（检测技术与自动化装置专业论文）网络控制系统及其在水电站中的应用.pdf

摘要 网络控制系统，简称为n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) ，是将传感器、控制器、 执行器等设备通过实时网络构成的闭环反馈控制系统。n c s 是控制理论、计算机技术、 网络通讯技术等发展和综合的产物，具有信息资源共享、低成本、使用灵活及易于维护 等优点，在工业自动化和航空航天控制系统中得到了广泛应用。由于n c s 将通信网络 引入到闭环控制系统中，网络传输中带宽有限、分时复用、数据传输路径不确定等因素， 将会出现网络时延等问题。网络时延会降低控制系统的性能，甚至导致系统失稳，这给 n c s 分析、设计带来了很大的困难。 针对网络控制系统存在的时延等问题，本文进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 以自动化工程中常用的p l c 和p r o f i b u s d p 组成的典型n c s 为研究对象， 深入分析总线主站内部工作机制和p r o f i b u s d p 通信协议特点，针对单主站系统信息 处理特点，建立“1 n 处理模型，研究计算高优先级信息最大传送时延的方法。 ( 2 ) 针对n c s 中存在的时延问题，在分析网络时延特点的基础上，提出采用预测 控制对网络时延进行补偿的方法，设计了预测控制产生器与网络延迟补偿器。考虑到网 络控制系统中存在的时钟不易精确同步、前向时延和后向时延难于测量等问题，采用了 易于测量的往返时延来实现预测控制系统的构建。 ( 3 ) 针对实际项目“水电站监控系统的设计”的要求，设计了基于p r o f i b u s d p 的网络控制系统，采用预测控制对其网络时延进行时延补偿，应用t r u e t l r n e 工具箱建 立了水电站网络控制系统仿真模型。仿真结果表明，预测控制不仅能对系统的固定网络 时延进行补偿，对随机时延也有良好的补偿效果。 关键词：网络控制系统，p r o f i b u s d p ，水电站监控系统，时延补偿。预测控制， t r u e t t m e 工具箱 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 ( n c s ) i saf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mw h e r ec o n t r o l l e r , s e n s o r a n da c t u a t o rn o d e sa r ec o n n e c t e dt h r o u g hr e a l - t i m en e t w o r k n c si sa no u t c o m eo f d e v e l o p m e n t a n d i n t e g r a t i o n o fc o n t r o l s c i e n c e ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n do t h e rt e c h n o l o g i e s i th a st h ea d v a n t a g e so fr e s o u r c e ss h a r e ，r e d u c e d s y s t e mc o s t ，i n c r e a s e ds y s t e ma g i l i t ya n dc a s eo fs y s t e mm a i n t e n a n c e s ，s on c s h a sb e e nu s e d w i d e l yi nt h ef i e l d so fi n d u s t r i a la u t o m a t i c s ，n a v i g a t i o nt e c h n o l o g ya n da e r o s p a c es c i e n c ei n t h ep a s tf e wy e a r s b e c a u s en e t w o r ki si n t r o d u c e di nt h ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m ，d e l a yi s i n d u c e db yw a i t i n g ,c o l l i s i o na n dc o n g e s t i o nf o rb a n d w i d t hc o n s t r a i n t ，t i m e s h a r i n g m u l t i p l e x i n g ，u n c e r t a i n t y i nt r a n s m i s s i o np a t h ，e t c t h e d e l a yc a ni n f l u e n c ec o n t r o l p e r f o r m a n c e ，i tc a ne v e