（控制理论与控制工程专业论文）基于internet的远程智能排水控制系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 目前城市排水控制系统中存在无效耗能大、强降雨时污水溢出事故频发以及缺乏城市 全局协调控制等引发的问题，本文提出一种基于i n t e m e t 的远程智能排水控制系统，该系 统在现有的排水控制系统基础上，利用网络通信功能实现泵站间的协调控制、关键数据自 处理、系统远程监控、远程故障查看与恢复等功能。 本文首先构建了基于网络的城市排水控制系统整体框架，阐述了系统进行全局协调控 制的原理和内容，根据实际需求详细设计了系统应具有的功能和四种工作模式，并提出了 排水控制系统网络化后存在的相关问题。接着针对网络化系统中的时延测量、建模、估计 等问题，编写了网络时延测试程序，并对实测时延数据进行a r 建模与预测；针对网络中 数据包丢失的问题，提出采用k a l m a n 滤波器对传输中丢失的数据包进行预测补偿的方法， 在t m e t i m e 网络仿真平台上进行仿真验证。在此基础上，利用实验室现有的工控机、数 据采集卡、变频器、机泵等设备构成系统，在网络环境下对系统进行了模拟实现和运行。 在v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 n e t 编程平台分别开发了数据采集程序、服务器程序、s o c k e t 通信程 序、远程变频控制程序以及其它一些控制程序，构成了实验系统运行的软件平台。通过构 成的实验系统进行远程数据传送、远程变频调控等试验，验证了系统运行的稳定性和可靠 性，给出了相关实验曲线与结果。模拟运行结果证明，本文提出的基于i n t e m e t 的远程智 能控制方式是可行的。最后对i n t e r n e t 环境下系统实际运行的应用前景进行展望。 关键词：排水控制、智能调控、远程监控、预测补偿控制 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e m so fl a r g ee n e r g y c o n s u m i n g 、f r e q u e n to v e r f l o wa c c i d e n ta n d l a c k i n gc o r r e s p o n d i n gc o n t r o li nu r b a ns e w a g e p u m p i n gs y s t e m ，ai n t e l l i g e n tr e m o t ec o n t r o l d r a i n a g es y s t e mb a s e d o ni n t e m e tw a s p r e s e n t e d m a k e u s eo ft h e e x i s t i n g u r b a n s e w a g e - p u m p i n gc o n t r o ls y s t e m ，w eb u i l tt h es y s t e mw h i c hc a nr e a l i z e dt h ef u n c t i o n ss u c ha s m u l t i - p u m p i n gs t a t i o n sc o n t r o l 、s e l f - m o t i o nd a t ap r o c e s s i n g 、r e m o t em o n i t o r i n g 、l o n g - d i s t a n c e f a u l td e t e c t i o na n dr e c o v e r yc a p a b i l i t i e s f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ew h o l ef r a m e w o r ko fn e t w o r ko fu r b a nd r a i n a g ec o n t r o l s y s t e m ，d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t i o nc o n t r o l ，d e t a i l e dd e s i g n e df o u rw o r k i n gm o d e s f o rt h es y s t e md e m a n da n dp u tf o r w a r dt h er e l a t e dp r o b l e ma f t e ra d d i n gt h en e t w o r kt ot h e c o n t r o ls y s t e m t h e n ，a g a i n s tt h ei s s u e ss u c ha sm e a s u r i n g ，m o d e l i n g ，e s t i m a t i n gt r a n s m i s s i o n d e l a yt i m eo ft h en e t w o r k