（控制理论与控制工程专业论文）时延网络控制系统的鲁棒控制研究.pdf

i j ： j ， 。 ， at h e s i si nc 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 lliii。ll14i111i。ll17lll311 r o b u s tc 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 sw i t ht i m e d e l a y b yc h e nf u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rg ud e y i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 ，(由一， 一 、 n 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 恧。 学位论文作者签名：了奇、露 日期： 泐7 、7 7 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半阻两年口 学位论文作者签名： 1 夺寓 导师签名：学位论文作者签名： e 锌7 为 导师签名： 签字日期：签字日期： 励膨 叫、- 7 - i i t 毒 一 一 0 、 东北大学硕士学位论文摘要 时延网络控制系统的鲁棒控制研究 摘要 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 ，简称n c s ) ，即网络化的控制系统，是 计算机技术、通信技术与控制技术发展的产物。网络控制系统体现了控制系统向网络化、 集成化、分布化的发展趋势，与传统控制系统相比具有非常大的优越性。由于控制同路 中引入了网络，网络控制系统的研究面临一些新问题。 鲁棒控制( r o b u s tc o n t r 0 1 ) 方面的研究始于2 0 世纪5 0 年代，一直以来都是国际自 控界的研究热点。大多数系统存在结构或者参数的不确定性，用精确数学模型对系统的 分析结果或设计出来的控制器常常不满足工程要求。近些年来，人们对不确定系统展开 了鲁棒控制问题的研究，取得了一系列研究成果。 本文针对n c s 中的网络诱导时延问题，设计并搭建了基于p i 的f i b u s 总线的网络 控制系统研究平台。对于网络诱导时延问题，首先分析了p r o f i b u s 总线协议，并由 p r o f i b u s 总线的数据链路层、令牌循环等方面研究了p r o f i b u s 网络的时间延迟问 题，给出了总线信息循环时间的计算公式。 然后，总结了网络诱导时延的组成，在假设控制器节点与执行器节点的工作方式均 是时间驱动模式的前提下，建立了闭环系统的数学模型。根据建立的系统数学模型设计 了具有网络诱导时延的n c s 的h 。状态反馈控制器。针对一个典型算例，利用l m i 工具 得到了n c s 的状态反馈控制器。 考虑具体的n c s 研究平台，利用设计的控制器，运用m a t l a b 数学工具对具有网络 诱导时延的n c s 进行了理论仿真研究。结果证明了所提控制方法是有效的，控制效果 是良好的。 关键词：网络控制系统；时延；鲁棒控制；p r o f i b u s 总线：t r u e t i m e 工具箱 - - - i l l - - - 东北大学硕士学位论文 摘要 一i v 东北大学硕士学位论文a b s 仃a c t r o b u s tc 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 sw i t ht i m ed e l a y a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( a b b r e v i a t e dt on c s ) ，n a m e l y , i ti st h er e s u l to f d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i ti n d i c a t e st h a t c o n t r o l s y s t e mt e n d st ob en e t w o r k e d ，i n t e g r a t e da n dd i s t r i b u t e d ，a n di th a su n p a r a l l e l e d s u p e r i o r i t yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m w i t hn e t w o r ki ni t ，t h e r ea les o m en e w q u e s t i o n so nn c s r e s e a r c h r o b u s tc o n t r o lw h i c hb e g a ni n19 5 0 sh a sa l w