（电力电子与电力传动专业论文）基于gpc网络控制系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 论文共分为六章：第一章介绍了课题的研究意义、研究现状以及论文的主 要工作。第二章介绍了网络控制系统的特点、工作模式和网络及网络时延，分 析网络时延产生的原因以及对系统性能的影响。第三章针对以太网时延的不确 定性提出了一种广义预测控制算法的时延补偿控制方案。第四章设计了一个基 于l p c 2 2 9 2 的网络控制平台的电烤箱温度控制系统。 第五章总结了本论文的主要工作、论文的创新点以及进一步的研究工作。 关键词：以太网，网络控制系统，广义预测控制，嵌入式技术 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n g p c p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd n v e c a n d i d a t e ：n i uc h a o s u p e r v i s o r ：w a n gj u n a b s t r a c t f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m sw h i c hc o n n e c t e dt h r o u g har e a l t i m en e t w o r ka r e c a l l e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) ，i nw h i c ht h ei n f o r m a t i o nc a nb ee x c h a n g e d u s i n gan e t w o r k e db e t w e e nc o n t r o ls y s t e mn o d e si n c l u d i n g ( s e n s o r s ，c o n t r o l l e r sa n d a c t u a t o r s ) t h em a i n a d v a n t a g e s o fa nn c sa r et or e s o u r c es h a r es u c ha s s y s t e m d i a g n o s i s ，m a i n t e n a n c e ，a n di n c r e a s e ds y s t e ma g i l i t y a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sr e s e a r c he x p e r i e n c e ，an e wn c sm o d e lb a s e do nt h e g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) i sr e s e a r c h e d w i t ht h ep r e d i c t i o na b i l i t yo f g p c ，t h i sa l g o r i t h mc a ns u c c e s s f u l l yc o m p e n s a t et h er a n d o md e l a yo fn c st o c o m ee x t e n d ，t h u st h e s t a b i l i t y o ft h ec o n t r o l s y s t e m i s a s s u r e d ，s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa r ef i n i s h e di nt m e t i m en e t w o r kl a b a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ff i e l de q u i p m e n t s ，ah a r d w a r ep l a t f o r mi s d e s i g n e df o re t h e m e tw i t ht h ep o w e r f u le m b e d d e dc p u a r m i nt h em e a n t i m et h e p l a t f o r mc a nm e e ts o m eo t h e rf u n c t i o n s ，s u c ha sf i e l dd a t ac o l l e c t i o n ，c o n t r o lo u t p u t t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o n i ci sr e a l i z e do nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m t h ep a p e ri sd i v i d e di n t of i v ep a n s t h