（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统中调度算法的研究与应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文首先分析了网络控制系统的基本问题和研究现状，在理论上重点研究了 r m 、e d f 和m e f t o d 调度算法。接着介绍了t r u e t i m e 仿真工具箱的基本结构和 功能，并搭建了网络控制系统仿真平台。然后对几种经典的调度算法进行仿真研究， 分析并比较了各种算法的优缺点及适合的系统。 最后重点研究了混合调度算法，针对网络控制系统中存在非周期和随机性紧急 任务的特点，提出了基于综合调度指标s s i 的混合调度算法，通过网络q o s 调度器 进行闭环动态调度，仿真结果表明此算法对有随机负载的网络控制系统，有效的利 用了网络资源，保证了很好的实时性，并提高了平均性能，有很强的实用性。 关键词：网络控制系统，调度，综合调度指标，混合调度算法 a b s t r a c t f i r s t l y , t h ee x i s t i n gb a s i cp r o b l e m sa n dr e s e a r c hs t a t u si nn c s a r ea n a l y z e d ，a n d t h er a t em o n o t o n i c ( r m ) 、e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ( e d f ) a n dm a x m u me r r o rf i r s t - t r y o n c ed i s c a r d ( m e f t o d ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma l er e s e a r c h e di nt h e o r e t i c a l l y s e c o n d l y , b a s i cs t r u c t u r ea n df u n c t i o n so ft r u e m i es i m u l a t i o nt o o l b o xu s e di nt h er e s e a r c ha l e i n t r o d u c e d ，t h e n , t h en c sp l a t f o r mi se s t a b l i s h e db yu s i n gt r u e t i m es i m u l a t o r i nt h et h i r d s e c t i o n , t h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nw i t ht w oc l a s s i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m si sc a r r i e do nt h e p l a t f o r m m o r e o v e r , t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa n dt h e a d a p t e ds y s t e mo ft h e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ed a l i f i e d i nt h ee n d ，t h em i x e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sr e s e a r c h e de m p h a t i c a l l y a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o n - p e r i o d i ca n dr a n d o mu r g e n tt a s k se x i t i n gi nn c s ，am i x e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h mb a s e d o nt h es y n t h e t i cs c h e d u l i n gi n d e x ( s s i ) i sp r e s e n t e dt os c h e d u l ed y n a m i c a l l y i nac l o s el o o pb yt h en e t w o r kq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) s c h e d u l e r t h es i m u l a t i o ns h o w st h a t t h i sa l g o r i t h mm a k e su s eo ft h en e t w o r kr e s o u r c ee f f i c i e n t l ya n dh a sg r e a tr e a l - t i m e p e r f o r m a n c et or a n d o ml o