nc a u s es y s t e mi n s t a b i l i t y , w h i c hb r i n g sd i f f i c u l t i e st oa n a l y s i sa n d d e s i g no fn c s a i m i n ga tt h ep r o b l e mo ft i m ed e l a yi nn c s ，t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t ht y p i c a ln c sc o n s i s t e do fp l ca n dp r o f i b u s - d p , w h i c h i su s e dc o m m o n l yi n a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g ，a sas t u d yo b j e c t ，t h ei n s i d ew o r ki nm a s t e rs t a t i o na n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r es t u d i e d ，b a s e do nt h e c h a r a c t e r so fm o n o m a s t e rn e t w o r k ，t h e ”1 - n ”p r o c e s s i n gm o d e lo fh i g l lp r i o r i t ym e s s a g e si s s e tu p ，s u b s e q u e n t l y , t h em a x i m a lt r a n s m i t t i n gd e l a yi sf o r m u l a t e d ( 2 ) t or e s o l v et h ep r o b l e mo ft i m ed e l a yi nn c s ，ap r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi s p r e s e n t e dt oc o m p e n s a t ef o rt h ed e l a y sb a s e do na n a l y s i sg e n e r a t i o nm e c h a n i s mt h e c h a r a c t e r so fn e t w o r k - i n d u c e dd e l a y t h ec o n t r o l l e rp r e d i c a t i o ng e n e r a t o ra n dn e t w o r k e d d e l a yc o m p e n s a t o ra r ed e s i g n e d t h ed i f f i c u l t i e so ft h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni nt h ep r e s e n t n e t w o r km a k e si tn o te a s yt om e a s u r et h ei n d i v i d u a lf o r w a r da n df e e d b a c kn e t w o r kd e l a y s ，s o p r e d i c a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h er o u n dt r i pt i m e ( r t od e l a yw h i c h i se a s y t om e a s u r e ( 3 ) a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t t h ed e s i g n o fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ( s c s ) o fh y d r o p o w e rs t a t i o n ，n c si sb u i l tu po nt h eb a s eo fp r o f i b u s - d et h ep r e d i c a t i o n c o n t r o l l e rs t r a t e g yi sp r e s e n t e dt oc o m p e n s a t et h en e t w o r k i n d u c e dd e l a y si nn c s t m e t t m e t o o l b o xi so b t a i n e dt os i m u l a t ee x p e r i m e n t sf o rt h eh y d r o p o w e rs t a t i o nn c s t