b a s e ds y s t e m ，w ep r o d u c e dt h et e s t i n gs o f t w a r ef o rn e t w o r kd e l a y ， a n dm o d e l e dt h em e a s u r e dd e l a yd a t aa sa d a p t i v ea u t o r e g r e s s i v e ( a r ) m o d e l ；t os o l v et h e p a c k e tl o s sp r o b l e mi nt h es y s t e m ，t h i sp a p e rr a i s e dt h em e t h o do fp r e d i c t i o nc o m p e n s a t i o nf o r t h el o s td a t ap a c k e t si nt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n b yk a l m a nf i l t e r ，t r u e t i m en e t w o r k s i m u l a t i o nw a st a k e n b a s e do nt h e s ea r g u m e n t a t i o na n ds i m u l a t i o n s ，b yu s i n gt h ee x i s t i n g e q u i p m e n ts u c ha si n d u s t r i a lc o m p u t e r 、d a t aa c q u i s i t i o nc a r d s ，t r a n s d u c e r s ，p u m p sa n do t h e r e q u i p m e n t s ，w ec o n s t i t u t e dt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fe x p e r i m e n t a ls y s t e mu n d e rt h ev i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 n e tp l a t f o r m t h e nt o o kt h ee x p e r i m e n t sa b o u tl o n g d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o n ， r e m o t e 仔e q u e n c yc o n v e r t e rc o n t r o l ，a n da tl a s tp r e s e n t e dt h ec u r v e sa n dr e s u l t so fe x p e r i m e n t s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h en e t w o r kc o n t r o la p p r o a c hf o rr e m o t ei n t e l l i g e n t c o n t r o lp r e s e n t i n gi nt h i sp a p e ra r ef e a s i b l ea n dh a v ea g o o da p p l i c a t i o nf u t u r e k e yw o r d s ：d r m n a g es y s t e m ； i n t e l l i g e n t - c o o r d i n a t e do p e r a t i o n ； r e m o t em o n i t o r i n g ； f o r e c a s t i n g - c o m p e n s a t i o n - - c o n t r o l ； 1 1 1 浙江大学研究生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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘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。 学位论文作者签 j 蟛签字胁护g 年乡月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名：名o o 劣 签字日期：沙。8 年与? h 导师签名： 签字日期： 6 埝q m y 月坊。 一孵 浙江大学硕士学位论文 致谢 值此论文即将付梓之即，谨向关心支持我的老师、朋友和家人表示深深的谢意! 短短的研究生学习即将画上一个句号，回顾这两年的学习与课题研究过程，我首先要 感谢的是我的导师汪雄海教授，汪老师知识渊博，治学态度严谨、对学生认真负责，不仅 教会了我许多学习上的技能，也给我灌输了许多生活、为人处事之道。