a d ，w i t hh i g ha v e r a g ep e r f o r m a n c e ，a n ds t r o n gp r a c t i c a l i t y c u ix i u z h e 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 h a np u k e yw o r d s ：n c s ，s c h e d u l i n g ，s y n t h e t i cs c h e d u l i n gi n d e x ，m i x e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h m 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文首先分析了网络控制系统的基本问题和研究现状，在理论上重点研究了 r m 、e d f 和m e f t o d 调度算法。接着介绍了t r u e t i m e 仿真工具箱的基本结构和 功能，并搭建了网络控制系统仿真平台。然后对几种经典的调度算法进行仿真研究， 分析并比较了各种算法的优缺点及适合的系统。 最后重点研究了混合调度算法，针对网络控制系统中存在非周期和随机性紧急 任务的特点，提出了基于综合调度指标s s i 的混合调度算法，通过网络q o s 调度器 进行闭环动态调度，仿真结果表明此算法对有随机负载的网络控制系统，有效的利 用了网络资源，保证了很好的实时性，并提高了平均性能，有很强的实用性。 关键词：网络控制系统，调度，综合调度指标，混合调度算法 a b s t r a c t f i r s t l y , t h ee x i s t i n gb a s i cp r o b l e m sa n dr e s e a r c hs t a t u si nn c sa r ea n a l y z e d ，a n d t h er a t em o n o t o n i c ( r m ) 、e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ( e d f ) a n dm a x m u me r r o rf i r s t - t r y o n c ed i s c a r d ( m e f t o d ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma l er e s e a r c h e di nt h e o r e t i c a l l y s e c o n d l y , b a s i cs t r u c t u r ea n df u n c t i o n so ft 】r l l e m i es i m u l a t i o nt o o l b o xu s e di nt h er e s e a r c ha l e i n t r o d u c e d ，t h e n , t h en c sp l a t f o r mi se s t a b l i s h e db yu s i n gt r u e t i m es i m u l a t o r i nt h et h i r d s e c t i o n , t h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nw i t ht w oc l a s s i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m si sc a r r i e do nt h e p l a t f o r m m o r e o v e r , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n dt h ea d a p t e ds y s t e mo ft h e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ed a l i f i e d i nt h ee n d ，t h em i x e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sr e s e a r c h e de m p h a t i c a l l y a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o n - p e r i o d i ca n dr a n d o mu r g e n tt a s k se x i t i n gi nn c s ，am i x e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h mb a s e do nt h es y n t h e t i cs c h e d u l i n gi n d e x ( s s i ) i sp r e s e n t e dt os c h e d u l ed y n a m i c a l l y i nac l o s el o o pb yt h en e t w o r