h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a te x c e l l e n tn e t w o r kp e r f o r m a n c ei se n s u r e db yt h i ss t r a t e g yn o to n l y o nc o m p e n s a t i n gf o rt h ec o n s t a n td e l a yb u ta l s oo nc o m p e n s a t i n gf o rt h er a n d o md e l a y 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 c s ) ，p r o f i b u s - d p , s c so fh y d r o p o w e r p l a n t ，t i m ed e l a yc o m p e n s a t i o n ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ，t r u e t i m et o o l b o x 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和取 得的研究成果，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，也不包含为获得丞洼堡王太堂 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了谢意。 l 厶 学位论文作者签名：弘多张、签字日期：驴年月2 - 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼理王太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权丞洼堡王太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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孓p 黪、 签字日期：仞6 矿年f 月功日 一名：文暂 签字日期：矽年f 月加日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 网络环境下的控制是目前控制科学和飞速发展的计算机网络及通讯技术相结合的 产物，信息的网络化和智能化给自动化技术带来了深远影响和挑战。随着工业现场总线 和i n t e m e t 网在全球的飞速发展，网络环境下的控制系统不仅可以应用于复杂的工业控 制领域，而且在汽车工业、兵器系统、机器人工业、航空领域也极具潜力。 从技术角度出发，网络控制系统的产生依赖于工业数据通信技术( 现场总线) 的发 展，而现场总线的应用可以追溯久远，它是网络控制系统的基础和支持条件，也是网络 控制系统的重要组成部分。随着现场总线技术的不断发展和其内容的不断丰富，各种控 制、应用功能与功能块、控制网络的网络管理、系统管理等内容的不断扩充，现场总线 的应用超出了原有的定位范围，不再只是通信标准与通信技术，而成为了网络管理与控 制系统的综合应用。 1 2 网络控制系统的结构 基于网络的控制系统也简称为网络控制系统n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) ，是 一种网络通信和自动控制相结合而产生的控制技术。它在工业实现上，以通信网络作为 控制器( c o n t r o l l e r ) 、执行器( a c t u a t o r ) 以及传感器( s e n s o r ) 之间的通讯媒质，分别继 承了控制理论和通信理论的分析和综合方法。它主要研究通信阿络引入的网络时延对控 制系统性能的影响，期望找到合适的理论分析和综合方法，以使基于网络的控制系统能 达到尽可能好的控制性能( 兼顾瞬态和稳态性能要求) 。 图1 1 网络控制系统的典型结构图 f i g 1 1 t h et o p i c a ls t r u c t u r ec h a r to fn e t w o r k e dp r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e r r 第一章绪论 图1 1 给出了n c s 的结构图。在控制系统中引入通信网络前后最大的区别在于：其 一，单个控制循环通过通信网络形成了一个闭环反馈系统，所有的信号传递都在一条共 享通信通道上进行，多个控制循环可以共享同一个通信网络资源；其二，在控制器和控 制对象之间、控制器和传感器之间存在网络传输时延。这一时延是由于有限的网络通信 资源，包括带宽、协议、调度等方面的限制而造成的。相比较于这以前的各种计算机控 制系统，网络控制系统有许多的优点。包括： ( 1 ) 减少了系统连线。网络控制系统在控制层引入通信网络，每个节点可以通过 共享网络来传输数据，相对于点对点连线方式，大大简化了布线，节省了布线成本，提 高了可靠性，并降低了维护成本。设备即插即用。