特别是他对科研、 生活的热情和积极进取的态度深深感染了我，为我今后工作、生活树立了榜样。学生的点 滴进步无不凝聚着导师的心血，在此对汪老师表示衷心的感谢! 感谢实验室的战友们，这个充满智慧、团结活泼的大家庭为我两年的学习生活创造了 许多美好的回忆。感谢何中杰师兄在课题研究、项目中对我的指导和无私帮助。感谢陆玲 霞师姐对本论文的帮助以及一直以来的关心，感谢我可爱的室友们，两年的生活因为有你 们的陪伴而充满快乐。 感谢我的父母，在我求学的阶段一直给予了最大的鼓励和无私的支持。你们的爱永远 是我前进的力量! 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家致以真挚的谢意! 郭晓芳 二0 0 八年五月 于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 本课题由浙江省重大专项“分布式大流量机泵群高效节能综合优化控制系统”资助。 1 1 1 城市排水控制系统概述 城市排水系统是由广区域内的集 水井、地下污水输送支、管道网络和大 小排水泵站组成的复杂分布式系统【l 】。 它是城市环保与生活的重要组成部分， 我们可以通过对泵站进水量和排水量 的控制实现对城市排污、蓄水量等的调 节，避免污水和雨水在城市内累积，保 证城市道路的正常通行和维护城市环 境的清洁。浙江省杭州市的城市排水系 统由两座污水处理厂及6 0 多座泵站构 成，如图1 1 。依地势西高东低的特点， 排水系统为了加快管道内水的流速，通 常采用泵站提升水头加压的方法，按阶 段逐级提升污水排送到污水处理厂【l j 。 图1 1 城市污水管网系统图 除了分布地域广的特点，城市排水系统也是一个大 滞后非线性系统，其中污水流量、水位高度等受降雨、人为排放及管道的纳容、回流等不 确定因素的影响，具有较高的控制难度。目前杭州市排水控制系统的现状是单个泵站内人 工值守，由浮球或者水位传感器等进行监控，属于应付式的直接排放管理，控制操作与个 人经验、训练程度、责任程度有很大关联，仍存在很大安全控制问题与节能效益提升的空 间。 1 1 2 网络控制系统概述 广义上网络控制系统( n c s ) 可以定义为：面向复杂分布式控制应用或控制对象，采 用计算机和网络通讯技术，将传感器、执行器和控制器通过共享介质的网络进行通讯，在 浙江大学硕士学位论文绪论 各功能模块化的控制节点或子系统间传递控制和管理信息，通过网络形成闭环回路，并结 合相应控制策略和方法完成复杂的整体控制功能而形成的分布式控制系统3 1 。 f f , p r o f i b u s ，c a n ，c o n t r o ln e t 等现场总线技术以及工业e t h e m e t 技术的成熟应用为自 动控制领域系统的网络化提供了载体，n c s 是现场总线的进一步扩充，其网络的含义又不 局限于现场总线。n c s 最先应用于物理设备层的遥控、遥测等，通过网络使跨空间、跨距 离的控制变成可能。同时，网络控制使得分布式信息的收集、综合利用变得更加方便，于 是产生了专家智能决策系统的设计与应用。但是，网络的工作机理决定了现实n c s 应用 中有限带宽和承载能力的限制，不可避免地出现信息的随机传输时延和不确定的数据包丢 失。因此，对网络控制系统的建模、分析和设计，有其自己的特色和要求，同时也具有一 定的难度。 1 1 3 研究意义 ( 1 ) 城市环保和节能一直以来都倍受各国关注，城市排水系统又属于高能耗系统，目 前还存在着巨大的节能空间，实现综合控制后将为国民经济的发展带来可观的经济效益； ( 2 ) 传统城市排水系统的控制方式为单个泵站的控制，节能- 9 环保是相互约束的。本 文研究从全局控制出发，通过智能决策系统，对整个城市区域的泵站实行统一有序的协调 控制，实现城市范围内的最优控制； ( 3 ) 管理人员通过远程网络掌握排水系统实时运行状况。通过网络进行故障排除和设 备检修突破了空间距离； ( 4 ) 方便管理人员远程控制，通过历史数据可以预测年降雨量等不确定因素，为城市 排水控制系统的预测控制等提供参考依据； ( 5 ) 开创城市的排水系统干净高效控制的新局面，通过智能控制策略解决多泵站链级 控制、远程网络控制的问题，实现排水泵站真正的无人值守。 综上所述，对城市排水控制系统进行信息化的综合管理对提高城市排水网管理水平、 维护城市安全运行、改善城市环境具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市排水控制系统现状 发达国家的城市排水智能控制通过构建不同的泵站网管模型实现，热点集中在算法和 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 控制策略、应用基础研究上。目前发达国家已将它作为城市的基础设施之一，用于城市动 态管理和规划发展，并将它作为对城市重大问题和突发性事件进行科学决策的现代化手 段。1 9 8 8 年美国的h u b e r 和d i c k i n gs o n 提出了e p a 地区的s w m m ( 污水管理模型) ，1 9 8 9 年日本东京都下水道局对汤岛泵站进行改造探索，把模糊控制技术用于合流式污水泵站， 获得初步成功，并改变了排水领域难以实现自动化的观点。