o v 链对存在超时的系统进行了建模，并举例说 明了在某些条件下超时能使系统的性能提高，但是没有对设计的控制器性质进行研究。 c 时延被处理为时变、有界量，这种界定比较贴近网络诱导时延的真实分布状况。 于之训【冽等给出了上述假定下各自的控制策略和方法的设计方案。 2 采用先进的控制算法来补偿随机时延问题 a 预测控制方法。目前三种最有影响的预测控制方法是动态矩阵控制( d m c , d y n a m i cm a t r i xc o n t r 0 1 ) 、模型算法控制( m a c ，m o d e la l g o r i t h m i cc o n t r 0 1 ) 和广义预 测控制( g p c ，g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 。d m c 和m a c 均适用于渐近稳定的线性 过程，且算法简单、计算量小、鲁棒性较强。g p c 是一种基于参数模型的算法，是在自 适应控制的研究中发展起来的预测控制算法。它的预测模型采用受控自回归积分滑动平 均模型( c a r i m a ，c o n t r o l l e da u t o r e g r e s s i v ei n t e g r a t e dm o v i n ga v e r a g e ) ，克服了阶跃 响应模型、脉冲响应模型不能描述不稳定过程和难以在线辨识的缺点。g p c 保持最小方 差自校正控制器的模型预测，在优化中引入了多步预测的思想，抗负载扰动、随机噪声、 大迓交通人学p 硕 ：学位论文 时延变化等能力显著提高，并具有许多可以改变各种控制性能的调整参数。它不仅能用 于开环稳定的最小相位系统，而且可用于非最小相位系统、不稳定系统和时滞、变结构 系统。但是它是基于系统的数学模型，要求被控对象的数学模型非常精确，由于网络时 延的存在，随着预测长度增加，误差也会越来越大。为了克服此缺点，王冬青以网络控 制系统为研究对象，针对网络控制系统具有不确定时延的特性，用b p 网络建立了一个 误差的预测模型1 2 9 j ，结合基于参数模型预测的预测值，构成了一个广义预测控制算法，