a y sb e e nh o ts p o t so fi n t e r n a t i o n a l c o n t r o l l e ds t u d i e s t h e r ea r em a n yu n c e r t a i n t ys y s t e ms t r u c t u r e so rp a r a m e t e r si nm o s to f s y s t e m s t h er e s u l t so fu s i n gp r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lt oa n a l y s i st h es y s t e m ，o rt h e c o n t r o l l e ro fd e s i g n i n g ，d on o tm e e te n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l es t a r t e d t ou n c e r t a i ns y s t e m sr o b u s tc o n t r o lp r o b l e m s ，a n dm a d eas e r i e so fr e s e a r c hr e s u l t s i nt h i s p a p e r , c o n s i d e r i n gn c si n d u c e dd e l a y , an c sp l a t f o r mi sd e s i g n e da n db u i l t b a s e do np r o f i b u sb u s f o rn e t w o r ki n d u c e dd e l a y , t h ep r o f i b u sb u sp r o t o c o li s a n a l y z e d ，p r o f i b u sd a t al i n kl a y e ra n dt o k e nc i r c u l a t i o na r ea n a l y z e d ，t o o t h et i m e d e l a yp r o b l e mo ft h ep r o f i b u sn e t w o r ki ss t u d i e d ，a n db u sc y c l et i m ec a l c u l a t i o nf o r m u l a i sg i v e n t h e n ，t h ec o m p o s i t i o no fn e t w o r ki n d u c e dd e l a yi ss u m m e du p i nt h ea s s u m p t i o nt h a t t h ec o n t r o l l e rn o d ea n da c t u a t o rn o d ei st i m et ow o r ku n d e rt h ep r e m i s ed r i v e nm o d e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec l o s e d l o o ps y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，t h eh 。s t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l e ro fn c sw i t hn e t w o r ki n d u c e dd e l a yi sd e s i g n e d c o n s i d e r i n ga ne x a m p l e ，t h es t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l e ro f n c si sg o t t e nb yu s i n gl m i c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i cn c sp l a t f o r m ，u s i n gt h ec o n t r o l l e rd e s i g n e d ，a n du s i n gt h e m a t l a b ，t h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o no ft h en c sw i t hn e t w o r ki n d u c e dd e l a yi sd o n e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em e t h o dp r o p o s e di se f f e c t i v e ，a n dt h ee f f e c ti