eb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c ea n da c t u a l i t y o ft h er e s e a r c ha r ea c t u a l i t yo ft h er e s e a r c ha r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tp a r t i nt h e s e c o n dp a r t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c 、w o r k i n gm o d ea n dt i m ed e l a yo fn c sa r ep r e s e n t s ， a n a l y s e st h er e a s o nf o rt i m ed e l a ya n di t si n f l u e n c ef o rs y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h e t h i r dp a r t ，g p cc o m p e n s a i o na l g o r i t h mi sr e s e a r c h e df o re t h e m e tc o n t r o ls y s t e m s 西华大学硕士学位论文 w i t hu n c e r t a i nt r a n s m i s s i o nd e l a y i nt h ef o r t hp a r t ，an c sp l a t f o r m st e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o n i co v e ni sd e s i g n e db a s e do nl p c 2 2 9 2 f i n a l l y , w h o l e w o r k si nt h i sp a p e ra n dp r o s p e c t sf o r t h ef u t u r er e s e a r c hac o n c l u d e d k e y w o r d s ：e t h e m e t ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ， e m b e d d e dt e c h n o l o g y 1 v 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学术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 获得西华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 确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取 得的，论文成果归西华大学所有，特此申明。 作警名：缈 6 具箩日 i ，师躲但尹 石只髫 b 、 沙7 纱年 ， 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密卧适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 指导教师签名： 日期： 级| 钳彳 签钐 者衫 学 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 网络控制的研究背景 计算机网络技术的迅速发展和广泛应用正在改变人们的工作 方式与生活方式，并进一步引起世界范围产业结构的变化，促进 全球信息化的发展，同时，在经济、文化、科技、军事、政治、 教育和社会生活的各个领域内发挥越来越重要的作用。 由于计算机网络与数字通信网络在全世界范围内的迅速交叉 发展，它们的影响日益深入到社会的各个方面，也使得传统的工 业控制系统的结构发生了很大变化。 2 0 世纪5 0 年代以前的控制系统都是模拟量控制系统，它们的 体系结构是集中式的星型结构，回路中的传感器、执行器与控制 器之间通过线缆分别直接连接，每一条线缆一般只连通两个节点。 随着工业规模的发展以及生产工艺流程的不断细化，现代工业系 统中需要进行测量和监控的指标和变量越来越多，在大型流程工 业中监控点的数量动辄数以万计，传统的集中式控制系统本身固 有的缺陷愈加明显，如系统可靠性低、安装和维护过程复杂、成 本高等。 5 0 年代至6 0 年代，计算机控制系统被引入到化工领域使得控 制系统转变为数字量的系统，它为人们实施更为复杂的控制提供 了实现基础，但是此时的控制系统的结构仍然是集中式的，集中 式系统中各个功能模块包括传感器、控制器以及执行器之间的连 接仍然是点对点结构的。这种集中式结构有其不可克服的缺陷， 如系统可靠性低，系统重构性差等。为了克服这些缺陷和不足， 分布式的控制系统结构逐步发展并且成为控制系统实际应用的发 展方向。 7 0 年代中期，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展成 为目前应用广泛的集散控制系统( d c s ) 。