kq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) s c h e d u l e r t h es i m u l a t i o ns h o w st h a t t h i sa l g o r i t h mm a k e su s eo ft h en e t w o r kr e s o u r c ee f f i c i e n t l ya n dh a sg r e a tr e a l - t i m e p e r f o r m a n c et or a n d o ml o a d ，w i t hh i g ha v e r a g ep e r f o r m a n c e ，a n ds t r o n gp r a c t i c a l i t y c u ix i u z h e 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 h a np u k e yw o r d s ：n c s ，s c h e d u l i n g ，s y n t h e t i cs c h e d u l i n gi n d e x ，m i x e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h m 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文网络控制系统中调度算法的研究与应 用，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：日期： 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： 日期： 导师签名： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 我国的工业控制体系从基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控 制系统、集中式数字控制系统，到目前的分散控制系统( 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 ) ，大约经历了四代。目前d c s 作为比较完善和成熟的工业控制系统( 如图1 - 1 所示) ，已经广泛应用于我国的电力、化工、石油等工业过程控制，占据着我国工 业控制领域的主导地位【i 】。d c s 分散控制集中管理的结构在理论上讲是非常完美的， 但是d c s 系统也存在着缺点： l 分散控制系统中测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混 和系统，这导致d c s 各模块间不能实现统一通畅的信息交流。 2 、分散控制系统的形成过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭缺陷 影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互联在一起，难以实现设备互 换和互操作。d e s 的这些缺点促成了现场总线控制系统的产生。 图卜1 分布式控制系统( d c s ) 结构图 所谓现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置 之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线的出现改变了d c s 系统中 模拟信号和数字信号混和，一个简单控制系统的信号传递需要经历从现场到控制 室，再从控制室到现场往返专线传递的过程。由于控制网络中作为节点的现场仪表 具备通信与数字计算能力，依靠几个位于生产现场的控制设备之间的数据通信便可 华北电力大学硕士学位论文 支持多种控制功能。现场总线突破了d c s 系统中因专用网络的封闭造成的缺陷，采 用开放化、标准化的解决方案，把来自不同厂家而遵守同一协议规范的自动化设备 连接成为控制网络，组合成各类控制系统，实现综合自动化的各种功能【z j 。 随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，控制系统的结构正在发生 变化。传统的控制模式往往通过点对点的专线将传感器信号传送到控制器，而后， 再通过点对点的专线将控制信号传送至执行器。此类结构模式下的控制系统往往布 线复杂，使得系统成本增加，降低了系统的可靠性、抗干扰性和灵活性，扩展不方 便。特别的，随着地域的分散以及系统的不断复杂，采用传统布线设计的控制系统 成本高、故障诊断和维护难等弊端更加突出。为了解决这些问题，将网络引入到控 制系统中，采用分布式控制系统来取代独立控制系统，使得众多的传感器、执行器 和控制器等系统的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，从而避免了彼此间专线的敷设，而且可以实现资源共享、远程操 作和控制，提高系统的诊断能力、方便安装与维护，并能有效减少系统的重量和体 积、增加系统的灵活性和可靠性。 当前网络控制系统已成为国内外自动控制领域中的研究热点。可以预计，未来 的几十年中，网络控制控制必将深刻地影响和推动控制理论及其应用的发展。