sg o o d k e y w o r d s ：n c s ；t i m ed e l a y ；r o b u s tc o n t r o l ；p r o f i b u s ；t r u e t i m et o o l b o x v 一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 一一 ， 一 一 _ 囊 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 网络控制系统的发展1 1 1 2 课题研究的意义3 1 2 网络诱导时延问题4 1 3 鲁棒控制理论的现状5 1 4 网络控制系统研究平台6 1 5 本文的主要内容8 第2 章网络控制系统的网络时延9 2 1 现场总线控制系统9 2 2p r o f i b u s 总线协议分析1 1 2 2 1p r o f i b u s 的组成一1 1 2 2 2p r o f i b u s 协议分析1 4 2 3p r o f i b u s 网络的时间延迟分析1 8 第3 章网络控制系统的控制器设计2 5 3 1 网络诱导时延分析2 5 3 2 网络控制系统数学建模2 6 3 3 网络控制系统的h 。控制器设计。2 9 3 4l m i 工具箱3 5 3 5 数值算例3 6 第4 章网络控制系统的仿真研究4 l 4 1t r u e t i m e l 5 工具箱4 l 4 2 网络控制系统仿真环境4 2 4 3 仿真结果4 4 第5 章总结与展望4 7 一v i i 东北大学硕士学位论文 目录 5 1 总结。4 7 5 2 展望。4 7 参考文献4 9 致谢5 3 一v i l i 一 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 网络控制系统的发展 控制论的创始人维纳认为控制与通信、人与机器的交互是控制论的主题。历经半个 多世纪，控制科学、通信科学以及计算机科学都有了巨大的发展，而且这些学科以及数 学等学科是在交叉、渗透中发展的。因此，控制与网络的交叉历来是学科发展的一个焦 点，随着网络技术与计算机技术的飞速发展，它将面临一个新的生长期。 二十世纪八十年代，在计算机控制系统中占主导地位的是直接数字控制系统。中期 以后，控制系统己经向着c i m s c i p s ( 计算机集成制造系统计算机集成过程控制系统) 方向发展，实现生产管理的全局优化，最大限度地提高生产力。工业控制系统作为c i m s 系统的重要组成部分，随着企业管理模式的不断变化而得到发展，而工业控制仪器、仪 表已经从模拟量向数字量，由单台独立工作向多台网络化协调方向转变。 计算机网络技术在九十年代得到了迅猛发展，控制系统最开始采用的是封闭的集中 式的控制体系，随着控制和管理要求的不断提高，开始向开放的分布式控制体系发展， 引起了控制领域的深刻变化，逐步形成网络化、全分布、全开放的自动控制体系结构。 进入二十一世纪，自动化与工业控制技术的不断发展需要通信技术与网络技术更深 层次的渗透。现代工厂与智能传感器、控制器、执行器分布在不同的物理空间里，其间 的通信需要数据通讯网络来实现，这就是网络环境下的控制系统；同时，通信网络的管 理与控制也要求更多地采用先进的控制理论与策略。原有的集中式控制系统和集散式控 制系统有一些共同的缺点，即随着现场设备数目的增加，系统布线将变得十分复杂，成 本大幅提高，抗干扰性变差，灵活性不高，扩展不方便，维护困难等。为了根本上解决 这些问题，必须采用分布式控制系统来取代集中式控制系统，分布式控制系统就是将控 制功能下放到现场智能节点，不需要一个中央控制单元来集中控制和操作，而是通过智 能现场设备来完成控制和通信任务。 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 ”这一名词，于1 9 9 9 年出现在马里兰大学 g r e g o r yc w a l s h 等人的文章中，但是并没有给出确切的定义，只是用图说明了网络控 制系统的结构特征，指出在该系统中，控制器与传感器通过串行通信线路形成闭环。在 控制系统中，除了控制器、执行器以及被控对象的结构和特性外，网络控制系统之间最 大的区别在于系统的网络类型、结构以及所提供服务类型的不同。另外，网络控制系统 类型广泛，既有在公用计算机网络( 如i n t e m e t ) 上面构建而成的网络控制系统，又有 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 基于专用网络的网络控制系统，如d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 以及l o n w o r k s 等现场总线。前者是一种完全分布式的控制方式，它不仅可以对控制系统本身进行调控 和检测，还可以实现对工厂车间、生产过程的监控协调、决策优化等功能。而后者则是 指在某个区域内的一些现场检测、控制及操作设备与通信线路的集成，用以提供现场设 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。