虽然d c s 技术已经发展 西华大学硕士学位论文 到相当成熟的地步，但它仍存在许多缺点，其中一点就是一对一 的结构特点。 八十年代末发展起来了现场总线控制( f c s ) ，现场总线的出现 促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加 强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有 测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。然而目前 国际上有4 0 多种现场总线，由于不同总线代表不同公司的利益， 各大厂商都在积极参与和把持标准的制定工作。这导致了在现有 产品结构和应用水平上，现场总线领域已经很难统一，使其不易 广泛应用。经过1 4 年的纷争，最后i e c 的现场总线标准化组织经 投票，通过8 种现场总线成为i e c 6 1 1 6 8 现场总线标准，但这8 种 现场总线采用的通信协议完全不同，因此，要实现这些总线的兼 容和互操作是十分困难的。 九十年代开始了以太网在工业控制上的广泛研究。因为目前 以太网技术是最符合网络控制系统现场总线特点( 数字式互联网 络、互操作性、开放性和高网络性能) 的技术。但是，高速以太网 的出现虽然缩短了响应时间，提高了网络的性能，但并没有完全 解决其在工业控制中的问题，而且新技术的引进也带来了新的问 题： ( 1 ) 没有根本解决不确定性：虽然目前以太网的传输速度大幅 度提高，但它仅仅是统计意义上平均速度的提高，这对严格的实 时控制系统来说是不可靠的； ( 2 ) 带宽利用率不高； ( 3 ) 不符合工业标准：以太网最初不是为工业应用而设计的， 不能保证在恶劣的工业现场正常工作； ( 4 ) 安全性不高：以太网不能给现场设备供电，没有冗余，不 能及时恢复，出故障可能导致整个系统的瘫痪。 在工业控制现场，能否将以太网用于网络控制系统的底层完 全替代现场总线，目前还处于研究和讨论的阶段。普通以太网向 2 西华大学硕士学位论文 下延伸到工业现场，面临一系列的技术难题，如确定性、实时性、 安全性、抗干扰能力，还有现场设备的供电问题、网线的物理性 能提高等。 通过以上对控制系统发展的简单回顾可以发现，引入通讯网 络是控制系统实际应用的发展方向。控制系统的发展趋势是把完 成控制要求所需的计算通讯乃至最后实施控制，发散到整个控制 系统的不同层次上；同时它们彼此之间有机的形成一个整体，这 个整体是开放的，能够根据实际需要灵活组织、协调。在这个发 展趋势中，信号的数字化首先带动计算方式的革命，在控制系统 中，体现为数字控制器的广泛使用；数字信号也是网络中的信号 表示的基本方式，这样的控制系统在通讯层面和计算层面上来看， 都是数字化的。因此本质上，网络控制系统是数字化的系统，它 是控制系统发展趋势在当前技术背景下的产物。网络控制系统具 有诸多优点，例如，网络上各个单元的模块化，系统的分布式控 制，综合的故障诊断，维护简单，以及实际应用中的低成本等等。 网络控制系统中共享信息通道的结构，一般是指总线结构。这种 结构提高了系统的工作效率、可扩展性和可靠性。这些优点是网 络控制系统在目前的控制系统中被广泛采用的基本原因。从更广 的意义上来看信息的融和是社会发展的大方向，互联网已经深入 人们的生活。而在控制工程领域，网络控制系统也从另一个方面 体现了人们对于实现信息交互的需要，可以说它是社会大背景下， 信息技术的发展在控制工程中的体现。 1 2 网络控制的研究现状 在企业信息化和自动化领域，计算机技术、信息技术、控制 技术、网络技术和通信技术的结合，孕育了网络控制系统 ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m , n c s ) ，即网络化的控制系统，又称控 制网络，是目前控制界的研究热点。在这些技术，尤其是网络技 术和通信技术不断发展和积极推动下，网络控制技术得到了迅速 西华大学硕士学位论文 的发展。 在控制系统中引入通信网络，对于控制系统的分析、设计方 法提出了新的要求。这主要体现在：一方面，在控制系统中引入通 信网络后，人为地引入了对象本身特性以外的额外时延，额外时 延的不确定性造成了控制系统建模和分析的巨大困难，迫切需要 研究新的控制系统分析和综合方法以适应n c s 的发展。另一方面， 控制系统的实时性要求与有限的通信网络资源之间产生了矛盾。 如何协调解决这个矛盾是网络控制系统工程应用的前提之一。近 年来，随着工业控制技术的不断发展和现场总线技术的广泛应用， 基于网络的控制系统理论与应用研究越来越受到工业界和理论界 的关注。 n c s 研究工作所包含的内容范围很广，从它们探讨问题的角 度的不同来分类，大致可以把目前的工作分为两个方向：从控制 理论角度出发和从通讯技术角度发出。 1 2 1 从控制理论角度出发 在网络和控制相结合的领域中，r a y 2 埘 5 】等首先开展研究工 作。在他们的工作中n c s 的概念还没有提出，取而代之的是 i c c s ( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ) 。以目前的观 点来看，概念上i c c s 与n c s 是完全一致的。r a y 在【”，7 】文献中提 出控制器为周期性时钟驱动条件下，并且时延特性是事先已知情 况下对i c c s 稳定性进行讨论。