从理 论上说，网络控制控制必将大大推动已见端倪的复杂系统控制理论的发展；从应用 上说，提供各种复杂信息处理的网络化系统的大量涌现，必将大大推动国家经济、 社会、国防等等领域的信息化应用，促进国家的“以信息化带动工业化 的发展。 1 2 国内外研究现状 网络控制系统的分析与综合是近年来国际控制领域研究的主题之一，不同于传 统的计算机控制，网络环境的影响使得网络控制系统具有许多新的特征，直接采用 传统的控制理论，已无法设计出有效的控制策略，因此，需要针对网络控制系统的 特点提出新的研究思路和研究手段。目前网络控制系统的研究包括两个部分：一是 先进控制策略的设计与性能分析，二是设计有效的网络调度策略。先进控制策略用 于保证系统性能良好，而有效的调度策略能够保证好的网络质量，减少网络延迟， 数据丢包，误码以及错序等现象对网络控制系统的影响，从而进一步提高控制系统 的性能。 国内最早对网络控制系统进行探讨的是同济大学的于之训、陈堂辉等人。他们 的工作是建立在局域网之上的【3 。5 】，包括网络控制系统( 随机) 时延的分析，控制系 统的稳定性分析等。上海交通大学的魏震、谢剑英等在n i i s s o n l 6 的基础上进一步 做了系统时延的在线估计和控制律的设计工作【7 1 。南京航空航天大学的朱其新、胡 寿松等人对长时滞的网络控制系统进行了系统分析与设计【n 9 1 。中科院自动化所的王 2 华北电力人学硕十学位论文 征、谈大龙和王向东等人也对网络化控制系统的稳定性问题进行了探索和讨论【m 】。 清华大学的吴秋峰、顾洪军等人从网络技术的角度对网络控制系统进行了研究，对 当前网络控制技术存在的问题及其未来的发展提出了一些看法【1 1 1 。中科院自动化所 的王飞跃和王成红从未来计算机网络技术对控制理论的影响和推动作用的观点出 发，对网络化控制系统的理论研究和应用做了预测和估计，提出了一系列具有挑战 性的问题。还有郝学伟等人【l2 】也在系统的稳定性方面做了研究工作。在目前所知的 有关网络化控制系统的研究中，对控制系统的故障检测和诊断工作非常少。在这方 面华中科技大学控制系的方华京、郑英等在针对时延型网络化控制系统的故障诊断 方面做了开拓性的工作【l 1 5 】。 基于稳定分析的设计方法，是首先在不考虑网络的状况下对系统控制设计，之 后在考虑网络的情况下进行系统性能分析，确定允许的采样周期与网络环境参数以 及它们之间的关系。这方面的研究工作有w a l s h 等人提出的摄动方法【1 6 18 1 ，其针对 连续线性与非线性系统研究了保证系统稳定所允许的最大延迟，并依据网络特性提 出了新的网络接入调度策略。m o n t e s t r u q u e 在文献【1 9 】中基于s c h u r 稳定性，提出了 一种基于模型的网络镇定控制设计方案，之后m o n t e s t r u q u e 还将文献 2 0 】中方法进 一步推广到了随即采样周期的情形。在假设网络延迟小于采样周期的情况下，有人 采用离散系统方法和混合系统方法，研究了网络环境下系统的稳定性，给出了所设 计控制系统所能够允许的网络诱导延迟的大小。当考虑数据包丢失的情况下，采用 时滞系统理论，人们研究了允许丢包的多少和概率限制。 基于系统综合的网络控制设计方法。该方法在设计控制策略时，同时也考虑了 网络环境的影响。此时，控制策略参数是依赖网络环境参数变化的。例如，在文献 2 1 2 2 中，控制增益参数的求解依赖于一组线性矩阵不等式，而网络条件参数又 直接影响到该组线性矩阵不等式的可解性。在网络控制系统中，由于网络带宽的限 制以及控制系统的时限要求，采样及控制任务的信息传递必须在一定的时间内完 成，否则信息会产生较大的迟延，从而降低系统的控制性能，严重时将会导致系统 不稳定。 在网络控制系统中，由于网络带宽的限制以及控制系统的时限要求，采样及控 制任务的信息传递必须在一定的时间内完成，否则信息会产生较大的延迟，从而降 低系统的控制性能，严重时将会导致系统不稳定。因此网络控制系统的性能不仅取 决于控制算法的设计，而且与采用的网络信息的调度算法密切相关。网络控制系统 中信息的调度主要在用户层或在传输层以上，主要调度参数为信息传输周期及传递 信息的优先级。与传统的单处理器的任务调度相比，网络控制系统中的信息传输调 度主要完成报文的传输，其传输周期、传输时限等都具有网络特点，调度的主要目 的在于用于提高网络的利用率和提高控制系统综合性能。结合网络控制系统的特 1 华北电力大学硕+ 学位论文 点，近年来人们提出了一些有效的网络调度算法，主要有r m ( r a t em o n o t o n i c ) 算 法【2 3 】、t o d ( t r yo n c ed i s c a r d ) 算法【1 7 - 18 1 、基于m a d b 的多控制环采样调度算法【2 4 】 模糊增益调度算法以及基于网络q o s ( q u a l i t yo f s e r v i e c e ) 的控制增益调度算法【2 习 等。其中r m 算法主要用来处理一系列不相关的、基于权限的、先占的、周期性实 时网络传输任务调度；t o d e d f ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 是一种给时间关键信息动 态分配网络资源动态调度算法，规定具有最大加权误差的结点先传输信息；在单控 制回路传输周期小于m a d b 约束下，基于m a d b 的调度算法的目的是调度多控制 环传送周期以尽可能使用有效网络资源；模糊增益调度算法是在网络q o s 变化状况 下，不改变控制器设计参数，通过外加模糊调制器的办法改变控制器输出增益达到 自适应调节的目的。 