从技， 术角度上来看，网络化控制兼具有网络技术和自动控制技术的特点： ( 1 ) 要求有高实时性及快响应的数据传输。， ( 2 ) 传送的信息既有控制型的短帧信息也有监控或决策信息，且信息交换频繁。 ( 3 ) 网络协议简单实用，工作效率高。 ( 4 ) 网络结构具有高度分散性，易于实现与信息网络的集成，安全性好。 ( 5 ) 具有控制设备的智能化和控制功能的自治性特点。 与传统意义上的控制系统相比，网络控制系统有助于控制与维护的分布化和智能 化，可以大大减少系统的连接线路，节约系统集成的成本，实现资源共享，具有便于系 统安装、维护、扩展和故障诊断等优点。此外，它还支持多种网络拓扑结构、鲁棒性好， 有助于系统的稳定；各个智能节点能够实现真正的分布式控制。由于其所具备的优点， 在工业控制系统中，利用网络作为媒介来连接系统的各部分在多方面有应用，例如分布 式工业控制、智能交通系统、多智能机器人、飞行器控制、无人驾驶飞行器、多智能系 统等等。总之，当有大量的分布式传感器与执行器时，将网络应用于控制系统是非常有 利的。 网络控制系统的发展顺应了计算机、网络和控制技术融合的潮流，代表了下一阶段 信息革命的方向。网络控制系统的出现大大促进了控制理论与技术的发展，在理论上可 以促进控制、计算机、微电子和通讯技术等多门学科的交叉渗透，使控制理论和技术进 入一个崭新的阶段：在实践上将能解决复杂大系统控制和远程实时控制中遇到的技术难 题。 从整体上看，计算机控制系统已呈现出网络化、集成化、节点智能化、分布化、扁 平化的发展趋势。例如d c s ，尽管它还不具备开放性，控制功能也相对集中，但适应了 ， 现场控制的需要，表现出网络化的结构特性；而现场总线控制系统f c s 和工业以太网， 从一开始便顺应了这一趋势，是完全网络化、分布化的控制系统。网络控制系统是计算， 机网络技术在控制领域的延伸和应用，与传统的点对点系统相比，表现出更大的优越性。 网络控制系统定义特征是系统各组件( 传感器、控制器、执行器) 之间可以通过网 络交换信息，其典型结构有两种： ( 1 ) 直接结构，网络控制系统直接结构的组成包括一个控制器节点和一个远程的由物理 系统、传感器、执行器组成的远程节点，控制器节点和远程节点的物理位置分布不同， 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 依靠数据网络连接，构成一个远程闭环控制。 ( 2 ) 分层结构，网络控制系统分层控制结构的基本组成包括一个主控制器节点和一个远 程闭环控制系统。主控制器周期性地根据远程传送的检测信号，针对控制需要发出控制 参考信号给远程闭环控制系统，闭环控制系统根据远程参考信号和本地信号采取相应控 制。 目前，网络控制系统理论和方法的研究主要针对第一种结构，因为直接结构的控制 和分析方法也能够用来解决分层结构，可以把分层结构中的远程闭环系统看成一个远程 节点。网络控制系统的一般结构如图1 1 所示。 图1 1n c s 典型结构 f i g 1 1t y p i c a ls e t u po f n c s 网络控制系统是通过网络将传感器、执行器和控制器作为网络结点连接起来共同完 成控制任务的系统，其主要特点在于反馈控制系统中的控制回路是通过网络信道连接而 形成闭环。网络控制系统的控制模式不再是传统的点到点的连接，而是传感器、执行器 和控制器作为节点直接连接到网络上l 卜2 1 。 网络控制系统是计算机控制系统的更高发展，它具有如下特点： ( 1 ) 结构网络化：网络控制系统最显著的特点体现在网络化体系结构上，它支持如总线 型、星型、树型等拓扑结构，与分层控制系统的递阶结构相比，显得更加扁平和稳定。 ( 2 ) 节点智能化：带有c p u 的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调，每个 节点都是组成网络控制系统的一个细胞，且具有各自相对独立的功能。 ( 3 ) 控制现场化和功能分散化：网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能 化现场设备上执行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠性和安全性。 ( 4 ) 系统开放化和产品集成化：网络控制系统的开发是遵循一定标准进行的，是一个开 放性的系统，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品，这些产品之间便能实现互 操作和集成。 1 1 2 课题研究的意义 由上述可知，网络控制系统自准确提出后已经有了近十年的发展。任何系统在研究 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 之前需要建立模型，已经有很多学者给出了网络控制系统的时延、丢包、调度模型，如 时延离散模型、时延连续模型、丢包离散模型等等，因此对于网络系统的模型已经有了 一个比较成熟的模型。稳定性是控制系统的重要性能，是系统能够正常运转的首要条件， 是控制系统研究的最基本问题。