只需要通过简单的软硬件配置，就可 以很方便地从系统中删除或者增加新的节点，具有非常大的灵活性。 ( 2 ) 设备可互换性。由于网络控制系统的开放性，各个节点只要符合标准的网络 协议和功能要求就可以互相调换，而不是按照个别厂家或者公司来设计，不需要通过转 换设备来使得设备之间能够互相通信。抗干扰性能好。全部采用双向的数字信号传输， 比传统的4 2 0 m a 信号传输的抗干扰性能更好。系统信息集成和设备诊断方便。 ( 3 ) 网络的扁平化，控制层网络与管理层网络的无缝连接，使得管理系统很容易 获得控制系统的运行状况和设备的状态信息，以及其它各种信息，可以方便地在线故障 检测与诊断。但是网络的引入也给控制系统带来了负面影响。 1 3n c s 中有待解决的问题 在网络控制系统中，网络是控制系统的各种信息，例如传感器的测量数据、控制量 以及控制系统的状态信息，进行传输和交换的唯一通道。网络数据传输中存在的一些基 本问题，包括：网络诱导时延、数据包丢失、数据包乱序、单包传输或者多包传输、网 络调度以及网络节点的工作模式等，影响到控制系统的建模，系统的分析和设计。下面 分别介绍网络控制系统的基本问题。 1 3 1 网络诱导时延 在网络环境下，多用户共享通讯线路且流量变化不规则，所以，当n c s 的传感器、 控制器和执行器通过网络交换数据时必然会导致网络诱导时延，如在调度网络中，当节 点在等待令牌或时间超时就会产生网络诱导时延，其会降低系统的性能甚至引起系统不 稳定。网络诱导时延的存在使得系统的分析变得非常复杂，虽然时延系统的分析和建模 近年来取得很大进展，但n c s 中可能存在多种不同性质的时延( 常数、有界、随机时 变等) 使得现有的方法一般不能直接应用。 网络诱导时延包括传感器一控制器时延f ”和控制器一执行器时延，不管对传感 器一控制器时延还是控制器一执行器时延而言，其都可以分为三部分即源节点时延、 网络通道中的时延和目标节点的时延。在源节点和目标节点的时延称为器件时延，在网 第一章绪论 络通道中的时延称为通道时延。 网络诱导时延可能大于一个采样周期( 用t 表示) ，也可能小于一个采样周期，为 此特提出以下定义： 定义1 1 假设网络诱导时延在区间【0 ，a 】内分布，且a t ，则称这样的网络诱导时延 称为短时延。 定义1 2 假设网络诱导时延在区间 0 ，a 】内分布，且a t ，则把这样的网络诱导时延 称为长延时。 1 3 2 数据丢包 网络的阻塞和连接中断是导致数据包丢失的一个因素。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。这些事件的发生都可被视为数 据包丢失。 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。 1 3 3 数据包乱序 数据包乱序一般发生在具有路由、网关等中继环节的长时延网络控制系统中。由于 路由器( 或和带有路由功能的中继设备) 会根据网络的实际情况选择合适的网络途径传 输数据，因而相同节点发送的数据包可能会经过不同的网络路径到达目标节点，另外数 据包在中继环节的队列中等待的时间往往也不相同，因而造成数据包的时序错乱。数据 包的乱序又可分为两种不同的情况： ( 1 ) 在单包传输的网络控制系统中，由于数据包中的数据是完整的，乱序使得后 发的数据先到。 ( 2 ) 在多包传输的网络控制系统中，不仅不同时刻的数据包的时序会发生错乱， 而且同时刻数据的不同数据包的到达时间也会参差不齐。 这两种情况对于系统稳定性和性能的影响也不相同，在网络控制系统的设计和分析 中必须分别对待。 第一章绪论 1 3 4 时钟同步问题 由于网络控制系统节点的分布性，也带来了各节点间时钟同步的问题。传统的计算 机控制的理论通常假定控制系统各节点间时钟是同步的，而网络控制系统中分散的节点 和网络的引入使得时钟同步变得更加困难。虽然能够通过一定的同步措施来达到一定范 围内的时钟同步，但是没有技术能实现时钟的精确同步，因而由时钟不同步导致的采样 时间抖动和非同步采样等问题也需要在网络控制系统设计时加以考虑瞳1 。 1 3 5 单包与多包传送 单包传送是指传感器( 或控制器) 的周期性数据作为一个数据分组同时发送；多包 传送是指传感器( 或控制器) 的数据通过不同的数据分组传送，因而无法同时到达控制 器( 或执行器) 。之所以采用多包传送是由于数据分组大小的限制，报文分组交换网络1 。 在一个数据包中只能携带有限的数据，这就使得数量大的数据不得不分为多个包进 行传送。另外，在n c s 中传感器和执行器分布在较大的物理区域，不可能将数据放入 一个包中。常规的数据采样系统都假设被控对象的输出和控制输入同时被发送，而这对 多包传送的n c s ，己经不再成立。不同的网络适用于不同类型的传送方式，如e t h e m e t 是采用单包传送，而d e v i c en e t 是采用多包传送。 1 3 6 网络调度 所谓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。这里所说的网 络调度发生在网络用户层，或者网络传输层的上层，其目的是尽量避免网络中冲突和阻 塞现象的发生，从而减小网络数据诱导时延，减少数据包丢失等事件的发生。