（电机与电器专业论文）基于internet的无刷直流电机控制系统研究.pdf

西北工业大学颂士学位论文 a b s l r a e t a b s t r a c t b e c a u s eo f i t se x c e l l e n ts p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c e b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) i sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s r e c e n t l y ，t h em o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a s b e e ni n v e s t i g a t e di n t e n s i v e l ya n das e r i e so f s i g n i f i c a n tr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d i n t e r a c ti si n t r o d u c e dt ot h ec o n t r o ls y s t e mw i t l lt h ed e v e l o p m e n t h o w e v e r d u et oi t s u n c e r t a i n t ya n dr a n d o m n e s s ，m a n yn e wi s s u e se m e r g e t h ep r e s e n tp a p e ra i m st os e ti l p a ni n t e m e t - b a s e db l d c mc o n t r o ls y s t e ma n dr e s e a r c ho ns o m eq u e s t i o n so f n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e mf n c s ) f i r s t l y , ad s p b a s e db l d c m c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a sm i c r o p r o c e s s o ra n di r 2 1 3 6 鹊c o r ed r i v e r i ti m p l e m e n t sp r e c i s ec l o s el o o pc o n t r o l f o rs p e e do rp o s i t i o na n dp r o v i d e se n o u g hp r o t e c t i o nc i r c u i ts u c ha so v e r - v o l t a g e ， l o w - v o l t a g ea n dt h e r m a l t h ec o n t r o ls y s t e mc a nb ec o n n e c t e dt ow e bs e r v e rv i a t h e r $ 2 3 2b u s s e c o n d l y a st i m ed e l a yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i c a li s s u ei nn c s ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h ec o m p o s i t i o no ft h et i m ed e l a y , a s e st h ei c m pp r o t o c o lt ot e s tt i m ed e l a y s o m eo fi t sc o r r e s p o n d i n gf a c t o r s ，s u c ha st r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，p e r i o do ft i m ea n d d i g i t a lp a c k a g ea r ea n a l y z e da sw e l l i no r d e rt os o l u t et h o s ei s s u e s ，t h i sp a p e rp r o v i d e s a l le v e n t t i m i n gc o m b i n e dm o d e l b a s e do nt h em o d e l ，a ne v e n tv a r i a b l ep a r a m e t e r , i n d e p e n d e n to f t i m ea n de n s u r i n gr e a l - t i m er e g u l a t i o ni nt e r m i n a lp a r t , i sp r o d u c e d t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sa