对于网络控制系统时延的不确定性，通常采用的做法是 将被控对象定义为线性定常系统处理。本人认为：在实际控制系统中，由于通过网络来 完成控制任务与数据交换，网络的时延问题是我们必须加以考虑的。网络诱导时延是网 络控制系统的基本问题之一，不确定时延可能会降低系统的性能，甚至导致系统的不稳 定。因此，具有网络诱导时延的线性网络控制系统的研究具有理论意义和现实价值【3 】。 1 2 网络诱导时延问题 随着现代生产规模的不断扩大和控制系统结构的复杂化，传统的点对点控制模式所 呈现出来的布线复杂、维护困难、信息封闭、成本高等一系列问题显得愈发突出，亟待 寻求一种新的控制模式来解决这些问题。网络控制系统的出现，突破了传统控制系统在 空间物理位置上的限制，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，加强了现场控制和上层管理的联系。与传统的点对点控制模式相比，这种网络化 的控制模式具有信息资源共享、系统连线少、易于扩展和维护、高效和灵活等优点，因 而成为国内外研究的热点。 网络控制系统在通过共享网络资源给控制系统带来各种优点的同时，也给系统和控 制理论的研究带来了新的挑战。例如，公用数据网络中除传送闭环控制系统的控制信息 之外，还需要传送许多与控制任务无直接关系的其它数据，资源竞争和网络拥塞等现象 不可避免地会造成数据传输的时延以及数据包丢失等问题，且采用不同的网络协议会使 时延具有不同的性质。由于网络控制系统本身所具有的网络诱导时延、数据包的时序错 乱以及数据包丢失等特点，使得传统的控制理论在网络控制系统中使用遇到了一些新的 问题。因此要研究网络控制系统就必须发展与网络控制系统相适应的控制理论与方法， 而要发展与网络控制系统相适应的控制理论与方法就必须研究网络控制系统中的一些 基本问题。 网络控制系统的研究的问题众多，其中基本问题有时变传输周期、数据包丢失问题、 单包传输和多包传输问题、网络调度问题、网络诱导时延问题、数据包的时序错乱问题、 节点的驱动方式问题等【】。 网络控制的一个重要问题就是网络诱导时延( n e t w o r ki n d u c e dd e l a y ) 问题。由于 网络带宽有限以及通信介质的分时复用原则使得网络诱导时延不可避免，并且在很多情 况下其大小不可忽略。网络诱导时延是引起n c s 性能下降甚至不稳定的主要原因之一， 其性质因网络m a c 协议和拓扑结构不同，表现出相对复杂的特征。 - - 4 - - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 网络控制系统中网络时延主要有两类：一类是系统中设备计算处理的时延，如传感 器、控制器和执行器完成自身功能所用的时间，这类时延通常很小，一般可以忽略不计。 另一类是由于在回路中引入了通信网络，信息包的传输要分时占用网络通信线路，网络 的承载能力和通信带宽的有限性，必然会造成信息的冲撞、重传等现象的发生，从而使 得控制系统的信息包在传输时产生时延，称之为网络时延。对应于不同的工业网络，n c s 中存在不同性质的时延。 一般可以分为定常时延、有界时延、随机时延等。其中有界时延按照时延变化率是 否有界又可分为快变( 时延变化率无界) 和慢变两种情况。时延因其产生的背景不同又 可分为传输时延、处理时延和等待时延。传输时延与网络带宽和节点之间的距离有关， 是网络时延中最具确定性的参数。处理时延是指信息转换为适合网络传输形式所需的时 间、控制器的处理时间以及到达目标时信息的还原时间，与系统节点设备的软硬件有关， 可以通过实验进行估计。等待时延包括在缓存队列中排队的时间和竞争信道需要的时 间，其大小主要取决于节点发送数据量、网络当时的流量以及网络协议。 一般来说，等待时延对网络系统的影响很大，而且很难通过实验得到其变化率的上 界，因此，对大多数网络控制系统来说，时延往往是快变和不确定的。早期处理不确定 时滞的方法是通过在控制器和执行器的输入端置入一定长度的缓冲区，如果缓冲区的长 度足够大就能够将随机时变时滞转化为确定性时延。显然，这种方法人为地增大了网络 诱导时延，因而往往导致控制系统性能的下降。 除上述的基本问题外，控制系统部件的工作模式，时钟同步等问题始终贯穿于网络 控制系统的分析、设计以及实现过程中，有时还影响到上述基本问题的特性，因而在网 络控制系统的研究中也需加以关注。 1 3 鲁棒控制理论的现状 一个系统具有鲁棒性，是指控制系统在一定( 结构，大小) 的参数摄动下，维持某 些性能的特性。现代鲁棒控制就是针对具有上述有界不确定性的实际对象，设计控制器 使整个闭环系统具有鲁棒性，同时还要满足一定的性能指标，其最重要特点就是要求讨 论参数在有界扰动下系统性能的保持能力。鲁棒控制充分考虑了工程实际对象中的各种 参数摄动，因此鲁棒控制理论的研究为控制理论在工业上的应用打下了坚实的基础，对 于实际控制系统综合与应用具有深远意义。 在研究多变量鲁棒控制的过程中，先后出现了参数空间法、k h a r i t o n o v 型法、状态 空间法、h 。方法以及u 方法。其中以h 。方法在工程中应用最多，它以输出灵敏度函数 的h 。