在文献中，r a y 等人采用了一种状 态估计的方法，从统计学的角度对获取的信息进行分析处理，但 是这种方法是以传输时延小于一个采样周期为前提的，不适用传 输时延大于一个采样周期的情况，因此有很大的局限性。 针对传输时延大于一个采样周期的情况，l u c k 6 】提出一种新方 法，该方法假设己知网络最大传输时延，在控制器节点和执行器 节点分别设立缓冲区，各个节点实行同步采样，这样就把随机的 时延转变成固定时延。这种方法降低了控制器设计的难度，但是 4 西华大学硕士学位论文 缓冲区的设立人为地延长了传输时延，过于保守。 于之训【1 0 】等人利用传输时延的m a r k o v 特性，得到了具有多步 传输时延的网络控制系统模型，并且得到了满足给定二次性性能 指标的最优控制律的解析解，但控制方法过于 复杂。 k r t o l i c a e l l 】等，以及n i l l s o n 1 2 j 3 】等把网络时延看作为随机过程， 且其随机分布为离线已知的前提条件下，分别就控制算法设计以 及n c s 的稳定性进行研究。 m o n t e s t r u q u e m 】等在网络总带宽一定的条件下，为了使得n c s 中的各个回路能够更为有效的利用网络资源，讨论使系统得以稳 定的最大采样周期，以此来降低对网络带宽的需求。 b a u e r 1 5 等通过运用施密斯补偿来处理网络时延，但它的前提 条件是，网络时延要比传感器的采样时间长，且网络中的节点时 钟是同步的。 n a i r t l 6 】等对于无限维时变离散对象，在其初始条件不确定的条 件下，讨论系统稳定性。 w a l s h 1 7 , t m 等针对一类特殊的n c s ，即网络半回路控制系统 ( n e t w o r k e dh a l f - l i n ks y s t e m s ：n h l s ) ，在连续控制器情况下讨论 系统稳定性。 于之训，陈辉堂，王月娟等在文献【19 】中提出一种控制模式： 传感器节点和执行器节点采用时间驱动方式，控制器节点采用事 件驱动方式。这种控制模式的优点是避免了人为扩大控制器的随 机延迟，但是由于执行器节点和传感器节点采用等周期同步采样， 这样就不能保证在一个采样周期内到达执行器的多个控制量充分 作用于受控对象。另外，在执行器工作过程中，对于延迟太大的 控制量，由于已不能正确反映系统的当前实际状态，若将这种控 制量作用于受控对象反而会降低系统性能。 除了对于n c s 在控制层面上一般意义上的研究与设计，还有 学者针对某种特定的网络协议，分析它对已知控制系统品质的影 西华大学硕士学位论文 响。例如h o n g 2 0 , 2 1 】等对i e c i s a 现场总线协议以及p r o f i b u s 中的 参数设置对控制系统的运行效果影响进行讨论。 1 2 2 从通讯技术角度出发 在通讯方面的研究中，包括讨论和分析目前实际应用中的 n c s 中总线协议的时延状况，以及它们对控制系统的影响进行分 析。如l i a n 对c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t 等网络的时延进行分析。 为了满足数据的实时性要求，还有通过研究如何设计恰当的 网络协议，使得通过网络协议来调度网络中被传输的数据，并且 使这些数据能够满足各自的实时性要求。 在基于c a n 总线的协议研究方面，l i v a n i 2 3 1 等设计类似实时 任务调度理论中的e d f ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 调度算法的c a n 总 线上层协议。 z u b e r i 2 4 , 2 5 , 2 6 提出一种结合实时任务调度理论e d f 和 d m ( d e a d l i n em o n o t o n i c ) 调度方法特点的m t s ( m i x e dt r a f f i c s c h e d u l e r ) 方法。 除了研究基于c a n 总线的协议，令牌类网络协议的研究也有 所讨论。s t r o s n i d e r 2 7 】等提出一种基于调度算法的多优先级数据的 方法来克服令牌网络对于实时数据处理不够灵活的性质。 a 1 m e i d a 2 8 】等对令牌类网络的一种协议f i p ( f a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 进行改进，提出运用计划调度的方式来解 决网络中数据的实时要求。 1 2 3 结论 由对n c s 研究现状的介绍可知，目前大部分的研究工作都可 以归于以上的两个方面。 在从控制的角度进行的研究工作中，网络的情况大都采用事 先已知的处理手段，而在实际情况中网络的数据传输的情况是经 常发生变化的，这些变化是不可能通过事先的假设获得的。如果 6 西华大学硕士学位论文 考虑网络中最坏的情况来设计控制器，这样必定会产生保守的系 统运行结果。 另一方面，在从以通讯的角度为出发点的研究中，讨论的问 题和方法都是基于预先设定的控制策略，或者根本与实际控制系 统无关，这样也会使得n c s 研究的整体性受到影响；而且从实际 应用的角度来看，新的网路协议投入使用的成本将会较高，这样 不利于应用中的推广。 