c c o m p l i s h e di nt h et h i r ds t e p i tc h o o s e st h eb s c o m m u n i c a t i o nm o d e a d o p t sh o l d i n ga n dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ec o m p l e xc o n t r o l w a y d i s t a n c eu s e rc a na c c e s st h ef i e l dt h r o u g ht h ew e b b r o w s c li nt h i sw a y , t h e w h o l es y s t e mc a l lb ee a s i l yo p e r a t e d ，m a i n t a i n e da n de x p a n d e d d i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a lw a y , t h i sc o n t r o lt e c h n o l o g yc o n q u e r st h el i m i to f t h es p a c ea n dr e a l i z e st h e s h a r i n go f r e s o u r c e sa n dt e c h n o l o g y f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t so nt h ep l a t f o r ma f cc a r r i e do u t i n c l u d i n gi n t e r n e t r e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，s t e pr e s p o n s eo fs p e e dl o o pb a s e do ne v e n t - t i m i n gc o n t r o l m o d e ，t r a p e z o i d a lg r a p ho p e r a t i o n ，f a u l t sd i s p o s a la n dm o n i t o r t h e s ee x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a te v e n t - t i m i n gc o n t r o lm o d ei sb o t he f f e c t i v ea n dr e l i a b l ef o rt h ei s s u eo f d e l a yt i m eo ni n t e r n e t k e y w o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m o q c s ) ，t i m ed e l a y , e v e n t - t i m i n g c o n t r o l s y s t e m ，b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) 1 1 西北工业大学硕士学位论文 绪论 1 1 概述 第1 章绪论 在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，控制系统的结构越来越 复杂。传统集中控制系统已经不能满足要求，工业控制系统开始向分布式、部分 异步的控制方式发展。现场总线就是顺应这一形式发展起来的技术，并在一定程 度上解决了这一问题。但是，现场总线的开放性是有条件的，是不彻底的。当现 场总线的发展遇到阻碍时，以太网技术却得到了迅猛发展n 将现场传感器、控制器和执行器通过通讯网络进行连接并实现信息之间相互 交换，从而实现被控对象的实时反馈控制，这类控制系统称之为网络控制系统 ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称为n c s ) 【n j 。网络控制系统的概念可以追溯至 上个世纪八十年代后期r a y 等人关于集成通讯控制系统( i n t e g r a t e d c 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 ，简称为i c c s ) 的研究f 3 】f 4 】，i c c s 可以看成 是n c s 的雏形。直到1 9 9 9 年n c s 的概念才在由w a l s h 等人在文献 5 中正式提出。 与传统的直接集中式控制系统相比，n c s 可实现复杂大系统控制和远程控制 系统的客观需求，传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智能化为通信网络在 控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基础 6 1 。同时，n c s 的出现实现了资源 的共享，并且具有高的诊断能力，以及减少系统的布线、安装维护方便等诸多优 点，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。