在一定程 度上，网络调度策略的优劣会对闭环控制系统的性能产生影响。 1 3 7 网络的安全性问题 因为控制信号，检测信号都是通过网络来传输，网络控制系统将面临和一般数据网 络同样的安全性问题。来自网络用户的恶意进攻，未授权用户对设备的非法访问，外部 公司对信息的窃取都对网络控制系统的信息安全问题提出了考验。因为网络控制系统直 接面向生产，它的可靠性、安全性是第一位的，所以信息安全问题将是一个重要的问题。 1 4 网络控制系统的研究现状 自r a y 提出i c c s 概念以来，网络控制系统理论己经有了很大的发展，但远未成熟。 第一章绪论 n c s 是计算、通讯和控制相结合的产物，它的研究涉及计算、通讯和控制等三个方面。 因此，源于控制理论，以满足系统稳定及动态性能0 0 p 为目标的分析手段；源于信息理 论，关注信息的产生、获取、传输、识别、度量、变换及使用的分析方法以及源于网 络设计，以保证网络服务质量q o s 的分析方式必然在n c s 的研究中得到延伸和发展嘲 n 。下面对这些研究方向分别予以介绍。 1 4 1 源于控制理论 从控制理论的角度来看，传统的控制理论在对系统进行分析和设计时，往往做了很 多理想化的假定，如信息在网络中传输正确无误；计算延时远远小于采样周期；网络通 信没有过载；输出观测值或控制输入的大小都打包成单个的数据信息等。而在n c s 中 由于控制回路中网络的存在，上述假定通常是不成立的。因此，传统的控制理论都要重 新评估后才能应用到n c s 中。从保证q o p 入手研究n c s 的主要分析思路是基于采用的 网络通讯协议和网络结构，把网络延时、丢包、通讯约束等因素考虑在内，研究n c s 的稳定性、动态性能。 ( 1 ) 随机最优控制 a z i m i s a d j a d i 假定所有的传感器、执行器和控制器都通过通讯网络连接在一起，仅 仅考虑由于网络拥塞策略带来的网络丢包对系统稳定性的影响n 引。文中将研究问题归结 在l q g 框架下进行了讨论，并指出分离定理在此不再成立。为此，文中采用a t h a n se ta 1 的不确定域值原则( u n c e r t a i n t yt h r e s h o l dp r i n c i p l e ) 和次优的方法简化了控制器和估计器 的计算。 ( 2 ) 非线性控制 非线性控制中的摄动理论是n c s 稳定性分析的有效工具n 3 卜n 耵。b e l d i m a n ，w a i s he t 口z 把网络延时对被控系统的影响视为无观测噪声连续系统中的摄动。该方法适用于f 霹 为周期延时和随机延时的n c s ，采用的网络通讯协议也限于按优先权调度 ( p r i o r i t y b a s e d ) 的网络，且这些调度可由w a l s he ta l 给出的算法进行管理。在摄动方 法中，要求系统的采样周期比较小，以便系统可以近似成连续系统。尽管控制回路中包 括非线性被控对象和非线性控制器，摄动方法也适用于线性系统。 ( 3 ) 基于模型控制 m o n t e s t r u q u ea n da n t s a k l i s 将网络建模成具有固定采样周期h 的连续被控对象，同 时给出了被控对象模型恤，雪 ，该模型给出状态估计j ，为此，控制输入为“o ) 一戤g ) 。 实际被控对象和其模型的状态误差( e o ) - 工( f ) 一戈( f ) ) 用于增广状态向量，传感器附属在被 控对象上并与执行器通过网络进行连接。这样建模的出发点是仅把测量的状态向量通过 网络周期性地传送，从而大大减小网络化系统对通讯带宽的要求n 们叫捌。 ( 4 ) 混合控制 由于n c s 中网络的存在，控制系统将依赖于报文的传输和接受，系统的输入也将 随着每个报文的到达而改变或切换。结果，n c s 中既含有连续动态系统( 被控对象+ ) ； 又含有离散动态系统( 控制回路) ，从而产生了基于混合系统模型的n c s 分析方法。l i n 第一章绪论 e ta 1 将具有网络延时和丢包的n c s 建模成离散开关系统，分析了系统的鲁棒稳定性和 日。扰动衰减性能1 ；x ua n dh e s p a n h a 讨论了通讯逻辑与系统性能的关系m 1 。 ( 5 ) 鲁棒控制 鲁棒控制方法的一个优点在于没有必要知道网络延时的先验信息。于之训等也采用 i i l 综合方法设计了鲁棒控制器，该控制器能使系统在一定的延时范围内保持稳定幢蚰啪1 。 ( 6 ) 智能控制 a l m u t a i r ia n dc h o w 采用模糊逻辑给出了一种补偿网络延时的智能p i 控制器州踟； l e ee ta 1 应用遗传算法和模糊逻辑对p r o f i b u s d p 网络环境下n c s 的控制器进行了 设计和仿真实验，证明了这两种控制器对于网络延时的鲁棒性。 ( 7 ) 容错控制 p a t a n k a r 研究了基于删c 通讯协议的容错n c s 的建模问题m 1 ；郑英研究了n c s 的故障诊断和容错控制问题，探讨了各种网络延时下的故障检测、故障分离、容错控制， 以及干扰解藕、噪声消除、稳定性分析等问题口。 1 4 2 源于信息理论 网络控制系统结构中，假如将传感器看成是信息传输的通道，则此时的系统模型很 大程度上将是一个通讯系统。