在网络化环境给控制系统带来的时滞、通信约束、丢包等消极影响面前，传统 控制理论的分析与设计方法往往不能解决问题。针对这些影响，最直观的做法就是 对症下药，抓住消极影响中的主要矛盾予以解决，在一定程度上保持原系统的性能 指标。根据这个思路，网络控制系统从各个不同侧重点得到了广泛的研究，如以传 输时滞为主要矛盾的时滞网络控制系统、以通信约束为主要矛盾的带约束的网络控 制系统、以分组丢失为主要矛盾的有损网络控制系统等等。 1 3 网络控制系统中的调度问题 在网络控制系统中，控制回路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，尤其在网络资源十分有限的条件下，对网络控制系统进行实时性调 度分析显得尤为重要。网络调度问题就是网络中的各节点在共享的网络传输介质中 发送数据包时，规定数据包以多高的优先级和何时发送数据包的问题。 为了保证控制系统的稳定性、实时性，各个被控对象都要以一定的传输速率传 输采样数据和控制数据。多个被控对象共享网络资源，这就导致了来自多个被控对 象的数据同时访问网络而产生共享冲突的问题。网络调度就是为了解决各个被控对 象的数据传输时同时访问网络而产生的冲突问题，对各个被控对象的网络资源的需 求尽可能合理地分配，使得整个网络控制系统能够达到期望的性能要求。 n c s 调度问题就是根据一种调度算法：在任何时间，决定消息发送顺序的一套 规则来分配每个通讯实体的调度表。这里的通讯实体是指系统中的传感器和控制器 等。n c s 中的调度就是关于谁发送，什么时候发送，当发生碰撞时以什么优先级发 送等问题。从数学意义上说，调度定义为一个分段的右连续函数f r + 一。找到 调度，的算法称为调度算法。调度研究需要考虑两个问题： ( 1 ) 可调度性研究：传感器、控制器等数据可能同时访问网络，所以必须进行 4 华北电力大学硕十学位论文 可调度性研究。在不可调度情况下，如何更改系统参数，使得整体控制系统性能的 下降最慢。 ( 2 ) 优化调度：在可行的调度约束下，寻找控制算法来最小化( 最大化) 相应的 目标函数。 实时系统调度算法主要分为两类：静态调度和动态调度。静态调度是一种离线 的方法，生成一张优化的执行表，这种表格规定了各个任务的执行顺序和执行时间。 静态调度的方法简单和易于实现。但是静态调度方法有非常多的缺陷使其研究和应 用都趋于弱势，其中包括： ( 1 ) 它是静态的，不能根据任务的变化生成任务执行表。 ( 2 ) 它不能够协调处理零星的和非周期性的任务。 ( 3 ) 周期长的任务被切分为许多周期短的任务来执行，非常容易出错。 在动态调度算法中，调度算法对任务集和它的约束信息不完全了解，在系统运 行的时候决定c p u 的分配。该算法的动态调度策略有很多，这罩主要关注e d f 调 度算法。 研究网络控制系统的调度的目的是使用适当的调度算法使得网络环节对控制 系统的性能影响减小。从网络层次来看，网络控制系统的调度方法可以分为两类： 网络底层的调度和应用层的调度。网络底层调度其过程是数据链路层通过一个链路 活动调度器控制网络中各个现场设备对网络传输介质的访问，通常是网络接口设备 按照特定的协议规范来决定那些并发数据包的发送顺序。网络底层调度是通过制定 特定的网络协议来实现某些调度算法的，因而调度缺乏灵活性，只能适应少数算法。 另外，并不是所有的网络协议都有调度数据包的功能，如以太网就不能对将要发送 的数据包进行调度。应用层的调度是上层的应用程序根据需要而主动地决策数据的 发送规则，该规则和具体的网络协议无关。对于应用层调度来说网络的作用仅仅是 用于传输数据，而不能实现调度决策。应用层的调度还可以调度网络控制系统中各 控制环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络中数据冲突现象的发生，从而最大 限度地减少数据的传输时延。 1 4 本文的研究工作及结构安排 本文围绕网络控制系统( n c s ) 的一些基本问题，信息调度的问题和现状，以及 混合调度算法进行了深入的研究。 本文的结构与主要内容如下： 第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景及意义，然后总结了网络控制系统的 华北电力大学硕+ 学位论文 研究策略及研究现状，分析了网络控制系统中的调度问题，最后提出了本文的研究 工作和结构安排。 第二章，首先对网络控制系统进行了概述，然后对网络控制系统中的网络诱导 时延、单包传输和多包传输、数据包丢失、数据包的时序错乱以及网络带宽限制这 些基本问题进行分析研究。接着介绍了3 种网络类型和协议以及他们的优缺点，然 后分析了调度与控制的关系，和基于静态动态的控制与调度的协同设计。本章对实 际n c s 的调度与控制的协同设计具有重要的指导意义。 第三章，首先对网络控制系统中的调度问题进行了概述，分析了网络控制系统 的可调度性，然后重点研究了几种经典的调度算法：r m 、e d f 和m e f t o d 。最后 介绍了t r u e t i m e 仿真工具箱的结构和功能及仿真平台的搭建。 第四章，首先结合第三章的理论分析，对r m 静态调度调度算法和e d f 动态调 度算法进行了仿真研究，并分析比较了各种算法的优缺点及适合的系统。然后在此 基础上提出基于综合调度指标的混合调度算法，并进行了仿真实验。最后介绍了此 调度策略应用于实际控制系统的方法。 