所以从它一出现就受到了大量学者的关注，并且得到了迅速的发展，取得了 大量的研究成果1 7 】【8 l 【口】，这些成果主要包括基于离散模型的方法、基于连续模型的 方法和基于混杂模型的方法，以及在智能控制、网络诱导延时、网络调度等各方 面取得的成果。 互联网起源于二十世纪七十年代初期美国国防部资助的a r p a n e t 项目【1o l ，其 主要目的是建立一个分散的指挥系统，防止在遭受原苏联的核武器摧毁的情况下， 全军指挥陷入瘫痪的后果。到了8 0 年代，由于冷战结束，这个军方网的作用越来 越小。美国政府把这个网的非军事机密部分全部开放，供一些大学和科研单位使 用，并相继开展了相关的科学研究工作。1 9 9 2 年开始，出于i n t e r n e t 技术的突 破性进步，i n t e r n e t 在全球迅速普及。从最初的文件传输、电子邮件收发到信息 搜寻、软件下载、多媒体、娱乐以及电子商务，i n t e r n e t 发展和普及改变了人们 的生活、工作和思维方式，并且从最初的辅助性工具开始逐渐成为很多人日常生 活、工作和学习的重要组成部分。基于i n t e r n e t 的远程控制技术也伴随着这些技 西北工业大学硕上学位论文绪论 术得到了迅速的发展并且取得了大量的成果，目前最重要的应用领域包括：远程 学习实验室】、教育科研共享设备【1 2 】、远程手术、汽车控制”4 1 、家电控制【1 5 】、 航空航天【1 6 l 以及遥操作机器人【1 7 】等，其中以基于i n t e r n e t 的遥操作机器人的研 究成果最引人注目。 基于i n t e r n e t 的机器人的遥操作的研究开始于2 0 世纪6 0 年代”8 1 ，最早出 现在i n t e r n e t 上的遥操作机器人系统是1 9 9 3 年i1 月德福大学开发的机器人天 文望远镜t 1 9 1 。该天文望远镜在i n t e r n e t 上对天文爱好者开放，爱好者可以通过 w e b 浏览器访问其主页，控制望远镜变换角度和焦距，并把观测结果通过电子邮 件发送给使用者。1 9 9 4 年9 月美国加州大学伯克利分校完成了m e r c u r y 项目，将 a s e a i r b 一6 工业机器人连接到i n t e r n e t 上，操作者可以通过登录到其网站通过控 制界面使用鼠标和键盘控制机器人进行物品挖掘工作【20 1 。1 9 9 5 年，g e o r g eb e k e y 和s t e v eg o l d b e r g 使用六自由度机器人、回转平台与立体摄像机，开发了“饮 水的主妇”，从而使世界各地的学者可以通过浏览器观察与欣赏博物馆中的艺术珍 品【2 ”。1 9 9 8 年6 月，p u m ap a i n t 联入i n t e r n e t ，任何连入网络的计算机用户都 可以通过网络控制一台p u m a 7 6 0 机器人在画架上作画【2 “。国内在基于网络的远程 机器人控制的研究工作才刚起步，但也取得了不少成果【2 3 l 【2 4 2 5 1 拍1 。 电机作为机电控制设备中一个重要的组成部分，在整个系统中起着极其重要 的作用，无刷直流电机由于在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、 效率高、耐受环境和经济性等方面具有十分明显的优势，在越来越多的场合中得 到广泛应用。因此，本文将无刷直流电机接入网络，通过i n t e r n e t 实现对无刷直 流电机的监视、控制、诊断等一系列操作，同时对网络时延问题做初步探讨。 1 2 研究意义和目的 由于科学技术的不断发展，生产规模的不断扩大，现代机电控制系统，不论 是过程控制还是运动控制系统都趋向于高精度、微型化及大规模化发展，网络化 是大规模控制系统发展方向的一个重要分支。当网络选定为i n t e r n e t 时，由于 i n t e r n e t 本身固有的特点，使得控制系统表现出许多新的特点，比如不确定性延 时、丢包等等。因此，对网络控制系统进行研究具有十分重大的意义和作用1 2 7 1 ： 首先，基于i n t e r n e t 的远程控制技术使得传统的b l d c m 控制系统( 或其他的 机电控制设备) 摆脱了空间的限制，通过网络实现了对设备的远程控制、管理和 维护，同时也实现了资源和技术的共享。尤其是大型企业集团，企业各工厂或产 品生产的分散，采用远程控制系统便于企业集团对所属工厂生产设备的及时监控、 诊断和维护，这种远程监控还能节省大量用于管理和维护的人力、经费，从而提 高经济效益，并可以实现企业信息网与控制网的有效连接，实现企业的综合自动 西北工业大学硕士学位论文 绪论 化。另外，设备和技术的共享对于大中院校以及科研院所有着极其重要的作用和 意义，它可以很好的整合各地丰富的实验设备资源和人力资源，促进科学研究的 进步和发展。 其次，它拓宽了人们的作业空问和范围，有利于促进新代空间机器人、海 洋机器人、危险环境机器人的研制和开发。由于这些地方人类无法到达，并且作 业环境十分恶劣，例如有核污染等危险地带，采用远程网络控制系统可以代替人 类完成采集数据，救援等工作，从而避免人员的伤亡。 再次，基于i n t e r n e t 的控制不需要人们铺设专门的通讯线路并且网络技术日 益成熟，这样将有利于减少远程控制的成本、扩大远程化距离、实现对任意节点 的访问。 