1 9 9 5 年英国伦敦建立了用可 编程控制水泵的地下水排放系统。1 9 9 9 年俄罗斯国建立了莫斯科城市污水管网系统数学 模型，该模型还有局限性，综合效益满意度有待进一步提高。总的来说，美、欧等发达国 家在这一领域的研究已从理论型逐步转为实用型，但还未有城市范围的大区域污水泵站综 合协调自动控制系统的研究与应用。 在1 9 8 7 年，北京市城市测绘院提出了建立排水管网信息系统的设想。目前广州市、 天津市、大庆市东城区等城市已经建立或正在筹备建立排水信息管理系统，通过国产软件 的支持，该系统可通过专用网络支持用户远程登录、查询和收录远程监测系统传回的数据， 具备运用数学模型对雨水管道系统排除路面积水所需时间进行预测等功能【4 】。然而现有专 业应用软件只实现了一般的地理信息共享、泵站监视、数据存储等，大部分自动控制只针 对单个泵站内的p l c 控制，没有采用节能高效的控制策略，更未考虑到分布式综合控制。 1 2 2 网络控制系统现状 从实际应用的角度上，国外已有采用网络进行远程分布式控制的先例。美国国家航空 航天局( n a s a ) 航天中心在1 9 9 3 年与t e x a s 州的四所大学成功地进行了机器人远程分布式 控制试验。通过i n t e m e t 在j o h n s o n 、a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测和性能分析。1 9 9 6 年日本也开始试验用i n t e m e t 进行多机器人异地远程协作控制。1 9 9 8 年n a s a 在进行举世 瞩目的“火星探路者”计划的同时，还开发了一套通过i n t e m e t 访问火星探路者机器人的 系统，用户可p j , 通过i n t e m e t 获得火星机器人的数据和视频图像并可进行模拟控制【4 1 。在 国外机器人控制领域，目前研究的热点仍然在于如何提高数据、图像等传输的实时性和可 靠性问题。 国内对网络控制系统的研究大多处于理论分析以及局域网试验阶段。在国内高校，如 中科院沈阳自动化所研制的主从异构虚拟监控操作系统；清华大学研制的面向空间机器人 的分布式虚拟预测仿真系统；东南大学力觉临场感及遥控系统研究【4 1 。 本课题尝试将智能控制策略与网络技术相结合应用于城市排水控制系统，提出通过 i n t e m e t 网络对排水控制系统进行有序协调控制的思维，并针对系统中数据传输的实时性 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 与可靠性问题，提出有效的解决手段，实现城市范围内安全可靠、高效的远程排水综合智 能控制。 1 3 本课题研究目标及主要内容 1 3 1 课题研究目标 针对我国城市排水控制系统分布式的结构特点，建立协调、节能的远程智能排水控制 系统是本课题研究的最终目标。通过确定系统总体思路和各部分实现的功能框架，解决控 制系统中出现的数据传输时延与丢包问题，建立实验模拟系统并使之协调、稳定的运行是 本课题的具体研究目标。系统总框架如图1 2 所示。 数据库服务器 服务器 智能控制器 天石两 一阵习。眄厕琵订 人机界i， 云台l 呻| 视频服务f f 。：“l 一 客户端1 ( 台本地数据库) 客户端2 客户端1 1 _ 1 传感变送 謇怖 频i l ! ：= 器幅 图1 2 系统结构框架 基于i n t e m e t 的远程智能排水控制系统主要由网络通信、客户端监控软件、服务器数 据库与智能控制策略、泵站机组等构成，主要有现场测控端、中心服务器、远程客户端三 个部分，它们的具体任务分别有： ( 1 ) 现场测控端的任务有数据循环采集、数据打包上传处理、数据传送加密、控制命 令的解析、调用，控制模式识别与切换等； ( 2 ) 中心服务器的主要任务有用户身份验证、数据存储、数据包解析、时延预测、丢 包补偿、多泵站有序协调的智能决策等； ( 3 ) 远程客户端的任务有数据包解析、上传、实时历史水位曲线显示、泵站远程控制 竺 可。 其中，中心服务器是控制系统协调运行的核心处理环节。它不但对各泵站全局最优运 行参数进行计算，还要考虑网络性能等客观因素的影响，对发生信息阻塞、时延或是信息 包丢失的情况进行判定。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 2 本文主要内容 ( 1 ) 控制系统中网络时延测定及预测 首先对产生网络时延的原因进行9 3 纳总结，分析时延对控制系统的影响。在理论研究 与探讨的基础上，建立网络时延的预测模型，最后将其应用于远程排水控制系统网络时延 的测量与预测。 ( 2 ) 数据包丢失问题的解决 针对i n t e r n e t 传输中数据包丢失问题，详细分析丢包率对控制系统性能的影响，通过 数据传输时延进行数据包丢失的判定，提出用k a l m a n 预测算法对所丢失的数据包进行预 测补偿的控制方法。最后在模拟系统中进行仿真与试验。 ( 3 ) 系统控制模式的平滑切换 针对i n t e m e t 远程智能排水控制系统中控制模式正常平滑切换的问题，寻找一个合理 的切换规律，使系统能够实现本地一远程以及远程一本地平稳的切换。 ( 4 ) 远程智能排水控制系统协调运行 在城市排水控制全局有序协调的思维下，建立实验模拟系统，采用分段p i d 控制策略 和机泵自动启停组合策略，实现系统在不同目标水位下的稳定运行。 1 4 本章小结 在本章中，首先介绍了城市排水控制系统的背景，并针对其中存在的自动化程度不高， 信息化程度低，环保与节能无法兼顾的问题，提出建立一个基于i n t e m e t 的远程智能排水 控制系统；接着对国内外城市排水控制系统以及网络控制系统的现状作了归纳，最后阐述 本文的研究目标和所做的工作。 浙江大学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 远程智能排水控制系统 第二章基于i n t e r n e t 远程智能排水控制系统 从1 1 3 节内容可知，只有将通信机制引入当前排水控制系统，实现各泵站之间的协 调排放，才能从根本改变当前泵站控制中节能与环保的矛盾以及由此带来的一系列问题。 利用现成的i n t e m e t 网络，只需配置系统所用的服务器等少许硬件设备即可，无需构建专 用网络，具有花费小，实现方便的优点。 2 1 远程智能排水控制系统结构 将i n t e m e t 网络引入当前的排水控制系统，与中心服务器、各泵站内下位工控机、集 水井液位传感器、机泵组、变频器、接触器等构成远程智能排水控制系统，其结构图如图 2 1 所示。 远程客户端j 卜l 远程客户端l料 1 除 i n t e m e t l i 伸心服删釉k 炉u 例至兰竺i 一 a墨i 远程客户端i 、i 马。出泵蝴三n l1 泵站ni k 除 i ( 下位j i ：控机) i 变频器、 液位传感器 远程客户端 执行机构等 1 n 0 。l 弋 士i 舌；砰肇 i 倒。承行i 工 智能排水控制系统 图2 1 基于i n t e m e t 的远程智能控制系统结构图 系统正常运行时，各泵站内的下位工控机通过液位传感器对集水井内的液位、机泵组 频率等进行循环采样，通过i n t e r n e t 网络将实时状态值传送至中心服务器；中心服务器根 据泵站参考液位发出控制数据包，分别传送至各泵站；下位工控机将接收到的远程控制信 号输出给变频器、接触器等执行设备，经过相应的处理后传送给机泵，从而实现机泵的控 制。当网络出现故障时，各泵站内的下位工控机也可以根据自带的本地控制算法计算控制 6 浙江大学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 远程智能排水控制系统 量，将控制量直接传送至执行设备，实现机泵组的本地控制。 2 2 系统控制功能要求与运行模式 虽然本课题的最终目标是在城市范围内实现排水控制系统协调、安全的无人值守、系 统关键数据的自处理。但为了适应不同的网络条件，满足不同的控制功能需求，本文设置 了系统四种不同的运行控制，使得远程智能排水控制系统更加节能安全、稳定的运行。一 个完善的智能排水控制系统有四种运行模式为：全区综合协调运行、泵站内自动运行、远 程遥控方式和现场手动控制。 2 2 1 全区综合协调运行 泵站l i 。h k 泵站d 泵掰k 实线为排水管道；虚线为网络通道 图2 2 全区综合 i 办调控制示意图 全区综合协调运行是城市智能排水控制系统的最大特点，在这种控制方式下，不仅使 整个系统实现效率最优、能耗最小的运行，更能保障系统在突增降雨量或干旱期实现更合 理的控制。简要介绍下控制系统工作原理： 图2 2 所示，虚线为网络通道，实线为污水排水管道。位于网络中间的服务器实时监 测全市内各个泵站( 泵站1 ，k ，r l ，) 的水位、污水流入量、流出量、机泵功耗等， 根据综合控制决策系统，通过计算每个泵站的最佳目标水位( h i ，h k h n ) ，对这n 个泵站 进行协调统一的控制，使城市区域内的泵站全局效率最优。在正常运行的时候，每个泵站 浙江大学硕士学位论文基于i n t e m e t 远程智能排水控制系统 根据各自的目标水位h i ，进行合理机泵运行组合和变频调节，控制泵站内污水不溢出，机 泵能耗最低；而当出现突然大降雨使泵站内水位骤增，或者某个干旱季节集水井出现水位 低的情况，该控制方式能实现更好的控制性能。假设泵站a 有洪峰来临，在传统控制中会 先增加泵站a 中抽水泵的运行台数，增大排出量来降低泵站a 的污水水位，但这样容易 造成泵站b 的污水进水量增加，导致泵站b 内污水来不及排出，出现污水溢出的危险。 当采用网络进行全局控制时，控制的顺序为：中心服务器检测到泵站a 出现洪峰，增大泵 站a 的污水排出量，同时计算该洪峰到达下一级泵站所需要的时间；以便泵站b 提前动 作，增大污水排出量使泵站内污水容纳能力变大；若泵站c 的水位较高，而泵站d 的水 位较低时，可调剂泵站b 排出的污水送往泵站d 方向，否则很容易导致泵站c 和泵站b 区域的污水溢出。 2 2 2 泵站内自动运行 泵站内自动运行功能是为了避免在网络检修、网络中断或是中心服务器出现故障时， 泵站接收不到全局控制命令而造成系统失控所设置的，同时也是泵站实行无人值守、全局 协调运行模式的基础。泵站内自动运行是指在每个泵站内，屏蔽网络最优水位信号，完全 由下位工控机根据本站污水流量和本地控制策略，控制站内机泵启停、泵机运行台数、机 泵运行转速等来控制泵站集水井水位，达到单个泵站自动运行效率最优的目的，无需人工 干预。