因此，本文的研究是在现在应用广泛的网络协议平台上，对 网络控制模型进行预测、优化和补偿，在较低成本的条件下以求 达到较好的效果。 1 3 网络控制系统工作模式 网络控制系统n c s 工作模式主要是指通过网络组成的控制系 统的工作模式，它主要是在控制系统的层面上进行定义，主要的 不同体现在以下两个方面。 第一个方面是指控制回路中的各个节点的驱动方式，这里所 指的驱动方式主要是指回路中节点工作的前提条件，它一般被分 为两类：时间驱动方式和事件驱动方式。时间驱动是指节点的工 作与时间密切相关，典型的情况是周期性方式。以控制回路中的 传感器为例，它大都是周期性地采样过程的状态，这就是典型的 时间驱动方式。除了传感器以外，控制器在时间驱动方式下工作 的情况在文献中也有讨论，如r a y 对问题的探讨就是在传感器和 控制器都是时间驱动的情况下展开的。事件驱动方式在n c s 中主 要是指特定数据的到达或是发送完毕等事件来驱动设备工作，例 如控制器以来自传感器的过程状态数据为事件驱动的条件，当状 态数据到达控制器时控制器立即执行控制算法，并且输出控制量 数据。显然事件驱动方式能够降低n c s 中的总时延，提高设备处 理外部事件 的实时性。n i l s s o n 最先在控制器为事件驱动的条件下来探讨n c s 7 西华大学硕士学位论文 问题。当传感器以事件驱动方式工作时，一般是指传感器以自身 的前一组采样数据发送完毕作为下一组采样数据释放的条件，这 种情况在 1 7 ，1 8 中被用来作为讨论问题的基础。执行器一般都是以 事件驱动方式工作，它所要求的特定数据就是来自控制器节点的 控制量输出数据。 事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点： ( 1 ) 控制器为事件驱动时，由传感器发送的数据- n 达控制器 便马上参加运算，避免了控制器为时钟驱动时的数据等待被采样 的时间，客观上减少了网络诱导时延； ( 2 ) 控制器为事件驱动时，避免了控制器为时钟驱动时的控制 器和传感器时钟同步的困难； ( 3 ) 控制器采用事件驱动方式，避免了控制器为时钟驱动时容 易出现的无效采样( v a c a n ts a m p l i n g ) 和数据丢失( m e s s a g er e j e c t i o n ) ， 提高了反馈数据的利用率。 第二个方面是指控制系统的工作方式，它主要是指整个系统是连 续系统还是离散采样系统。它们的不同点体现在n c s 中的控制器 设计。当把控制器设计为连续性时，传感器一般为事件驱动工作 方式，或者是采样周期较短的时间驱动方式，在这样的情况下整 个控制系统对网络带宽的占有率较高，当把控制器设计为离散采 样性时，传感器为时间驱动，控制器可以是时间驱动也可以是事 件驱动，此时整个系统对网络的带宽占有率较低。 基于上面的认识，本文在以下的内容如果不作特别说明，那 么所研究的n c s 的工作模式为：采用传感器和执行器由时间驱动， 而控制器由事件驱动的模型。执行器与传感器由时间驱动，传感 器的采样和执行器的输出均以固定周期同步进行。控制器由事件 驱动，当传感器的采样结果经由网络通道到达控制器节点时，控 制器节点立刻开始执行控制算法。只要传感器采集的信息到达控 制器端，控制器即启动，计算出相应的控制量，然后立即往执行 器端发送。同时，为了防止传感器信息和控制器信息的丢失，在 西华大学硕士学位论文 传感器和控制器发送端分别设置一发送缓冲区，其长度分别大于 传感器到控制器和控制器到执行器的最大延迟周期数。只要缓冲 区中有未被发送的信息，一旦检测到总线空闲，立即就会被发送 出去。这样还可以同时保证传感器信息和控制器信息能够按照产 生时间的先后顺序依次到达接收端。 1 4 网络控制系统中存在的主要问题 1 4 1 概述 传统的计算机控制系统中，通常假设信号传输环境是理想的， 信号在传输过程中不受外界的影响，或者影响可以忽略不计：网 络控制系统的性质很大程度上依赖于网络结构及相关参数的选 择，这里包括传输率。接入协议( m a c ) 数据包长度、数据量化 参数等。在网络控制系统中，网络环境的影响通常是无法忽略的， 这些影响包括以下几个主要方面： 1 4 2 信道带宽的限制 任何通信网络单位时间内能够传输的信息量都是有限的。在 许多应用系统只，贷款的限制对整个网络控制系统的运行会有很 大的影响。例如，用于安全需求的无人驾驶系统、传感网络、水 下控制系统以及多传感多驱动系统等。对该类系统、传感网络、 水下控制系统以及多传感多驱动系统等。对该类系统，若何在有 限的贷款限制下设计出有效的控制策略，保证整个系统的动态性 能，是一个需要重点解决的问题。 1 4 3 网络控制系统的稳定性问题 网络控制系统的稳定性，主要涉及网络本身的稳定性以及控 制系统的稳定性两个方面。网络本身的稳定性是通过每个节点队 列中的信息量来定义的，如果该信息量大于某一常数或者随着时 西华大学硕士学位论文 间的增长信息量趋于无穷大时，就称该网络是不稳定的。网络系 统的不稳定将有可能直接导致整个系统的不稳定。但也有这样一 种情况，就是在一个系统中，网络系统本身是稳定的，但控制系 统却是不稳定的，反之亦然。在对网络控制系统的研究中，很多 时候是着眼网络系统中的因素对整个系统稳定性的影响，就是前 面提到的，网络诱导时延、丢包、多包传输等等。我们在下面将 就这些方面加以详细叙述。