最后，基于i n t e r n e t 的远程无刷直流控制系统与传统的分散式控制系统有 着很大的不同，其控制系统非常复杂，主要表现在：通讯介质的分时复用以及流 量的不规则变化导致控制环路中出现了通讯延迟；传输通道的不可靠性导致传输 过程中数据的丢失：网络带宽的不同以及路由选择的随机性导致网络控制系统中 丢包现象变得严重和多包传输问题的出现等等。另夕 ，基于网络的控制系统以数 据包的形式传输和交换信息，与传统控制系统信息传输同步和无时延的基本假设 不相符合，因此必须充分考虑网络传输信息的特点，对网络控制系统的建模、稳 定性、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。 由上所述，基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统研究不仅使得控制系统摆脱了空 间的限制，减少远程控制系统的成本、扩大远程化距离，而且由于控制系统及其 复杂，对于推动控制理论和控制技术的发展有十分深远的意义。 1 3 研究现状以及存在的问题 众所周知，直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便( 可无级 调速) 、调速范围宽、低速性能好( 起动转矩大、起动电流小) 、运行平稳、效率 高等方匿。但是由于传统的宜流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存 在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等的致命弱 点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，也大大限制了它的应用范围。 早在1 9 3 4 年，文献 2 8 就提出了用晶闸管作开关元件替代有刷直流电机的机 械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人 首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无 刷直流电机的诞生。1 9 7 8 年，原西德m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威 贸易博览会上，正式推出m a c 经典无刷直流电机及其驱动器，无刷直流电机真正 西北工业大学硕士学位论文 绪论 进入实用阶段。8 0 年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无 刷童流电机f 2 ”。在最近2 0 多年的时间里，由于面向3 c ( 工业自动化、办公自动化、 家庭自动化) 市场需要的增长，新型的高性能永磁材料技术的进步，半导体功率器 件和专用控制集成电路的发展，永磁无届9 直流电动机的功率覆盖范围早已突破微 电机功率界限，从毫瓦级到数十千瓦，应用范围涉及工业、农业、家用、航空航 天、军用等各个领域d o l 。 由于直流无刷电动机具有交流电机和直流电机所无法比拟的优点，以及它本 身就是个多变量、非线性、强耦合的控制系统，目前很多学者投入大量精力研 究基于无刷电动机的伺服控制策略并成为研究热点f 3 i 3 2 1 1 3 3 l ，除了经典的控制方法 的应用外，文献 3 4 3 8 分别对变结构、无位置传感器、模糊控制与p i d 相结合的 f u z z y p i d 控制、神经网络与模糊控制相结合的复合控制等智能控制方案进行了 研究，并成功的应用于实际控制系统中。伴随着计算机、通讯技术的发展，i n t e r n e t 技术得到了迅速的发展，由于i n t e r n e t 具有强大的用户基础，并且移植容易，维 护、培训成本低等特点，将无刷直流电机的控制与i n t e r n e t 结合，通过i n t e r n e t 对无利直流电机进行远程监视、控制、诊断等，必将进一步扩展无刷直流电机的 应用范围，同时网络的加入使得控制系统变得极其复杂，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。 将无刷直流电机通过网络进行控制首先遇到的问题就是由于网络带宽与动态 路由造成的不确定传输延时。目前国际上解决该问题存在着诱种不同的思路p 驯 一种是时延依赖( d d ：d e l a yd e p e n d a n t ) 方法，在该方法下，人们假设时延不变或以 某种规律变化或符合某种概率分布，然后针对网络控制系统的建模、稳定性以及 时延的补偿和控制进行研究，包括预测控制、鲁棒控制方法、滑模变结构控制、 共享顺从控制方法等m o l l 4 1 4 2 1 。另一类方法为时延无关的控制方法( i o d ： i n d e p e n d e n to fd e l a y ) ，该方法并不对时延作任何假设，认为时延是随机、不可 预测的，这类方法的典型代表有基于波理论的控制方法1 4 3 】l l 和基于事件的智能 控制方法【4 5 4 6 】【4 7 l 。波理论最早由n i e m e y e r 和s l o t i n e 提出，基于该理论的控制 方法可以不用考虑网络中时延的大小，但是当时延增大时控制系统性能会显著下 降。基于事件的智能控制方法最早由t a r n 与n i n gx i 提出，该方法利用非时间参 量s 取代通常控制系统中的时间参量，而该参量与系统传感器的测量结果直接相 关，此最早应用于机器人控制系统中，使得系统可以实时在线修改控制目标以适 应环境的变化。