控制器也可视为一个信息处理系统，它利用由传感器和估 计器得到的系统输出和系统的内部状态变量的实时信息，加上系统的先验信息，而得到 传输给执行器的控制信息。因此，在控制系统尤其是网络控制系统的设计中应该兼顾信 道的品质，离开了信息的获取和利用就无控制而言，将网络引入控制回路，随之产生了 带宽信道能力、编码解码以及量化等通讯约束问题。近年来，从信息的角度对具有通 讯约束的n c s 研究得到了广泛的关注。这类分析方法从信息的角度考察系统，描述、 分析和规定系统中信号的信息内涵和传输特性，从而导致了一种新的网络控制系统研究 方法。 ( 1 ) 比特率约束方法 t a t i k o n d ae ta 1 研究了信道约束下系统的l o g 控制。文中指出被控对象的不稳定特 征值与对信道的容量要求密切相关：如果比特率低于某个限度，性能代价必将是无限大， 因为这样甚至不可能使系统稳定啪1 。t a t i k o n d a 完美地将n c s 问题放在信息论的框架下 进行了研究1 。在n c s 问题中，网络被视为最优编码解码和最大比特率的通讯信道， 研究的目的是寻找在不同的编码和解码策略下，使系统稳定所需要的最小比特率界m 1 。 ( 2 ) 量化方法 控制回路中的量化( q u a n t i z a t i o n ) 将导致复杂的非线性和极限环问题m 蚓。为了 描述量化对系统性能的影响，以及设计新的量化策略来获取更低的比特率从而减少控 制回路中的网络通讯，大量文献从量化理论的角度对n c s 进行了研究。 第一章绪论 1 4 3 源于网络设计 控制回路的性能除了与控制策略的设计有关外，还依赖于网络资源的调度。有限的 带宽能力、延时和丢包等问题的存在是网络无法满足控制系统q o s 服务需求，导致控制 系统性能下降甚至崩溃的主要原因。如何能在有限的带宽条件下合理调度n c s 的各种 业务数据、充分配置网络带宽、有效控制网络负荷以限制网络延时的范围和减少丢包的 发生，对确保n c s 预期的控制性能至关重要。可以通过设计合适的网络通讯协议，调 度和配置适宜的网络带宽，动态监测和调整业务流量来满足控制系统的q o s 服务需求。 ( 1 ) 队列 队列分析方法的一个主要优点是，对许多问题可以给出解析形式的解，并且其数值 计算也比较简单。h c ka n dr a y 提出了一种用于随机延时的n c s 延时补偿方法。这种 方法的主要思想是采用观察器来估计被控对象状态，利用预估器在过去输出测量的基础 上来计算预测控制输入m 蚓。由于是通过添加队列将网络延时转变为恒定延时，这种方 法可称为确定性延迟补偿方法。 ( 2 ) 协议设计 w a l s he ta 1 在引入最大允许传输间隔m a t i ( m a x i m a l - a l l o w a b l e t r a n s f e ；r - i n t e r v a l ) 概念的基础上，提出了一种新的介质访问控制( m a c ) 协议，基本思想是具有最大权误 差的节点优先传输其传感器信号，竞争失败的节点丢弃其未传的信号，在m a t i 约束下 确保控制器在每个时间间隔内至少收到一个传感器信号油r 蚴。沈钢提出了基于持续 竞争的载波监听多路访问冲突检测( ( p tc s m c d ) m a c ) 协议，通过持续竞争机制 保证了在信道存在竞争冲突时，高优先级实时数据的传输有确定的延时上界h 劓。 ( 3 ) 采样周期调度 h o n g 借助“窗1 3 的概念( 即网络中的各传输数据共享优先的服务窗口) 和循环 服务方式提出了多闭环n c s 的网络带宽配置和采样周期确定的调度算法。其基本思想 为：将采样数据的“死限( 最大允许延时) 限定为相邻两个数据采样间的时间间隔， 以避免空采样和数据丢弃现象的发生蚯1 。 ( 4 ) 网络带宽配置 a b d e l z a h e rc ta 1 的研究表明采用o o s 模型来管理一系列分布式计算资源将能获得 更高的系统利用率，不足之处就是没有建立起采样周期或延时与系统性能之间的映射关 系1 。o t a n e ze ta 1 提出在给定系统采样频率条件下通过调节“死区 范围来控制网络通 讯流量，降低网络延时的策略h 。y o o ke ta 1 指出使用其它节点的状态估计值而不是采用 状态的实际值，可以减少n c s 中的通讯带宽，从而允许网络能充分利用更多的资源。 ( 5 ) 终端q o s 自适应 c h o wa n dt 啦s u w a n 认为终端用户无法控制网络0 0 s ，但可以通过网络中间件获取 当前网络的o o s ( 如网络的吞吐率，网络延时) 状况。基于此，当网络的q o s 发生改 变时，用户可以根据当前的网络吞吐率决定系统采样周期，并通过调节控制器的增益以 获得可能的最优系统性能。 第一章绪论 1 4 4 通讯、计算和控制的协同研究策略 随着网络化控制系统研究的深入，兼顾通讯、计算和控制的综合研究策略越来越受 到人们的关注。b r a n i c k ye ta 1 基于速率单调r m ( r a t em o n o t o n i c ) 静态调度算法， 研究了在满足网络资源可调度性和系统稳定性双重约束条件下，使网络利用率与n c s 系统性能达到最优的采样周期的优化问题。