泵站自动运行功能的实现，要求泵站能够在全局协调控制模式和本地运行模式之间 正常切换，这将在第五章中进行分析。 2 2 3 远程遥控方式 远程遥控方式是指集控站内的值班人员或上一级管理人员在远程登录城市排水控制 系统时，对单个泵站进行人为的机泵启停、变频等操作。该控制模式的设置是为了实现管 理人员或检修人员在泵站出现特殊情况无法自动运行的情况下，通过摄像头查看泵站内的 实时画面，根据报警信号或者传输过来的图像、声音等超媒体信号对设备进行查看、检修、 试验以及手动故障复位的功能。由于远程遥控是人为对泵站的物理设备进行控制，容易产 生误操作，安全系数较低，需要进行操作权限设定等。 2 2 4 现场手动控制 虽然依赖网络的全局协调运行、远程遥控等运行模式能实现城市智能排水控制系统的 8 浙大学擘位* 女基f i 咖e t 4 智排水拉制统 绝大部分功能，但考虑到系统调试或后备操控的完备性，现场手动控制的功能是不可缺少 的。现场手动控制在排水控制系统中的操作权限是最高的，它分为就地手动按钮控制和现 场触摸屏控制两种手动方式，如图2 3 所示。就地手动按钮控制是通过控制柜上的按钮对 机泵等设备进行启停操作，触摸屏是针对不需要经常更改的复杂控制配置的，它与可编程 控制器相连，使操作人员更直观明7 、方便简洁地进行操作。现场手动控制是传统泵站内 的主要控制方式，但因其过于依赖值班人具的工作经验和工作责任感，在本文研究的系统 中并不是最主要的控制方式。它主要用于现场设备检修故障恢复等情况。 髓 o - 一 ：1 匿2 3 控制扣面板按钮及魁摸屏 2 3 排水控制系统网络化存在的问题与解决方法分析 基于i n t e m e t 的远程智能排水控制系统在中央服务器的有序协调控制下能够实现全局 效率最优控制、提高城市的节能、环保程度但是，网络的引进同时也为控制系统带来了 一些问题。从控制角度上来说，首先，由于现有的网络带宽是一定的，若系统中出现频繁 的数据传输与数据交换，不可避免地会产生传输时延的司题：其次，中心服务器与各泵站 之问以及各泵站之问均存在较长的传输距离，在数据传输过程中要经过路由转发、过滤， 在路由节点上产生数据包碰撞，或眭时问排队等待会发生数据时延或丢失的问题 网络传输中的时延和数据包壬失将使中心服务器对各泵站状态变化反应不够及时、准 确，或使远程控制器到达执行器的控制命令产生滞后：而数据包丢失豆会使泵站因收不到 控制命令而失控因此，网络时延和数据包丢失会影响远程排水智能控制系统的稳定性和 运行的安全性，是急需解决的问题。 曼t 浙江大学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 远程智能排水控制系统 2 3 1 网络时延的解决方法探讨 针对网络化控制系统中的时延问题，已有许多学者对此进行研究并提出了相应的解决 方法： ( 1 ) 时钟同步方法 假设网络节点a 向b 发送数据包，则节点b 收到的数据包时间戳- 9a 发出数据包时 间戳的差值便是网络时延。由于a 、b 处于网络中不同的结点，它们之间的系统时钟往往 是不同步的【5 1 。因此，要利用时间戳进行网络时延计算就必须把所有结点的时钟同步。要 做到所有结点的时钟完全同步是很难的，它作为一个单独的研究方向已有许多复杂的研究 算法。在本文中，为了避免讨论时钟同步带来的复杂算法而影响讨论的连续性，采用由节 点a 发出数据包至节点b ，节点b 立即将该数据包返回的方法，计算数据包传输往返时 延的一半来表征单程时延的特点，进而避免结点时钟不同步所带来的问题。 ( 2 ) 固定时延方法 解决网络时延最简单方法是在所有的传输过程中把它当成一个常数。根据网络传输的 媒介不同，在传输过程中引入收发缓存，通常这个缓存区比传输过程中最大的时延还要大， 那么传输时问就可以认为恒定为缓存的大小【5 1 。在时延变化较小或是系统的采样时间、数 据传输间隔比通信引入的延迟大得多的时候，就可以采用把时延固定化处理的方法 6 1 ( 例 如对令牌网络中时延的处理) ，进而建立具有固定时延的系统模型。但针对时延变化较大 的i n t e r n e t 网络时，这种方法使得小时延也变大，反而会增大控制系统的时延，会导致系 统实时性和控制性能变差。 ( 3 ) 随机时延建模 大部分网络时延是随机时延，网络随机时延建模有神经网络、马尔科夫、自回归等方 法，各具优点。本研究采用自回归( a r ) 对网络随机时延进行建模、分析、预测。 2 3 2 数据包丢失问题的讨论与解决 针对网络化控制系统中数据包丢失的问题，1 9 9 9 年h a s s i b i 和b o y d 提出将具有丢包 事件的n c s 建模为具有事件率约束的异步动态系统理论【7 1 。建立在该理论基础上，大致有 两种数据包丢失控制方法： 第一种是在假设网络丢包率已知的前提下，利用线性二次型对n c s 进行建模( 包括 单包传输和多包传输模型) ，推导出系统指数稳定的条件，并针对丢包情况设计出使系统 1 0 浙江大学硕士学位论文基于i n t e m e t 远程智能排水控制系统 稳定的控制器【8 1 。 第二种方法是针对第一种方法中传输时统计量大，计算复杂的缺陷，提出的基于观测 器的补偿控制方法【9 1 。通过对丢包时刻的系统状态进行预测补偿来减少丢包对网络控制系 统的负面影响。 