范数作为性能指标，旨在可能发生“最坏扰动”的情况下，使系统的误差在无穷 范数意义下达到极小，从而将干扰问题转化为求解使闭环系统稳定，并使相应的h 。范 一5 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 数指标极小化的输出反馈控制问题( z a m e s ，1 9 8 1 ) 。i - l 设计方法虽然将鲁棒性直接反 映在设计指标中，将不确定性反映在相应的加权函数上，但它“最坏情况”下的控制却 导致了不必要的保守性；另外h 。优化控制方法仅仅针对鲁棒稳定性而言，忽略了对鲁 棒性能的要求。导致保守性和忽略鲁棒性能的原因主要在于h 。设计方法是以非结构化 不确定性和小增益定理为设计框架的。因此多变量鲁棒反馈系统设计方法一直存在一个 难题，就是不能够在统一框架下折中处理性能指标与鲁棒稳定性问题。 与h 。同期发展的u 理论( d o y l e ，1 9 8 2 ) 则考虑到了结构化不确定问题，它不但能 有效、无保守性地判断“最坏情况”下摄动的影响，而且当存在不同表达形式的结构不 确定性情况下，能分析控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能问题。从工程的角度来看，在 设计鲁棒控制系统方面投入大量精力是很有意义的工作，因为对任何一个在指定范围内 引起系统性能下降的不确定参数，控制系统都能起到调节作用1 1 。 1 4 网络控制系统研究平台 本文研究的网络控制系统结构如图1 2 所示。此系统是建立在p r o f i b u s 总线之上 的一种特殊的网络控制系统 1 2 - 1 6 】，具有网络控制系统的基本特征，是一个典型的网络控 制系统。本文的后续研究工作将围绕图1 2 所示的网络控制系统来展开。 图1 2 系统框图 f i g 1 2s y s t e mb l o c kd i a g r a m 本文研究的网络控制系统，建立在p r o f i b u s 总线之上，较为合理地利用西门子公 司的s t e p 7 和w i n c c 等软件，较为充分地体现了西门子公司的全集成自动化( t i a ， t o t a l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n ) 概念。这一概念囊括了“制造”与“过程”领域的众多知 识与经验，为生产线提供了一种优秀的解决方案。通过集成的数据管理、集成的通讯和 集成的编程组态三项核心技术，为用户提供了优化、集成的产品和方案，使用户拥有简 单便捷的操作及维护环境。由于在上位计算机中安装有s t e p 7 和w i n c c 等西门子工业 软件，整个系统都可以集成到一个项目中：使用s t e p 7 进行系统的硬件组态，程序编 写，编译和上传下载等工作；使用w i n c c 进行系统离线期间上位机监控界面的编辑， 一6 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 系统运行期间的上位机监控和画面显示。这里可以采用集成式组态，也就是在s t e p 7 的全集成自动化框架内组态管理w i n c c 工程。这种方式下，w i n c c 中不用组态变量和 通讯，在s t e p 7 中定义的变量和通讯参数可以直接传输到w i n c c 中。工程组态任务量 可减少一半以上，并且可减少组态错误的发生。并且这样做可以使控制系统安全性、可 靠性较高，具有完成最优化、配方管理、归档和数据图像处理等工艺任务的附加p c 任 务的能力。 n c s 的控制器采用的是安装有c p u4 1 2 2p c i 的计算机。普通的计算机安装c p u 4 1 2 2p c i 插槽型p l c 实际上已经构成了w i n a c ( 视窗自动控制中心) 。w i n a c 插槽型 4 1 2 4 1 6 是西门子基于p c 的自动化插卡p l c 产品，适用于具有较多p c 任务要求的场 合，具有以下的特点： ( 1 ) 与s 7 系列控制器程序1 0 0 兼容，操作性能和指令集基于s 7 4 0 0c p u ： ( 2 ) 自带c p u ，用于完成p l c 控制功能，控制任务独立于w i n d o w sn t ； ( 3 ) 板卡自带两个通讯端口( p r o f i b u s 和p r o f i b u s m p i ) ； ( 4 ) 支持c p u c p u 通讯( s 7 通讯) ； ( 5 ) 支持s i m a t i cp c 上的板卡接口：m p i ，p r o f i b u s d p ( c p 5 6 11 ) 或以太网； ( 6 ) 通过m p i 、以太网远程编程； ( 7 ) 通过m p l 支持s i m a t i co p 和t p ：使用p r o a g e m 处理错误诊断： ( 8 ) 开放的o p c 和a c t i v e x 技术：易于通过w i n d o w s 应用程序存取过程数据： ( 9 ) p l c 与应用程序数据交换通过计算机p c i 总线，通讯速度与传统上位机+ p l c 方式有 明显提升( 5 1 5 倍) ； ( 1 0 ) 集中了硬件p l c 的实时、坚固的性能和开放式p c 平台的所有优点。 