由于采用了非时间参量作为系统运行的参考，系统中存在时延对 系统的性能不会产生任何影响口“。 4 西北工业大学硕士学位论文 绪论 1 4 本文的主要研究内容以及论文结构 本文的研究内容来源于十五重点学科建设项目运动控制技术研究，围绕构建 一套基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统，针对网络控制系统的部分问题进行了研究。 第一章，首先对网络控制系统的产生和发展作了一个简单回顾，紧接着对本 文研究的意义和目的作了深刻的分析，然后对b l d c m 控制系统的发展以及影响网 络控制系统的实时性的网络延时相关的文献作了综述。 第二章，首先给出了基于i n t e r n e t 技术的远程控制相关内容做了叙述，对基 于i n t e r n e t 技术的远程控制系统的通讯模式和控制方式做了对比，在此基础上确 定了基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统的通讯模式、控制方式，最后给出了系统的 整体结构。 第三章，在分析基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统网络时延的前提下，设计了 一种基于事件一时间的智能控制方法，在保留了与系统实时性密切相关的时间后， 引入了一个与时间无关的参量s 来取代时间参量f 来描述电机运行状态和控制指 令，从而避免了网络时延对系统的稳定性造成的影响。 第四章，给出了本系统的b l d c m 控制系统的结构框架以及详细的软硬件设计。 第五章，对基予i n t e r n e t 的的b l d c m 控制系统平台，网络服务器以及动态网 页的实现方法进行了介绍，通过试验研究，证明了基于事件一时间的控制模式的 有效性以及稳定性。 第六章，对本文的研究的研究内容和研究成果做了总结，同时对未来的工作 做了展望。 两：i u l 2 业大学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架与结构分析 第2 章基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架与结构分析 2 1 基于i n t e m e t 技术远程控制的概念与相关技术 2 1 1 基于i n t e m e t 网络控制系统的概念与特点 进入二十世纪九十年代以后，随着网络技术的迅速发展，i n t e m e t 正把全世界的 计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路与公用数据网络。而工业 控制技术的不断更新，改变了控制系统的结构，使其向着网络化的方向发展，从工 业控制领域来讲，由于现在工厂和生产在地域上越来越分散，要总揽现场控制信息 和生产状况，或要实现对分散在各工厂和生产线上的控制网络进行状态监控、远程 软件下载及设备的诊断维护，特别是对一些大型的跨省或跨国公司要实现对分散在 各地的下属公司，进行经营、生产概况的数据、曲线总揽，监视工厂生产装置的运 行状态，更是迫切要求控制网络和i n t e m e t 相结合来实现远程控制。因此，将电机 控制网络与i n t e m e t 结合成为控制领域的一个新方向，并产生了基于i n t e m e t 的远程 机电控制系统。 远程控制是指本地计算机通过网络系统实现对远端控制系统的监视和控制，我 们将能够实现远程控制的所有软、硬件系统统称为远程控制系统。在现有远程控制 系统的基础上，我们以工业生产的远程控制为研究的主要方向，将工业生产过程的 监控信息接入i n t e r n e t ，在一定条件下就可以通过i n t e m e t 监视并控制生产系统和现 场设备的运行状态和各种参数，根据经营需要及时发出调度指令，或者利用本地丰 富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制等，这就构成了我们将要研究的基于 i n t e m e t 的远程控制系统f 4 ”。 基于i n t e r n e t 远程控制系统最大特点就是开放性。任何人在任何时候、任何地 方，只要能连上i n t e m e t ，就能实现对远程设备的控制。此外，基于i n t e m e t 的远程 控制系统还有以下的特点： 1 ) 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接 i n t e m e t 己成为企业管理网络的首要选择，将i n t e r n e t 应用于现场设备的控制网 络，实现企业信息网络和控制网络的融合，促进企业整个信息化的集成。通过通用 的浏览器，并经过身份认证后，生产管理者、设备维护者乃至用户都可方便地了解 到现场设备工作状态的信息。另外，通过建立设备运行档案数据库，可实现设备从 制造、安装到运行的全生命周期管理。 2 1 控制系统的成本降低 西北工业人学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架与结构分析 这主要表现在两个方面：一是支持i n t e m e t 通信的网络设备比较多，设备成本 比较低；二是熟悉i n t e m e t 网络操作的用户较多，整个系统的培训i 、维护都比较容 易。