当系统无法满足网络资源可调度条件时，提 出在保证系统稳定的条件下，可通过人为丢包的方式满足网络资源可调度条件，但并没 有实现该方式的自动算法嘞1 。b r a n i c k ye t 以进一步讨论了控制与调度协同设计的协同 仿真平台晦妇嗽1 。 总结上面对网络控制系统所作的研究工作，我们看到，网络控制系统的研究虽然已 经取得了很多有意义的成果，但仍然存在一些局限和亟待解决的难题，如： ( 1 ) 对网络控制系统中的不确定性作用的研究还不够深入。在网络控制系统的研 究中必须考虑不确定性的作用，其目的是建立易于处理的模型，以解决那些涉及部件和 连接细节的所有可能变化的问题。 ( 2 ) 网络时延大于一个采样周期和随机时延的网络控制系统的建模、分析和综合， 尤其是如何将不确定的网络延时转化为系统的结构不确定。 ( 3 ) 如何在兼顾网络延时和丢包等因素情况下合理地对网络控制系统进行建模， 尤其是对性能指标、鲁棒性和稳定性进行协调研究。 ( 4 ) 如何改进现有结果的保守性问题。 1 5 本文的主要工作 围绕对网络时延的处理，研究者们从不同的角度和领域提出了各种预测、补偿、分 析方法。但是仅限于理论研究，结合实际系统的研究比较少。另一方面，一些在控制领 域取得良好控制效果的先进控制策略，如预测控制技术，还未被应用在n c s 领域。针 对这些情况，本文的主要内容集中在网络性能的研究、网络引起时延的补偿、网络控制 系统的仿真和实验上。 ， 本文的研究工作和各章的安排如下： 第一章绪论：介绍n c s 的概念、发展、特点以及目前的研究现状。详细地分析了 n c s 中的若干基本问题、典型研究方法，同时提出了本文对n c s 的相关研究工作。 第二章基于p r o f i b u s d p 的网络控制系统：简要介绍现场总线，重点分析了 p r o f i b u s 总线的性能特点并在分析p r o f i b u s d p 网络模型基础上，建立了单主站 p r o f i b u s d p 网络的高优先级报文的“1 - n 处理模型，并给出了计算传送延时的简化 公式，得出了传送延时和目标令牌循环时间的关系。 第三章基于网络控制系统的水电厂计算机监控系统：主要介绍了水电厂计算机监控 系统的原理，基本结构及模式，根据水电厂计算机监控系统的主要任务和基本要求，设 计了一个基于以太网、p r o f i b u s d p 以及p l c 的水电站分层分布式监控系统。 第一章绪论 第四章网络控制系统的设计及在水电站的应用：在分析网络时延构成的基础上，设 计基于广义预测控制理论的预测控制器，对网络时延进行补偿，并将这种网络控制器应 用于水电站控制，以变频调速泵的网络控制系统为例，利用t r u e t i m e 仿真验证设计方 法的有效性。 第五章网络控制系统调度方法的研究：对网络控制系统的应用层调度进行分析。分 析了实时系统几种调度算法，然后使用t r u c t t m e 工具箱设计了一个由三个控制系统组 成的网络控制系统，网络介质为p r o f i b u s d p ，并在网络控制系统的应用层上先后使 用了r m 和e d f 调度算法。 第六章总结：对本文的工作进行总结并对网络控制系统的工作进行展望。 第二章基于p r o f i b u s - d p 的网络控制系统 第二章基于p r o n b u s d p 的网络控制系统 2 1 现场总线的概念 现场总线是一种应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化最底层现场设备或仪 表互连的全数字化、双向、多站式通信网络。现场总线将位于生产现场具有信号输入、 输出、运算、控制和通信功能的数字通信仪表或设备，通过双绞线连接成网络，采用标 准的通信协议，使位于生产现场的设备与设备之间，以及设备与控制站之间实现数据交 换与信息共享，是现场通信网络与控制系统的集成。现场总线的节点是集信号的输入、 输出、运算、控制、自校验、自诊断等功能为一体的智能仪表和设备。现场总线的传输 介质为一般的双绞线，并可以通过总线供电，也可采用同轴电缆、光纤或红外线作为通 信介质。现场总线的网络拓扑类型有总线型、树型等。现场总线标准既规定了通信协议， 又规定了控制协议。既可以共享挂接在现场总线上的智能仪表和设备的数据，也可以共 享它们内部的功能块，以便在现场总线上构成控制回路。简而言之，现场总线是连接微 处理器化现场仪表或现场设备的通信网络，并直接在现场总线上组成分散的控制回路， 在生产现场构成分布式网络控制系统。 在现有的各种现场总线标准中，p r o f i b u s 现场总线是一种比较流行的现场总线标 准。