在计算机中安装s t e p 7 和w i n c c 等应用软件，使得系统硬件组态、程序编写与编 译、程序上传下载、监控画面的绘制与运行等工作能够在一台计算机上完成，并且作为 控制器作用于系统运行期间，满足很高的系统性能要求。这样的设计使得系统控制与监 控集成在一个项目中，所有的工作由w i n a c 完成，能够真正做到全集成自动化。 n c s 的执行器可以认为是e t2 0 0 m + f m3 5 4 + 伺服驱动器的组合。实际上，执行器 可以选择能够直接连接到p r o f i b u s 网络的伺服驱动器，如m a s t e r d r i v e s 和 s i n a m i c s 等驱动装置。由于实验室设备的限制以及伺服驱动器选择多样性的要求，本 文系统采用了这样的设计：在同一个机架上，连接在网络上的e t2 0 0 m 模块通过背板 总线连接f m3 5 4 功能模块，由e t2 0 0 m 模块通过p r o f i b u s 接口接收控制器通过网 络传送来的控制信息，再由f m3 5 4 模块的x 2 接口连接控制伺服电动机的驱动器。伺 服驱动器选择s i m o d r i v e 6 1 1 u ，电压的大小与控制电动机的转速成正比，信号的正 反控制电动机旋转的方向。 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 n c s 的传感器可以认为是e t2 0 0 m + f m3 5 0 2 的组合。在e t2 0 0 m 机架上，安装 f m3 5 0 2 高速计数器模块，该模块直接接受编码器发送来的伺服电机速度脉冲信号。利 用e t2 0 0 m 的p r o f i b u s 接口，将伺服电动机的转速反馈给控制器。 伺服电机选择富士交流伺服电机，编码器选择o m r o n 公司的增量式编码器。其他 所用设备这里不做详细介绍。 这样，综合上面的叙述，本文研究的网络控制系统就设计完成了。经过系统的接线、 测试等工作，就搭建了网络控制系统研究平台。 1 5 本文的主要内容 严格地说，控制系统中时延是普遍存在的，只是大小的不同。如机械传动系统、流 体传输系统、冶金工业过程以及网络控制系统，都存在着时延现象，而且时延常常是造 成系统不稳定的一个重要原因。对于一个具体控制系统，时延可能由测量元件或测量过 程造成，也可能由控制元件或执行元件造成，或者由它们共同造成。 本文主要讨论了网络控制系统的网络诱导时延问题，具体做了以下工作： ( 1 ) 分析了p r o f i b u s 总线协议，并对p r o f i b u s 网络的时间延迟进行了讨论和估算； ( 2 ) 论述了网络诱导时延的组成，建立了n c s 闭环系统数学模型，设计了n c s 状态反 馈控制器，并运用l m i 工具对一个典型的数值算例进行了研究； ( 3 ) 利用t m e t i m e 工具箱进行了网络控制系统的理论仿真； ( 4 ) 最后，针对本文的网络控制系统的研究工作做了总结和展望。 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章网络控制系统的网络时延 第2 章网络控制系统的网络时延 2 1 现场总线控制系统 工业网络和计算机网络相似，它是指应用于工业领域的计算机网络。具体地说，工 业网络是在一个企业范围内，将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备 或系统连接在一起，以实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并 能够访问企业外部资源和提供限制性外部访问，使得企业的生产、管理和经营能够高效 率地协调运作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境旧。 现场总线属于工业网络中控制网络的范畴，在工业网络的功能层次结构中处于底层 的位置，所以它是构成整个工业网络的基础。在现代工业企业的中，生产过程的控制参 数、设备运行的实时信息都已成为企业管理数据中重要的组成部分，更完善、更合理和 更全面的工业企业管理已离不开这些底层数据的参与。 现场总线的出现，标志着自动化技术步入了一个新的时代。那么，什么是现场总线 呢? 在过去很长的时间中，不同的文章和不同的作者有不同的说法。有人把现场总线定 义为应用于现场的控制系统与现场检测仪表、执行装置之间进行双向数字通信的串行总 线系统。也有人把它称为应用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字 的、多点的串行通信系统。总之，在对现场总线的描述中，开放、全数字、串行通信等 词汇是必不可少的。 国际电工委员会在i e c 6 11 5 8 中给现场总线下了一个定义，我们可以认为它是关于 现场总线的标准定义，该标准定义的描述是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制 室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。