第五章对全文工作进行总结，同时对本课题的进一步研究工作进行了展望。 6 华北电力大学硕十学位论文 第二章网络控制系统中的问题描述 2 1 网络控制系统中的基本问题 2 1 1 网络控制系统概述 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 ) 是指传感器、控制器和执 行器等通过通信网络形成闭环的控制系统，是复杂控制系统和远程控制系统发展的 客观需求。 l 执行器 = i 被控对象 二t 二：ji 传感器l 1 _ ji 一ji 一j 1 fi 广一一一十l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一叫t 一一一1 囤i 网络 圃 图2 一l 网络控制系统原理图 由图2 1 可以看出，网络控制系统在结构上与分布式控制系统的最大区别是： 传感器、执行器和控制器离散地分布于广阔的空间之中，它们之间的信息交流通过 控制网络( c o n t r o ln e t w o r k ) 实现，而在d c s 系统中，使用一个现地控制站管理所有 这些内容。n c s 中用以传递实时控制信息的纽带为控制网络，一般认为控制网络具 有不同于通常的数据网络的特点，为适应控制任务的需求它们的实时性要大大强于 普通的数据网络。这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减 少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性及灵活等优点，是未来控制系统的发 展模式。当前具有代表性的控制网络有：现场总线( d e v i c e n e t 、p r o f i b u s 、f f 、l o n w o r k s 等) 、工业以太网等。 网络控制系统的特点如下： ( 1 ) 结构网络化：网络控制系统最显著的特点体现在网络体系结构上，它支 持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与传统分层控制系统的递阶结构相比显得更 加稳定。 ( 2 ) 节点智能化：带有c p u 的智能化节点之问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。 7 华北电力人学硕士学1 _ 奇= 论文 ( 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运行，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 ) 系统丌放化和产品集成化：网络控制系统的开发是遵循一定标准进行的， 是一个开放的系统，只要不同厂商根据一定标准来丌发自己的产品，这些产品之间 便能实现互操作和集成。 尽管网络控制系统相比传统控制系统有许多优点，由于网络的介入，网络控制 系统中的信息的传输通过通信网络进行，而网络的带宽总是有限的，因此数据包在 网络传输过程中不可避免的出现碰撞以及排队等待。在共享的数据网络中，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关的其他信息，因此， 资源的竞争和网络拥塞等现象在网络控制系统中是不可避免的。而这些现象会导致 数据传输的延迟。由于网络延迟的存在，网络控制系统的控制指令往往不能及时执 行，从而导致系统性能变差，严重的甚至会影响系统的稳定性。由于共享网络往往 存在网络阻塞和连接中断等现象，虽然大多数网络都具有重新传输的机制，它们也 只能在一个有限的时间内传输，超出这个时间后数据将被丢失。 另外，由于控制系统对实时性要求很高，当一个传感器节点在等待发送信息时， 若又收到信的信息，从实时的角度考虑，丢弃旧的信息，只发送新收到的信息是更 加合理的。因此，网络环境下系统还存在数据包丢失现象。在网络环境下，被传输 数据通常有不同的路由选择，这时会导致数据包时序发生错乱。以上提到的网络延 迟、数据丢包、误码等问题在传统的控制系统不存在或是可以忽略的，因此基于传 统的控制理论给出的控制设计和分析难以应用到网络控制中，必须针对网络控制系 统的特点给出控制设计与系统分析的新思想、新概念、新方法，研究开发适合于网 络环境的先进控制策略。 2 1 2 网络诱导时延 在控制系统中引入通信网络前后的最大区别在于： ( 1 ) 控制循环通过串行通信网络连成一个闭环反馈系统，所有的信号传递都在 一条共享的通信通道上进行。 ( 2 ) 网络的介入使得数据和信息在网络中传输时不可避免地存在时延，这一时 延产生的根本原因是由于网络通讯资源有限，包括带宽、协议、调度等方面的限制。 时延不但会降低系统的控制性能，还会导致系统不稳定，尤其是对某些快速系统影 响更大。时延问题是网络控制系统的核心问题。 华j 匕电力大学硕十学位论文 图2 - 2 网络控制系统的时延分布 网络控制系统中的时延分布如图2 2 所示。迄今为止还没有一种网络时延模型 可以适应于大部分的网络时延情况。但总的来说，时延的特性主要取决于系统选用 的网络的类型。网络主要有以下两种类型： ( 1 ) 轮流访问网络 对于采用轮流访问网络协议，如i e e e 8 0 2 4 、s a e 令牌总线、p r o f i b u s 、s a e 令 牌环等的网络控制系统，控制器和传感器信号的传递具有周期性。因而，网络时延 也具有周期性，可将它看作是周期函数，c = 砭l ，带= 磁l 。 ( 2 ) 随机访问网络 随机访问网络的代表有以太网和c a n 总线。这两种网络上的时延变化是随机 的，不同的是c a n 总线网络上的最大时延是确定的，而以太网的时延变化是随机 的。针对这类随机时延，可采用马尔科夫( m a r k o v ) 链【2 6 1 、a r m a 模型和流线模 型对时延进行建模分析。 通过网络传送一个连续时间信号，首先需要对信号进行采样，然后编码、传送。 不同于传统的数字控制系统，网络控制系统中信号的采样频率通常是非周期的且时 变的。所以需要根据网络的现行状态及时调整采样频率，以缓解网络传输压力，保 证网络环境的良好状态。 2 1 3 单包传输和多包传输 单包传输是指在网络控制系统中所有的传感器数据和控制器数据分别封装为 一个数据包进行传输。多包传输是指在网络控制系统中的传感器数据或控制器数据 封装为多个数据包分批进行传输。数据包多包传输的产生原因：单个数据包的容量 有限，无法容纳所需信息；网络控制系统各节点空间分布分散，无法在物理上实现 同一类所有信息封装为一个数据包。当网络采用分时复用时，同时产生的多个数据 包无法同时到达目的地，在有限的时间内可能无法全部到达。 传统的采样控制系统都是假设被控对象的输出和控制输入是同时传递的，而这 9 华北电力人学硕士学位论文 在具有多包传输的网络控制系统中这种情况己不再成立。因为在多包传输过程中由 于一个数据要分成多个数据包多次进行传输，这些数据不可能同时传递，也不可能 同时到达。多包传输的一般处理方法是利用获取的部分信息对全部信息进行估计或 者只对部分信息进行处理。多包传输给网络控制系统的建模、分析和设计提出了新 的挑战。 在网络控制系统中，采用单包传输还是多包传输方式应根据被控对象和网络的 实际情况决定。一般来说，以太网适合于传输大批量的数据，因为它的一个数据包 中最多可容纳1 5 0 0 字节的数据，因此，以太网更适合于单包传输方式。而一些工 业现场总线如c a n 总线适合于对控制数据的快速传输，因为其在一个数据包中最 大可容纳8 字节的数据，因此经常需要采用多包传输。 2 1 4 数据包丢失 网络的阻塞和连接中断是导致数据包丢失的重要因素。其次由于节点竞争数据 发送权需要花费时间，当节点在规定的时间内仍然未能成功发送数据，则该数据将 被丢弃。另外数据在网络传输过程中可能会发生错误而被要求重发，如果该节点的 数据在规定的重发时间内仍然没有成功发送数据，则该数据包被丢弃。这些现象都 可视为数据包丢失。 网络丢包发生在节点失效或信息冲突时。尽管大多数网络协议具有重新发送 机制，但只能在有限的时间内重发。时问超过限制，数据包就会丢失。一般来说， 反馈控制可以承受一定量的数据丢失。但重要的是要知道保证系统稳定所允许的数 据包最低传输速率。从系统信息的传输来看，数据包丢失的发生相当于信息传输通 道暂时被断开，使得系统的结构和参数发生较大的变化闭环控制系统虽然对系统 中结构和参数的变化具有一定的鲁棒性，但不可避免的造成性能的下降，严重的将 导致系统失稳，需要寻找行之有效的解决方法。 在基于t c p 协议的网络中，主要用于保证数据传输的可靠性，未到达接收端的 数据往往会被多次重复发送。而对于网络控制系统，由于系统数据的实时性要求很 高，旧数据的重发对系统并没有实际意义。另外，由于网络拥塞或数据的破坏等原 因，都可能导致到达终点的数据与传输端的数据不相吻合，因此如何防止数据丢包 及丢包之后进行补偿也是目前网络控制系统的研究方向之一。 2 1 5 数据包的时序错乱 在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，这必 然会导致数据包的时序错乱。在网络控制系统中，数据包的时序错乱又分为两种情 况： l o 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 单包情况下，每一包数据便是一完整的数据，此时的数据包的时序错乱 是指原来有一定先后次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时，其到达的 时序与原来的时序不同。 ( 2 ) 多包情况下，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源 节点到达目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。对以上两种情况，在网络 控制系统设计中应分别给予相应的处理。 2 1 6 网络带宽限制 在网络控制系统中，一个网络的有效带宽指的是除去帧头、填充位等，在单位 时间内传输有效数据量的最大值。这和一般传统网络带宽的定义相比较，更侧重于 单位时间内传送原始字节的数量。影响网络带宽的可用性和实效性有四个因素：( 1 ) 不同设备通过网络发送信息的采样速率：( 2 ) 要求同步操作的元件数；( 3 ) 表示信 息的数据量的大小；( 4 ) 控制信息传输的网络协议。当实现网络控制系统时，其中 的限速因素之一就是网络的可用带宽任何通信网络单位时间内所能够传输的信息 量都是有限的，在许多应用系统，带宽的限制对整个网络控制系统的运行会有很大 的影响。为了满足网络控制系统的时间限制和保证其性能，研究可以减少网络带宽 需求的控制方法是很有必要的。 2 2 网络类型和协议 网络控制系统的实现可以选择不同的网络，以太网、设备网和控制网分别有各 自的协议和应用范围。