因此，与以往的控制系统相比，基于i n t e m e t 的控制系统的成本可大大降低。 3 ) 更高的稳定性 光纤网络己成为i n t e m e t 的主干网络，光纤所具有的良好的抗噪声干扰性能使 得i n t e m e t 更加适台使用在实时监控的高噪声设备现场环境。 基于i n t e m e t 的远程控制系统所具有的上述优点都是目前传统机电控制技术所 无法比拟的。其典型的网络结构有两种f 4 9 1 ：径直结构( 图2 1 ) 和分层结构( 图2 2 ) 。 在径直结构中，控制信号封装在帧或报文内，然后通过网络发送到被控对象，被控 对象的传感器数据同样以帧或数据包的形式通过网络发送至控制器。这样远程计算 机( 服务器端) 和本地计算机( 客户端) 以及被控对象通过因特网组成了一个闭环 控制系统。其中本地计算机根据输入信号和反馈信号，计算出控制信号，然后通过 i n t e m e t 传送给远程计算机，远程计算机则根据接收到的控制信号发出实际的控制指 令来控制对象。径直结构的典型应用包括远程学习试验室和直流电机控制系统。 图2 1 径直结构的n c s 在分层结构中，主控制器通过网络将计算好的参考信号发送到远程系统，远程 系统然后根据参考信号来执行本地的闭环控制，并将传感器测量数据返回给主控制 器。远程操作人员一般置于控制结构闭环系统之外，从而尽量减小不确定时延对整 个系统的影响。一般丽言，网络化控制回路具有比本地控制回路更长的采样周期。 这是因为，远程控制器在处理新到达的参考信号之前，假定已经满足参考信号。这 种结构的典型应用有远程控制机器人、汽车控制等。 图2 2 分层结构的n c s 两种控制结构各有优缺点，应用领域也各不相同。在一个大规模的n c s 中有可 能同时采用两种结构，这是由n c s 的异质网络结构所决定郾】，如果将远程闭环系统 建模成类似于纯被控对象的状态空间模型或者传递函数，则分层结构实际上可以转 7 西北工业大学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架与结构分析 换成径直结构【5 1 1 。 2 1 2 基于i n t e r n e t 网络控制系统的基本问题 从图2 1 ，图2 2 可以看出，网络是控制系统各部分进行信息传送和交换的唯 一通道。文献 4 9 5 2 5 3 5 4 5 5 针对网络传输过程中的一些基本问题做了总 结，包括：网络诱导时延、数据包丢失，数据包乱序、单包传输或多包传输、网络 调度、节点驱动方式以及时间同步等，它们直接影响到控制系统的建模、分析以及 设计的各个方面。下面分别介绍各个基本问题。 l 网络诱导时延 控制系统通过网络交换数据时，会由于诸多节点共享同一网络通道而产生时 延，称之为网络诱导时延。若在设计控制系统时不考虑这种时延的存在将降低控制 系统的性能，甚至还会引起系统的不稳定。一般可认为，当时延远小于采样周期时， 时延的影响可以忽略不计；但当时延相对于采样周期而言不能忽略时，设计闭环网 络控制系统的控制器就必须考虑信息的传输时延。网络诱导的时延可能是固定、有 界的，也有可能是随机的，这主要与所采用的网络协议和所选用的硬件，以及网络 的负载情况等有关。网络诱导时延一般认为由四部分组成：传感器节点采集数据、 处理数据和竞争发送权所花费的时间；传感器数据在网络上传输的时间；控制器节 点计算控制量、处理数据和竞争发送权所花费的时间；控制量在网络上传输所花费 的时间。数据在网络上传输的时间又称为通道时延，而节点竞争发送权所花费的时 间又称为器件时延。一般来说，当网络中不含网关、路由等中继设备时，通道时延 可以认为是固定的，其大小与网络的速度、数据包的大小有关。而当网络中含有中 继设备( 例如网关、路由器、网桥等) 时，中继设备中的队列机制会增大通道时延， 还将使得通道时延也具有时变特性。器件时延的大小与网络的协议相关。可能是固 定的，也可能是时变的。由于网络诱导时延是时变的，时延的长短依据时延的上界 区分。对予长时延的情况，在某些时段内也可能出现时延小于一个采样周期的情形 嗍5 7 1 。 为了对时延进行建模和分析，根据不同的网络协议，网络诱导时延可以建模为 常数时延、随机时延和时变时延。网络诱导时延存在于控制系统的信息反馈通道中， 对闭环系统的性能有十分重要的影响，必须予以考虑，大量学者针对时延进行了分 析和论述，并取得了瞩目的成果，文章将在第3 章进行比较详细的论述。 2 数据包丢失 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这又必然会导致数据包的 丢失。虽然大多数网络都具有重新传输的机制，但它们也只能在一个有限的时间内 传输，当超出这个时间后，数据也就会丢失。其次由于节点竞争数据发送权需要花 两北工业大学硕士学位论文 撼于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架与结构分析 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。 传统的点对点结构的控制系统基本上都是同步和定时的系统，它可以对系统中 参数或者未建模参数具有较强的鲁棒性，但可能完全不能容忍数据网络的结构和参 数的改变。一般来说，反馈控制的被控对象只能忍受一定比例的数据丢失，对一本 来在没有数据包丢失时稳定的系统，当数据丢失率达到某一定值时，系统将变得不 稳定。 3 单包传输和多包传输 单包传输是指n c s 中的传感器、控制器的。