p r o f i b u s 现场总线技术与其它的现场总线技术相比，具有它自身独特的优势，具 体来说表现以下几个方面： ( 1 ) p r o f i b u s 现场总线技术是中国第一个工业通讯领域现场总线技术国家标准， 同时也是国际标准； ( 2 ) p r o f i b u s 现场总线特别是它的d p 部分已经具有非常广泛的应用基础，支 持厂商多，用户量大； ( 3 ) p r o i b u s 具有d p 、p a 及f m s 三个兼容的部分，可以满足多个领域的自动 化需求，并提供从工厂级到现场级的全方位解决方案； ( 4 ) p r o f i b u s 的协议体系相对简单，同时经过多年的发展，现在已经具有成熟 的开发及验证工具可以利用，系统的开发实现比较容易，易于推广； ( 5 ) 成立了专门的国际组织来维护其发展； ( 6 ) 具有西门子这样的国际性大公司的支持； ( 7 ) 在我国，在冶金、电力、水处理、化工等行业具有大量的应用案例，具有行 业应用优势。 因为以上优势，本论文以p l c 和p r o f i b u s 总线为基础构建网络控制系统，实现 对水电站的监控。 第二章基于p r o f i 叫s d p 的网络控制系统 2 2p r o f l b u s 现场总线概述 过程现场总线p r o f i b u s 是p r o c e s sh e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现 场总线标准，在1 9 9 6 年被批准成为欧洲标准e n 5 0 1 0 7 。2 0 0 0 年1 月成为国际标准 i e c 6 1 1 5 8 的组成部分，用于将分散的现场过程控制设备与集中控制系统在底层进行连 接，现己广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化、楼宇自动化等领域。p r o f i b u s 以i s o ，o s i 的网络参考模型为基础，提供了三种兼容的通信协议类型：p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i a t i o n ) 。这三个相互兼容的协议既有共性，又有个性，应用各有 侧重。 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现 场总线技术。可实现现场级到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实 现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 2 2 1p r o f i b u s 协议简介 p r o f i b u s 以i s o o s i 的网络参考模型为基础，提供了三种兼容的通信协议类型 p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s ，协议结构如表2 1 所示 表2 1p r o h b u s 协议结构 t a b l e 2 1t h es t r u c t u r eo fp r o f i b u sa g r e e m e n t d p 设备行规 p a 设备行规 基本功能f m s 设备行规基本功能 扩展功能扩展功能 用户层 用户接口d p 用户接口 接数据链路 应用层接口( a l t ) 接数据链路 ( d d l m )( d d l m ) 第7 层 应用层现场总线 ( 应用层) 未使用 报文规范( f m s ) 未使用 第3 - 6 层 未使用 第2 层数据链路层数据链路层 现场总线数据现场总线数据i e c 接口 ( 数据链路层) 链路( f d l )链路( f d l ) 第1 层物理层物理层 i e c l1 5 8 2 ( 物理层) ( r s 4 8 5 l w l ) ( r s 4 8 5 l w l ) ( 1 ) p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ：主要用于现场级的高速数据传输， 解决自动控制系统( 如p l c ，p c 等) 通过高速串行总线与分散的现场设备( 如阀门等) 之间的通信任务。它定义了第一、二层和用户接口。采用线形、环形、星形等多种拓扑 结构，可实现光纤双环冗余。使用p r o f i b u s d p 可取代现场的2 4v 或4 - - - 2 0 m a 信号 第二章基于p r o f i b u s - d p 的网络控制系统 传输。 ( 2 ) p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) ：主要用于过程自动化领域，其数据传 输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议，并定义了p a 行规。它将过程控制系统与现场设备 ( 如压力变送器、温度变送器等) 通过总线连接起来，并解决它们之间的通信任务，本 质安全，并通过总线对现场设备供电。 ( 3 ) p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i a t i o n ) - 主要用于车间级监控，定义 了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n f m s ) 和低层接口( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e l l i ) f m s 包括应用协议，并向用户提供大量的通