综上所述，网络控制系统的设计要比 传统控制系统设计考虑的因素更多。一般而言，常用的两种主要 设计方法，都将这些因素融合起来考虑。一种是在不考虑时延和 数据包丢失的情况下先直接设计控制系统，但在设计通讯协议中 对这些因素加以考虑，设计中要考虑把这些因素对系统性能的影 响降低到最低限度。如在网络通讯遇到的流量超过其所能处理的 限度时，在通讯协议中通过拥塞控铝l j ( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 和回避算 法( a v o i d a n c ea l g o r i t h m s ) 等方法来获得系统更好的控制性能。另一 种新颖的a b r 拥塞控制算法，就是一种能根据网络状况自动适应 变化的算法，并且对于网络时延具有鲁棒性。还有一种设计方法 是把网络协议和网络流量看成一种给定的情况，然后设计在这种 情况下的控制策略。为了更好处理时延，采用一种基于时延微分 方程( d e l a y d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ) 的控制策略 2 9 , 3 0 。 1 4 4 网络延时 在n c s 中，多个网络节点共享网络信道，由于网络带宽有限 且网络中的数据流量变化不规则，当多个节点通过网络交换数据 时，常常出现数据碰撞、多路传输、连接中断、网络拥塞等现象。 因而不可避免地出现信息交换时间延迟，这种由网络引起的时延 称为网络诱导时延( n e t w o r k 。i n d u c e dd e l a y ) 。网络诱导时延是随机 的、有界的、还是不确定的，主要取决于通信网络的类型和采用 的通信协议。时延不可避免地造成了系统控制品质降低、性能恶 化，甚至系统的不稳定。时延是n c s 的分析和设计中不可忽略的 1 0 西华大学硕士学位论文 重要因素 3 1 】。 1 4 5 丢包问题 由于网络延时的存在，系统可能会失去同步，产生空采样， 导致数据在传输中发生丢失和出错。另外，当负载较大时，数据 碰撞和网络拥塞经常发生，将造成数据包丢失。尽管大多数通信 协议有重发机制，但都重发在一定时间内未到达的数据包。超过 一定时间未到达的数据包被丢弃。在实时控制系统中，往往是将 一定时间未到达的数据包主动丢弃掉，接着发送新数据，以保证 信号的及时更新和数据的有效性。 3 6 , 3 7 】 1 4 6 网络调度 在n c s 中，调度( s c h e d u l i n g ) 是指系统节点在共享网络中发送 数据出现碰撞时，规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间 隔。这里讨论的调度发生在应用层，即发生在传感器、控制器和 执行器之间的传输数据过程中。网络调度的目的是尽量避免网络 中冲突和拥塞现象的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失 率。例如，当多个传感器通过共享网络传输数据发生冲突时，网 络调度规定各个传感器访问网络的优先次序、发送时刻和发送时 间间隔，使整个系统达到预期的性能指标。 目前，网络控制系统的调度方法主要包括基于优先级的调度 方法，基于节点发送时间间隔的调度方法以及基于死区的调度方 法等。基于优先级的调度方法主要有静态调度( s t a t i cs c h e d u l i n g ) 和 动态调度( d y n a m i cs c h e d u l i n g ) 。在静态调度( 又称离线调度) 中，各 节点任务的发送是预先确定的，如时限、计算时间、优先权关系 和任务的释放时间等。如r m ( r a t em o n o t o n i c ) 及其衍生算法属于静 态调度法。静态调度法是缺省的调度算法，在任务执行之前就已 经确定了各任务的优先级，不会随时间变化。利用静态调度算法 可以设置某些节点在其它节点之前多次访问网络。动态调度法( 又 西华大学硕士学位论文 称在线调度1 是在n c s 运行中，决策网络资源的分配，根据任务的 某些特性随时间的变化，动态地调整任务之间数据的发送顺序。 如e d f ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 是最优的动态调度算法。t o d 技术 与优先级控制技术相结合，可以实现动态的调度策略 3 5 1 。 1 4 7 网络拥塞 当网络中存在过多的数据包时，超负荷工作的网络性能就会 急剧下降，这种现象称为网络拥塞( c o n g e s t i o n ) 。拥塞导致的直接 后果是数据包丢失率增加，端到端的数据传输时延增大，严重可 使整个系统瘫痪。拥塞的根本原因是节点提供给通信网络的负载 超过网络资源的容量和处理能力。 在n c s 中，采用t o d ( t r y o n c e d i s c a r d e d ) 数据传输技术，可 保证设备接收到数据是最新数据。待传输的数据在传输过程中只 发送一次，传输未成功便被丢弃，从而大大降低网络拥塞发生的 概率【3 3 ，3 4 1 。 1 5 论文的目的与主要工作 1 5 1 研究目的 随着控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗 透，控制系统结构越来越复杂，空间分布越来越广，对系统控制 性能的要求也愈发提高。