本研究针对对象状态不完全可观的情况，采用k a l m a n 滤波作为状态观测器，进行丢 失数据包的预测补偿，详细分析见第四章。另外，针对观测器补偿方法对网络长时闻丢包、 甚至网络中断时的补偿效果有限，探讨了系统全局网络控制与本地控制切换规律，提高系 统运行可靠性，具体分析见第五章。 2 4 本章小结 本章将i n t e m e t 网络引入现有的城市排水控制系统，给出了远程智能排水控制系统实 现的结构框图。详细分析了该系统应满足的控制要求与功能，设计了四个相应的运行模式。 最后提出了排水控制系统网络化后将存在的网络时延与数据包丢失的问题，对现有的解决 办法进行借鉴、归纳并提出了对时延进行自回9 3 建模和l m s 预测，对丢包进行k a l m a n 预测补偿的方法，具体分析见第三章和第四章。 浙江大学硕士学位论文 网络时延的建模与预测 第三章网络时延的建模与预测 3 1 系统中网络时延构成 、u ( k ) u 【k t 一：y ( 垒 一 远程控制器 r c a 被控对象 ，k r r i i i l - 下s c 传感器 y ( k t f ：c ) 卜 k 图3 】网络时延构成示意图 远程智能排水控制系统中网络时延的构成如图3 ，1 ，主要有三部分构成： ( 1 ) 传输时延 网络传输时延是由传输距离、传输的数据包大小和网络带宽共同影响造成的。主要是 传感器和控制器之间的通信延迟。和控制器和执行器之间的通信延迟带，是网络控制系 统中时延最主要的组成部分。 ( 2 ) 执行时延 主要是控制器中的数据处理延迟，包括控制指令、数据信息包的解析、智能控制算 法计算的执行时间。一般来说控制器的计算时闻相对采样周期、传输时廷小很多，因此可 以忽略不计。 ( 3 ) 扰动时延 数据包传输中不可预测的扰动，如网络负载的变化。采用专用网络时，扰动时廷较小， 其时延的测试并不太困难。而在i n t e m e t 中不同阶段网络的负载量是不同的，在每一周和 每一天的不同时段，变化幅度最大可能达到5 0 左右。考虑到网络信息传输的随机性， 要构造精确的网络传输时延数学模型非常困难，在微观上没有规律可遵循，而只能从宏观 上通过其统计特征进行研究。 3 2 网络时延的测量 在网络控制系统中，测量的时延大小不仅受到网络传输媒介性能的影响，还与测量具 体方式密切相关，主要体现在：测量时采用的传输协议类型。不同的协议有着不同的发 送机制和速率控制模式，往往要根据实际的情况来选取合适的通讯协议。测量时传输的 1 2 淅大学学位论x 日络时廷的建模5 预测 数据包大小、发送频率。在带宽一定的情况下，数据包的大小、发送频率与传输时延成反 比。数据包越大，频率越高，其传输时延也就越大i “。减少数据传输量固然能减小时延， 避免产生网络拥塞或丢包，但系统中控制器所获取的现场信息就可能不足，也将影响控制 效果。 控制领域对网络时延的测试与分析大多采用简单的p i n g 指令，该指令默认发送3 2 字 节的数据包，这种测量方法并不是针对所研究的控制系统设计的，所测并不是实际控制时 的网络时廷，故将导致瓤量结果不准确。基于以上原因，本文在系统客户端上加设了网络 时延测试程序，通过数据包往逗时间进行网络时延的测定与研究，具体方法如下： 实验中共用到了呒络内的三台计算机a 、b 、c ，其中设定计算机a 的i p 为 1 0 1 4 1 1 02 2 0 、计算机b 的i p 为1 0 1 4 1 1 02 2 1 ，a b 均位于校园网内；计算机c 的i p 为 2 1 03 2 1 8 62 4 ，位于外部网络，a 、b 通过v p n 与外网计算机c 相连。由计算机a 在t 1 时刻向计算机b 发送一个数据包，计算机b 收到后立刻将该数据包传回计算机a 设计 算机a 收到回送的数据包时问为t 2 ，将前后时问相减印可得到数据包往返的网络时延 r t t ，可近似认为控制系统中网络时延q - r t t 2 。在实际控制系统中，传送的数据包大小 一般为6 4 字节到1 2 8 字节之间，在此我们设定数据包的大小为6 4 字节。在每天不同的时 段进行多次的测量，将测量的结果存储并加以统计。在测量时，仍运行普通网络程序，以 保证正常工作情况下的网络负荷测量的软件界面如图3 2 所示。 田32 时延测量软件界面 分别在校园同内计算机a 、b 之间和计算机a 、c 之问进行测试，把所剥得的数据r k f 2 后按时间颇序展开，提取某两次实验的测量数据进行观察分析，图3 3 为局域网内的剥量 结果，田3 4 为外网中时延测量结果。 3 浙江大学硕士学位论文 网络时延的建模与预测 h 趔 啦i 露 期 曾 h 趔 喇 蕃 翻 留 i , i jh v m ，一一 i _ 。“j k l l5 4l 0 _ l b o2 1 32 6 63 193 t 24 2 ：54 2 85 ；3 15 846 3 76 9 0t 4 37 9 68 4 99 0 29 5 5 时间t 图3 3 局域网时延测量结果 l5 l1 0 1l j l2 0 l2 5 1s 0 135 l0 1，l 时间t 图3 4 外网中时延测量结果 图3 3 中测量所得局域网中网络时延的平均值为5 2 m s ，最小时延为5 l m s ，最大时延 为1 2 5 m s ，从中我们可以看到，局域网内的时延整体分布较为平均，偶尔会产生时延突变 的情况；图3 4 中测量的网络时延的平均时延为1 3 0 m s ，最小时延为6 8 m s ，最大时延为 2 5 0 m s ，时延发生突变的情况比图3 3 中频繁。