个待发送数据被捆在一个数据包 中一起发送。而多包传输是指n c s 中的传感器、控制器的一个待发送的数据被分 成多个数据包进行传输。之所以采用多包传送是由于数据分组大小的限制，报文分 组交换网络在一个数据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；另一方面是因为n c s 的传感器和执行器常常分布在一个很大的 物理空间，要将这些数据放在一个数据包中往往是不可能的。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，而这在具有多包传输的n c s 中己不再成立。因为一个数据要分成多个数据包多次传输，这些数据包不可能同时 传递，也不可能同时到达。 4 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。 e h 于路由器( 或和带有路e h 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 ) 单包情况下，每一包数据便是一组完整的数据，此时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，其至u 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。 5 节点驱动方式 n c s 的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。时间驱动是指网络节点 在一个事先确定的时间内到时开始它的动作。一般而言，在n c s 中，时钟驱动中的 9 西北工业大学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架与结构分析 时间是指节点的采样时刻。事件驱动是指网络节点在一个特定的事件发生时便开始 它的动作，本文所说的事件驱动中的事件是指网络节点通过数据网络从另外一个网 络节点接收到数据。n c s 中的传感器一般采用时钟驱动，传感器的时钟即为系统的 时钟，而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。但事件驱动相比 于时钟驱动具有以下优点： 1 ) 控制器或执行器为事件驱动时，从源节点( 这里指传感器或控制器) 发送的数 据- n 达目标节点( 这里指控制器或执行器) 便马上动作，避免了控制器或执行器为 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 ) 控制器或执行器为事件驱动时，避免了控制器或执行器为时钟驱动时的与传 感器时钟同步的困难； 3 ) 控制器或执行器采用事件驱动方式时，也避免了控制器或执行器为时钟驱动 时容易出现的无效采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。 为了解决延时带来的控制系统不稳定的因素，部分学者采用事件驱动的方式进 行控制，但事件驱动相比于时钟驱动也有其缺点： 1 ) 事件驱动相比于时钟驱动较难实现； 2 ) 一些实际的n c s 不支持事件驱动方式。 6 网络调度 在n c s 中，系统性能的体现不仅依赖于控制算法，还依赖于对共享的网络资源 的调度。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。利用 有限的网络资源，实时传输较为重要的数据包，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。在保证n c s 控 制性能的基础上，尽可能的充分利用网络带宽资源也属于网络调度要解决的问题。 网络调度一般发生在网络用户层，或者网络传输层的上层。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。 7 时钟同步 在n c s 中，当控制器和作动器有一个为时钟驱动时，便存在一个时钟同步问题。 时钟同步的目的是给两个或多个节点的内部时钟以同样的值。时钟同步本身就是一 个很大的研究领域，它又分为硬件同步和软件同步。硬件同步一般是在系统的各个 节点之间用导线相连，时钟同步信号由导线传递。在n c s 中，由于系统的节点有可 能分布在一个较大的物理空间，用硬件同步一般比较困难且代价昂贵，多采用软件 同步的方式，软件同步一般是通过在网络上定时广播具有较高优先权的同步时钟的 方式实现，比如网络时间协议方法就是一种有效的软件时间同步方法。 西北工业大学硕士学位论文 摹于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架与结构分析 2 1 ，3 基于in i e r n e t 技术远程控制的关键技术5 8 1 】网络的稳定性 稳定性问题是控制系统理论研究与系统设计中首先要考虑的问题，同样，网络 控制系统的稳定性问题也是网络控制系统研究中的基本问题。一个不稳定的系统是 无法应用于工程实际当中的。网络控制系统的稳定性是由网络系统和控制系统两方 面来决定的。网络本身的稳定性与通过每个节点的队列中的信息量有关，如果信息 量大于某一常数或随着时间的增长信息量趋于无穷大，则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。而从控制角度来讲，控制系 统的不稳定也必将导致网络控制系统的不稳定。 