这给自动化技术的发展带来了新的机遇 和挑战。目前，远程遥操作、遥医学、远程教学和实验、无线网 络机器人、某些兵器系统以及新兴的现场总线和工业e t h e r n e t 技术 等，本质上都可归结为基于网络的控制系统，或者称为网络控制 系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) ，即是利用专用或公用数据 通信网络代替传统的点对点连接构成的闭环控制系统。网络控制 系统打破了传统控制系统在空间物理位置上的限制，拓宽了控制 活动的场所，降低了系统的连接复杂性、降低了运行成本和维护 1 2 西华大学硕士学位论文 费用，便于实现管控一体化，提高了信息集成度。网络环境下的 新型管理信息系统及控制系统不仅可以应用于复杂的工业控制领 域，而且在兵器系统、机器人工业、航空及航天领域也极具潜力。 因此，针对网络控制系统的研究得到了国内外研究工作者的极大 关注。在国内控制界，网络环境下控制的概念在近年来才被接受， 所以本课题的研究具有积极和重要的意义。 网络给控制系统带来若干优点的同时，也使得网络控制系统 的分析与设计更加复杂和困难。网络控制系统的复杂性是由网络 自身特点造成的，主要在于：( 1 ) 网络环境下多用户共享通信线路 且流量变化不规则；( 2 ) 传输数据流经众多计算机和通信设备且路 径不唯一；( 3 ) 数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因 会导致时序错乱、数据包丢失。因此，网络中传输的信息是处在 动态不确定时变环境中。由于网络中信息流存在非线性动力学特 性，网络作为闭环反馈控制的一部分和被控对象组成的闭环系统 是一变时延的不确定的复杂系统，这对基于网络的控制提出了严 峻的挑战。另外，计算机网络是以数据包的形式传输和交换信息， 与传统控制系统的基本假设( 例如信息传输的同步、无时延等) 不相 符合，因此必须重新审视传统控制系统的研究方法，充分考虑网 络传输信息的特点，对网络控制系统的建模、系统分析以及设计 进行深入的研究，这对于网络控制系统的理论研究和实际应用具 有深远的意义。 1 5 2 獬题的研究任务 针对网络控制系统n c s 研究中遇到的时延、丢包引起网络不 稳定难以控制和网络通讯协议复杂网络模型难以建立等问题，本 课题在瑞典l u n d 大学编制的t r u et i m e 实时系统平台上，运用广 义预测控制算法和时延补偿来对网络控制系统性能进行优化，对 其各个步骤进行系统的分析和研究。 本课题的研究任务主要分四个阶段完成。第一阶段主要对网 1 3 西华大学硕士学位论文 络控制系统时延和丢包问题的分析和建模；第二阶段主要是将 g p c 算法对n c s 系统的研究和仿真实验；第三阶段主要是把g p c 加时延补偿在n c s 中的应用在网络实时系统平台t r u e t i m e 上的实 现：第四个阶段主要是设计了一个网络控制平台的电烤箱温度控 制系统。 本课题拟解决的关键问题： ( 1 ) g p c 算法在网络控制系统中建模的问题； ( 2 ) g p c 加时延补偿的方法在网络控制系统中有效性的问题。 ( 3 ) 改进的g p c 在网络控制中的运用 1 5 3 论文各部分的主要内容 总体上，本文的内容分为六章。 第一章介绍网络控制系统n c s 的研究背景，即工业网络控制 从d c s 、f c s 到基于工业以太网的发展过程，同时还介绍了目前 研究的现状，其中主要从控制和通讯这两个方面来叙述。在此基 础上，提出本文研究的出发点和解决方法。 第二章介绍了网络控制系统的特点、工作模式和网络及网络 时延，分析网络时延产生的原因以及对系统性能的影响。 第三章提出一种新的控制策略，将广义预测控制算法和时延 补偿应用于网络控制系统中。介绍了广义预测控制g p c 的算法和 特点以及各参数对控制系统的影响。介绍了瑞典l u n d 大学的网络 控制工具箱t r u e t i m e 的组成和功能，并以该平台为基础，对网络 进行建模，将g p c 算法用于n c s 的控制器中，比较了g p c 控制 和p i d 控制对控制系统的性能的影响。同时用改进的g p c 简化了 计算。 第四章设计了个基于l p c 2 2 9 2 的网络控制平台的电烤箱温 度控制系统。 第五章总结了本论文的主要工作、论文的创新点以及进一步 的研究工作。 1 4 西华大学硕士学位论文 2 网络控制系统中的控制网络及时延分析 2 1 网络控制系统概述 网络通信技术和计算机控制技术的不断发展，促进了控制系 统在体系结构、单元部件和控制技术方面的一系列变革，形成了 涵盖分布式控制系统( d e s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) 、现场总 线控制系统和实时以太网控制系统( e c s ，r e a lt i m ee t h e m e t c o n t r o ls y s t e m s ) 等各种体系结构的现代工业控制网络新体系。控制 网络的体系结构从根本上决定了控制网络的服务质量，如网络吞 吐量、数据传输率、误码率、时延可预测性和任务可调度性等。 而上述指标又是设计n c s 控制器以满足系统稳定性和动态性能的 基础条件，在不同程度上影响着n c s 的控制性能。