通过两组测试结果分析，由于外网中用户 较多，且网络的应用情况复杂，网络上数据传输流量、负荷的变化比局域网中频繁，因此 时延的变化更加随机和不确定。 从表面上看，在局域网和公网中所测的网络传输时延都具有随机性、不确定性，这是 因为构成网络时延的众多因素具有不确定性。但对比一天的同一个时段的多组测量数据发 现，网络时延大小总是在一定的范围内分布的。由此可知看似随机的网络时延还具有一定 的平稳性，这就使预测网络时延成为可能。 由于网络时延的变化是由与之相互作用着的多种因素共同决定的，而这些因素的信息 就隐含在其时延序列的样本集中。如果将网络时延看作具有高度非线性特征的时间序列， 则可以通过对该时问序列的样本集进行分析，提取其内部蕴藏的信息。 1 4 们卸印如三。 渤 珊 抛 抛 抛 o 浙江大学硕士学位论文网络时廷的建模与预测 3 3 自回归( a r ) 模型 时间序列估计中主要的参数模型有：自回归模型a r ( q ) 、移动平均模型m a ( q ) 和自回 归移动平均模型a r m a ( p ，q ) 。其中a r 模型具有良好的性能，在数据信号处理、噪声信 号的估计中是被研究最多并获得广泛应用的一种模型。 本章把网络时延作为一种时间序列进行白回归建模、分析和预测，选用a r 模型有两 个原因：( 1 ) 因为n c s 对实时性要求较高，而a r 模型在参数估计时计算量比a r m a 模型 小；( 2 ) 即使最后分析得到的网络时延是a r m a 或m a 模型，也可以用高阶的a r 模型来 逼近。 3 3 1 平稳时间序列与a r 模型 平稳随机序列常看成是由一个典型噪声源激励线性系统产生的，这种噪声源一般是白 噪声序列源。a r 模型就是把时延序列x ( n ) 看作是由白噪声w ( n ) 通过线性系统h ( z ) 后 产生的。 图3 5a r 模型 图3 5 中x ( n ) 为输出的时间序列，h ( z ) 9 线性系统模型，w ( n ) 是均值为0 ，方差为瓦 的噪声。 自回归a r 模型( a u t o r e g r e s s i o n ) ，是时间序列对自己的回归，把输出看成是现在的 输入和过去历史观测值的加权和。它不受模型变量相互独立的假设条件约束，所构成的模 型可以避免普通的回归预测方法中由于自变量选择、多重共线性等造成的求解困难。 p 阶的a r ( p ) 模型差分方程为：五十口l 置一l + 呸一2 + + 口p 墨一p = w ( n ) ； 线性系统函数h ( z ) ：h ( z ) = l + a 一十口2 z 一2 + z p ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中墨为t 时刻的网络时延；呸( i = l ，2 n ) 是h ( z ) 线性函数的系数，是对以 前n 个时延测量值的加权系数，通过求加权系数便可得到时间序列x ( n ) 的a r 模型。 浙江大学硕士学位论文 网络时廷的建模与预测 3 3 2 自相关函数及其性质 性质1 名( o ) f 名( 脚) l ，即时间序列的相关性是随着时间差的增大而减弱的； _ o ( o ) o ( 一1 ) o ( 一朋) 性质2 自相关系数矩阵欠肼：1 名：( 1 ) j o ) 一：o 一册+ 1 j 是正定的，且为 性质3o ( o ) o ( o ) l ( m ) r ； 雕r a 熙m - d 剽辫 2 ， 【名( 聊)o ( o )j l _ ( p ) jl 6 j a p t ( 尼= 1 ，2 ，p ) 与自相关函数的关系如式( 3 3 ) ，式中a p k ( 七= 1 ，2 ，p ) 为p 阶预测器的 - 名( o ) r x ( - d 名( 一聊) la p lr 名( 1 ) 心nr a p ) ( ? + 1 ) 1 1 2 - - 1 名( 2 ) l ( 3 3 ) i： ： l l ： ： l l r a m ) o ( 朋一1 ) r a o )j f 口印ll ( p ) j 1 6 浙江大学硕士学位论文网络时延的建模与预测 3 3 3 自相关法和a r 模型定阶 进行a r 模型参数辩识时，预测误差功率p = i 1 l e ( 酬2 ，e ( n ) 为预测误差；进行a r v n = 模型参数辨识与模型定阶时，最常用自相关法( 即y u l e w a l k e r 法) ，选择参数使得预测误 差的功率p 最小。 模型阶次p 越大，对时间序列的拟合越好，预测误差功率p 随之而减少，或者保持不 变。但是随着模型阶次的升高，模型需要辩识的参数增多，将引起估计误差的加大。所以 应该同时考虑预测误差功率的减少与模型参数增加的影响。 采用最小信息准则( 即a i c 准则) 是进行模型定阶，a i c 准则可用下式表示【4 8 1 ： a i c ( k ) = n l n ( p k l + 2 七 ( 3 4 ) 式( 3 4 ) 中k 为模型的阶次；p k 为k 阶模型的预测误差功率；n 为观测数据