2 通讯的确定性和实时性 将i n t e r n e t 应用于电机控制，必须要求具有很高的实时性。但是i n t e r n e t 本 身就一个是实时性不高的、非确定性的网络。究其根本是由以太网的介质访问方式 决定的。即在网路的每个瞬间，都只有一个终端发送信息，其他每个终端都接受信 息，然后所有终端都不得不看一下收到的信息的地址头，以确定这个信息是不是送 给自己的而每个终端，都在“抢”着“发言”，以争取“享有”发送信息的权力。 如果两个或多个终端同时在空闲的链路上开始传输，就发生冲突，于是所有冲突站 点终止传输，运行二进制后退算法，等待个随机的时间后，再重复上述过程。由 此可见，以太网本质上就是不确定和难以预测的。 为了提高i n t e r n e t 系统的实时性，使之成为确定性的实时通信系统，必须采 用多种措施进行良好的设计。目前除了让以太网自身带宽迅速增加使冲突几率大大 减小外，还可采用以下实现机制： 1 ) 采用交换技术 现代交换技术是以常规局域网为基础，为网络中每个节点提供专用的网络连 接，确保该段网络专有的性能。交换式局域网的核心是交换机。交换机提供了多个 端口。高档交换机可以提供数十个乃至上百个交换端口，每个端口可以连入网段、 集线器或单个站点。交换机提供大容量动态交换带宽，并采用m a c 帧直接交换技术， 可在多个节点间同时建立多个并行的通信链路，节点间沿指定路径转发报文，使争 夺式的“共享型”信道转变为分享型或独享型的信道。从而减小或杜绝冲突，消除 了瓶颈。 2 1 使m 御j u e ( f u l l - d u p l e x ) j t l ! i 信模式 常规的共享式以太网遵循c s m m e d ( 载波侦听多路访问协议) ，对所有用户，共 享式以太网都依赖单条共享介质，因此在技术上不可能同时发送和接收，否则就引 起冲突，只能以半双工模式工作。网络在同一时间要么发送数据，要么接收数据， 即不可能同时双向通信。全双工支持同时发送和接收，当只能点对点通信，也不荐 西北工业大学硕士学位论文基于i n t e r n e t 的b l d c m 控制系统框架弓结构分析 使用c s m a c d 的介质访问方式，故不存在冲突问题。全双工在理论上可以使传输速 度翻一番。 3 ) 采用虚拟局域n ( v l a n ) 技术 虚拟局域网( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ，v l a n ) 是一个广播域，它不受地理 位置的限制，可以跨多个局域网交换机。一个v l a n 可以根据部门职能、对象组及 应用等因素将不同地理位罱的网络用户划分为个逻辑网段。 4 ) 质量服务( q o s ) i po o s 是指i p 的服务质量，也是指i p 数据流通过网络时的性能。它的目的就 是向用户提供端到端的服务质量保证。 5 ) 降低网络负荷 对于共享式以太网来说，当通信负荷在2 5 以下时，可保证通信畅通，而在5 左右时，网络上碰撞的概率几乎为零。通过减小数据包，采用u d p 协议以及限制各 个网段上站点的数目来降低网络流量，减轻网络负荷，提高了网络的传输速率，也 使得网络传输的实时性进一步得以保证。 3 网络的安全性 将b l d c m 控制系统放入i n t e r n e t ，实现了数据和设备的共享，但同时也引入 了一系列的网络安全问题，一些有意无意的破坏必然对控制系统的性能以及安全性 造成威胁。以下是一些解决安全性可以采用的方法： 1 ) 加密技术 对网络系统中的信息进行加密，是为了防止网络中传输的敏感或机密信息被非 信任方截获；同时，加密技术也是其他网络安全技术实现的基础。 2 ) 确认技术 确认技术是确保信息源是身份正确的，防止第三方假冒或者通信双发中莱一反 否认( 抵赖) ，常采用的技术是数字签名。 3 ) 鉴剐交换技术 鉴别通信双方身份是否合法，可通过交换信息的方式来确认。鉴别交换技术有 口令、密码技术等。 4 1 访问控制技术 访闯控制技术是按事先确认的规则决定主体对客体访问是否合法。防止未授权 访问是信息保护的最基本的技术。防火墙技术是访问控制技术的一种具体体现，它 通常由网关和过滤器组成，过滤器起封锁某些类型通信量传输的作用。 4 通讯协议 t c p i i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议，网际协 议) 是发展至今最成功的通信协议。它起源于2 0 世纪6 0 年代末美国政府资助的 两北工业大学硕士学位论文基于i n t e r n e t 的b l i ) c m 控制系统框架与结构分析 一个分组交换网络研究项目，到2 0 世纪9 0 年代已发展成为计算机之间最常用的组 网协议。它是一个开放式的通信协议，允许分布在各地装着完全不同系统的计算机 互相通信而不管它们有多大差异。t c p i p 以其开放性的特点，成为了i n t e m e t 的基 础。 t c p i p 是一个四层的协议，它的结构如图2 3 所示。 应j ； j 层 传输联 网络层 链路层 备种应用层协议 t c pf f d p i p 设备驱动及接口卡 廊掰隐议礁用协议 f t p ，h t t p 芍)t i f t p ，d n s 肺s ) ， t iz l u 肼 土 i p 0 数搬链鼹层和物理层机制 图2 - 3 t c p l p 协议 链路层：也称为数据链路层或网络接口层，