因此，选择和 设计合理的工业控制网络体系结构，可以从根本上改善和提高 n c s 的控制性能、运行效率以及可靠性、快速性和可维护性等。 2 2 网络控制系统的传统结构模型4 1 2 3 作为控制系统发展的前沿课题，网络控制系统利用通信网络 在分布化的设备之间进行信息和控制信号的交换，当一个控制系 统通过通信网络构成控制回路时，就构成为网络控制系统。 图2 1 为网络控制系统的结构框图，每一个网络控制系统往往 不是独立的，它由多个子控制系统通过通信网络一起构成。通信 网络为系统中各个子系统所共有，并提供各种智能化输入输出( i 0 ) 设备如传感器、驱动器与控制设备等与整个控制系统的所有设备 进行连接，实现信息的共享和传递。 西华大学硕士学位论文 图2 1 网络控制系统的结构框图 f i 9 2 1t h es t r u c t u r eo f n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 在实际的应用中利用网络构成回路的控制系统有两种：一种是 复杂控制系统，它是指那些包含了很多子系统的大规模系统，并 且每一个子系统可以看作一个控制系统，它由传感器、控制器、 执行结构构成。在不同的应用场合，传感器和执行机构根据控制 器的不同需求安装在不同的位置；另一种是远程控制系统，它主要 包括远程数据请求系统和远程监控系统。要实现远程控制系统， 必须在本地与远程地点建立通信连接。但是，在实际的工业或军 事应用中，这些通信连接的方式都是不公开的，或者是针对具有 特定用途的操作平台，这就使得这种连接不具有通用性。随着 i n t e m e t 技术的飞速发展，种更为合理的方案将远程受控系统与 本地控制器通过一些公用的网络( 如i n t e m e t ) 连接起来，并且这种 方案对网络本身不需要进行额外的变动，只是利用它进行信息的 传递，因而这样的控制系统架构很容易进行移植和功能扩展，系 1 6 西华大学硕士学位论文 统设计策略也更加有效。 以上网络控制系统中的每一个子系统的组成都可抽象为四个 部分组成：控制器、传感器、执行机构和网络，其系统模型如图2 2 所示。 图2 2 网络控制系统模型 f i g2 2t h em o d e lo f n e t w o r k c o n t r o ls y s t e m 2 3 网络控制系统中典型的控制网络 尽管控制网络为实现不同的控制目的具有各种各样的结构形 式，但从通信方式和通信协议以及应用领域角度，又集中典型的 控制网络代表，分别介绍如下： 2 3 1 以太网 以太网是一种局域网络，具有传输率高、低耗、易于安装和 兼容性好等优势，并且支持所有流行的网络协议，因而成功应用 于信息网络中。以太网利用载波多路侦听冲突检测机制 ( i e e e 8 0 2 3 标准) 来解决介质的冲突问题。近年来，随着网络技术 和智能设备的不断发展，以太网进入了控制领域，形成新型的以 太网控制网络技术。以太网的t c p i p 协议的开放性使其在工业领 1 7 西华大学硕士学位论文 域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。 在以太网中每个节点发送信息前首先监听网络状态，如果网 络空闲立即发送信息，否则等待直到网络空闲。当两个以上节点 发生冲突时，冲突各节点均退避，等待随机长度时间在重试传输。 这个随机时间的长度由标准的二进制指数退避( b e b ) 算法决定。 在以太网中，被传输的数据包都受随机时延的影响。最严重 的情况是高负载下冲突加重时，数据吞吐量的降低将增加时延， 时延随机、无上界。并且，基于b e b 算法的消息在经历一系列冲 突后会被丢弃，因此，以太网的数据传输不能保证端到端的可靠 传输，具有不确定性。 以太网特点： ( 1 ) 以太网的数据传输不支持任何消息的优先级 ( 2 ) 单个数据包容量为1 5 0 0 个字节，最小数据包限制为6 4 个 字节。 ( 3 ) 高负载下时间延迟随机不确定无上界。 ( 4 ) 在低负载下数据传输几乎没有延迟。 ( 5 ) 因为有最小数据包大小限制，发送很少量的数据时也要使 用大的数据包，浪费网络资源。 2 3 2 设备网 在工业设备网中，节点通信采用的媒体访问控制方式是c a n b u s 方式。c a n ( 控制器局域网，c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 最初是为 汽车工业开发的一种标准。由于其低造价、高可靠性和实时性， 在严格的实时工业应用中也得到广泛的应用。c a n 持总线拓扑结 构，传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。c a n 通信采用带 信息优先级仲裁的载波监听多路访问c s m a a m p 方式。c a n 通 信中，每个消息都规定有优先级，用于仲裁节点同时访问时哪个 节点获得网络的访问权。当多节点同时访问网络时，具有高优先 级的节点信息可以不中断地继续传输。具有优先级的节点信息被 西华大学硕士学位论文 终止传输，当网络空闲时再传输。因此，不会出现节点冲突，更 不会发生网络拥塞。 当网络的传输周期和发送时刻是已知时，两个节点之间的时 延就是确定的常数。 c a n 特点 ( 1 ) 具有高优先级的节点信息传输时延小，时延为恒定值。 ( 2 )