网络控制系统的性能与网络的传输速率、介质访问控制 ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议、数据包长度等因素有关，因此下面将分析 比较工业中常用的三种控制网络。 2 2 1 以太网f c s m a c d ) 以太网利用载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 协议来解决网络资源的冲 突问题。i e e e 8 0 2 3 标准规定了c s m m c d 协议。其原理如图2 - 3 所示。当网络上 的某个站点想要发送数据时，它首先监听网络状态，如果网络忙，它就等待，直到 网络空闲；如果网络空闲，就立即发送数据。如果有两个或两个以上的站点监听到 网络空闲而决定同时发送数据，就会产生冲突，站点在发送数据的过程中同时进行 冲突检测，一旦发生冲突，立即停止发送原数据，并发送一个短的阻塞报文，以便 所有站点都知道已发生冲突，然后推迟一段时间再来监听网络状态，直到网络空闲 时再发送，此段时间的定义如下： t = m i n f r a m e s i z e “d a t ar a t e 木r 公式( 2 一1 ) 1 1 华北电力大学硕十学位论文 其中t 为推迟时间，m i n f r a m es i z e 为报文的最小帧，d a t ar a t e 网络中的数据传 输速率，r = 朋甩d ( 0 ，2 k 1 ) ( 离散均匀分布) ，k 表示一行中的冲突数目( 重传时没 有上限要求) ，其中对于c s m a c d ，最小帧数目不能为0 。等待一段时间后，节点 会尝试着进行重传。例如，当两个节点都在等待第三个节点完成其传输时，它们首 先会以概率l 冲突，然后以概率1 2 ( 胙1 ) 冲突，再然后以1 4 ( 肛2 ) 冲突等。 图2 3c s m a c d 协议原理 以太网的优点：采用c s m a c d 协议，介质访问开销低，以太网对网络运作使 用的算法简单，在网络负载低时，网络传输时延小，响应速度快，有较高的信道吞 吐量。与令牌总线和令牌环协议比起来它没有使用通信带宽的代价获得对网络访问 的控制。 以太网的缺点：采用非竞争协议，不支持任何消息的优先级，在网络负载较重 的情况下，消息的冲突相当严重，大大影响数据的吞吐量增加了时延，且时延可能 是无界的。以太网受这样的影响由于使用标准二进制指数退避算法，节点退避而独 占一段延长的时间发送数据而不管其他节点是否在等待对介质的访问，这样导致了 介质访问的不公平，降低了网络性能。基于二进制指数退避算法的消息在经历一系 列冲突后会被丢弃，不能保证终端对终端的通信。由于限制了最小有效帧的大小， 1 2 华北电力人学硕十学位论文 以太网发送少量的数据也要使用大的数据包。 2 2 2 设备网( c a n 网) c a n 支持的拓扑结构为总线型。c a n 协议对数据量小的信息进行了优化处理， 使用c s m a a m p ( 信息优先级仲裁) 介质访问方法。因此，协议是面向消息的，每个 消息有规定的优先级，用来仲裁防止对介质的同时访问。c a n 协议采用多主竞争方 式结构：网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，即 当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线 优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送消息时，运用逐位仲裁原则，借助帧中 开始部分的标识符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受 影响的继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。例如， 规定0 的优先级高，在节点发送信息时，c a n 总线作与运算。每个节点都是边发送 信息边检测网络状态，当某一个节点发送1 而检测到0 时，此节点知道有更高优先 级的信息在发送，它就停止发送信息，直到再一次检测到网络空闲。 设备网的优点：c a n 总线是一个对短消息优化的确定性协议。消息的优先级在 仲裁域中指定，较高优先级的消息在仲裁中获得对介质的访问，因此，能缩短对高 优先级消息的发送延迟。 设备网的缺点：和其它网相比，c a n 总线的最大缺点是数据传送率低，最大为 5 0 0 k b s 。尽管它支持大于8 位数据片段，c a n 也不适用于大数据包消息的传输。 2 2 3 控制网( 令牌环和令牌总线) 基于令牌的传递协议有令牌总线和令牌环，两者都传输一个叫令牌的消息，只 有拥有令牌的节点才可向网络发送消息，每个节点在将令牌传给下一个节点以前对 令牌的占有时间是有限制的，由此在理论上每个节点访问网络的最大时延便被限定 在一个最大范围之内。令牌环是用于环形网络拓扑结构的介质访问控制协议 ( i e e e 8 0 2 5 ) ，是最为普遍的无冲突控制访问。称为令牌的这一特定格式的信息绕环 行驶，把访问介质的权利从一个节点传递到物理连接的另一个节点。其中，令牌有 两种，一种是空令牌，一种是忙令牌，只有获得空令牌的节点才能传递数据，携带 有数据的令牌称为忙令牌。希望发送信息的节点组织好数据帧处于等待状态，在获 得空令牌后，称为发送节点。发送节点先将空令牌变成忙令牌发送到信道上，紧接 着忙令牌的后面传送一帧数据到环上，数据帧的长度不受限制。当