现场总 线是以单个分散的数字化、智能化的测量或控制设备作为网络节点用总线相连接，实现 相互交换信息来共同完成自动控制功能的网络系统。现场总线主要解决工业现场的智能 化仪器仪表、控制器、传感器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设 备和高级控制系统之间的信息传输问题。 现场总线的实质是解决了数字信号的兼容性问题，所以它一出现便展现了强大的生 命力和发展潜能。现场总线解决了传统控制系统中存在的许多根本性难题，它基本上奠 定了未来计算机控制系统的发展方向，所以今天我们说现场总线技术给工业自动控制领 域带来的冲击是“革命性的”。 在工业网络的底层，各种现场设备，如传感器、变送器、执行机构和驱动装置等， 通过现场总线相互连接并进行通信。现场总线的主要作用包括以下几个方面： ( 1 ) 进行过程数据采集，即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行实时采集，获得 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章网络控制系统的网络时延 所有设备检测、过程控制、状态检测的现场信息。 ( 2 ) 进行直接的数字控制，根据控制模式、控制算法实施联锁控制、顺序控制和批量控 制。 ( 3 ) 进行设备和系统的检测和诊断，根据过程变量和状态信息，分析并确定是否对被控 装置实施调节，同时判断计算机和控制板卡的状态和性能，在必要时，实施报警和错误 诊断及处理。 ( 4 ) 实施安全性和冗余方面的措施，一旦发现计算机硬件系统或控制板卡有故障，可及 时在热备份下切换到备用件，以确保整个系统安全可靠地运行。 现场总线是一种先进的工业控制技术，它将当今网络通信与管理的观念带入工业控 制领域。从本质上说，它是一种数字通信协议，是连接在智能现场设备和自动化系统之 间的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络，是控制技术、仪表工业技术 和计算机网络技术三者的结合，代表了工业控制体系结构的一种发展方向。现场总线出 现后，网络化、集成化、智能化便成为控制系统发展的一种必然趋势。这里的“网络化” 一方面体现在现场设备控制进一步趋向于分布化、扁平化和网络化，其拓扑结构参照计 算机局域网，包含星型、总线型和环型等几种形式；另一方面体现在现场控制与上层管 理相联系，将孤立的自动化孤岛连接起来形成网络。 现场总线的产生使这种趋势变得更加明显和具体，真正实现了控制结构网络化、集 成化；控制功能分布化、智能化的开放式系统一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 。f c s 是工业自动控制中的一种计算机局域网络，它以具有高度智能化的现场 仪表和设备为基础，在现场实现彻底的分散，并以这些现场分散的测量点、控制设备点 作为网络节点，将这些节点以总线的形式连接起来，形成一个现场总线网络。一般来说， f c s 由控制部分( 主站) 、测量部分( 从站) 、软件( 组态、管理等) 以及网络的连接及 集成设备组成。 现场总线控制系统的核心是总线协议，基础是数字智能现场设备，本质是信息处理 现场化。f c s 的要点是：( 1 ) 它可以在本质安全、危险区域和易变过程等过程控制系统 中使用，也可以用于机械制造业、楼宇控制系统中，应用范围非常广泛；( 2 ) 现场设备 高度智能化，提供全数字信号；( 3 ) 一条总线连接所有的设备；( 4 ) 系统通信是互联的、 双向的、开放的、系统是多变量、多节点、串行的数字系统：( 5 ) 控制功能彻底分散。 现场总线控制系统是全开放的系统，其技术标准也是全开放的。f c s 的现场设备具 有互操作性，装置互相兼容，因此用户可以选择不同厂家、不同品牌的产品，达到最佳 的系统集成。现场总线控制系统的信号传输实现了全数字化，其通信可以从最底层的传 感器和执行器直到最高层，为企业的m e s 和e r p 提供强有力的支持，更重要的是它还 可以对现场装置进行远程诊断、维护和组态。现场总线控制系统的结构为全分散式，它 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章网络控制系统的网络时延 废弃了d c s 中的i o 单元和控制站，把控制功能下放到现场设备，实现了彻底的分散， 系统扩展变得十分容易。现场总线控制系统可以将p i d 闭环功能放到现场的变送器或执 行器中，加上数字通信，所以缩短了采样和控制周期，而且系统精度高。 2 2p r o f i b u s 总线协议分析 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l db u s ( 过程现场总线) 的缩写。在现场总线研究和开 发方面，我们知道德国和美国是走在前面的。在2 0 世纪8 0 年代后期，现场总线的研究 和开发的竞争已开始初