（控制理论与控制工程专业论文）基于tcpip协议的网络控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 网络控制系统( n c s ) 是传统控制技术与信息技术相结合的产物，它在各领域 中已经得到了广泛的应用。在n c s 中，控制系统数据均通过网络来传输，这样势必 产生时延。因此作为目前一个新的控制领域和通讯领域交叉的研究方向，n c s 研究 工作都是围绕着网络时延问题展丌的。 通过分析网络延时对系统的影响，在前人对网络时延的研究基础上，重点分析 了平均时延窗口的网络时延预测方法，针对平均时延预测方法的局限性，采用b p 神 经网络算法对平均值预测算法进行误差修正，根据平均值时延预测和b p 神经网络算 法相结合，提出b p a d w 预测网络时延的智能预测方法，给出了仿真测试结果。 在预测网络延时的基础上，构建了一套网络控制体系。系统中网络控制器，采 用传统的控制理论针对不同的控制对象进行设计，运用s m i t h 预估补偿的原理，有 效的补偿网络延时对系统造成的影响。 为了验证上述网络控制系统的功能，本文设计开发了运行在v b 环境下，基于 t c p i p 协议通信的网络控制系统仿真环境，采用了v i s u a lb a s i c 编程语言中的 w i n s o c k 技术进行了网络数据传输。整个仿真软件的设计融合了v b 的网络传输技术 以及控制系统仿真工具m a t l a b 语言的高效计算能力和快速仿真技术等特点。 图2 8 表2 参5 3 关键词：网络控制系统( n c s ) ，t c p i p 协议，网络时延，b p a d w 时延预测 w i n s o c k ，m a t l a b 分类号：t p 2 7 3 河北理t + 大学硕十学位论文 a b s t r a c t n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) a r et h ei n t e g r a t e da r e ao ft r a d i t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y a n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nv a r i o u sc o n t r o la p p l i c a t i o n s i n n c s ，a l ld a t ao fc o n t r o ls y s t e m sa r et r a n s m i t t e dt h r o u g hn e t w o r ks ot h a tt i m ed e l a y sa r e i n d u c e d i n e v i t a b l y t h e r e f o r e ，a sa ni n t e r d i s c i p l i n a r y r e s e a r c hr e l a t e dt oc o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o n ，t h ep r o b l e mo f t i m ed e l a y si st h ec e n t e ro f t h en c sr e s e a r c hw o r k t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo ft h et i m ed e l a yi nn e t w o r kf o rt h es y s t e m ，b a s e do nt h e f o r e r u n n e r ss t u d y i n gr e s e a r c h e sa b o u tt h et i m ed e l a y ，t h i st h e s i sm a i n l ya n a l y z e st h em e t h o d o ft h ed e l a yf o r e c a s te v a l u a t i o n - - t h ea v e r a g ed e l a yw i n d o w s t h i sp a p e r ，a i m i n ga tt h e l o c a l i z a t i o no ft h ea v e r a g ed e l a yw i n d o w s ，u s e st h eb pa r i t h m e t i ct om o d i f yt h ef o r m e r c o m b i n i n gt h ea v e r a g ed e l a ya r i t h m e t i ca n dt h eb pa r i t h m e t i c ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e i n t e l l i g e n tf o r e c a s tm e t h o d b p a d we v a l u a t i o n a ti a s tt h es i m u l a t i o nt e s tr e s u l t sa r eg i v e n a sf o rt h ec o n t r o l l e r i ft h ed e l a y si nt h en e t w o r kc a nb ee v a l u a t e da c c u r a t e l ya ta n yt i m e ， t h ew h o l es y s t e mi st a k e na st h es y s t e mw i t hc e r t a i nd e l a y s t h ed e s i g no ft h en e t w o r k c o n t r o l l e ra d o p t st h et h e o r yo ft h eo p t i m i z a t i o na n da d o p t e dt h ep r i n c i p l eo fs m i t hf o r e c a s t e v a l u a t i o nc o m p e n s a t i o nt os o l v et h ep r o b l e mo f t h et i m ed e l a y i no r d e rt ov a l i d a t et h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h i st h e s i sd e s i g n st h es i m u l a t i o n e n v i r o n m e n to ft h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt c p i p ，w o r k i n go nv b t h es y s t e m a d o p t sw i n s o c kt e c h n o l o g yo fv i s u a lb a s i ct ot r a n s m i tt h en e td a t a t h ed e s i g no fw h o l e s i m u l a t i o ns o f t w a r ei n t e g r a t e st h et e c h n o l o g yo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o na n dt h eh i g he f f e c t c o m p u t e ra b i l i t ya n dt h es p e e d i n e s ss i m u l a t i o na b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nt o o l 。 m a t l a bl a n g u a g e f i g u r e2 8t a b l e2r e f e r e n c e5 3 k e y w o r d s ：n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 州c s ) ，t c p i p ，n e t w o r kd e l a y ，b p a d w w i n s o c k ，m a t l a b c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特y l , lj j n 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的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：l 碌鑫 日期：三辫上月互日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：啦导师签名：江日期：堤丛年旦月三日 引言 引言 随着计算机和网络技术的飞速发展，控制系统经历了从组合式模拟控制系统、 集中式数字控制系统、集散式控制系统三个阶段，发展到当前现场总线控制和开放 嵌入式网络化控制系统阶段。控制系统发展总体上呈现出从集中化向分散化、网络 化、智能化发展的方向。特别是在生产过程自动化、楼宇智能自动化和家庭智能化 控制等方面，网络化控制的趋势最为显著。 网络环境下的控制，即网络控制是目前控制科学和飞速发展的计算机网络和通 讯技术相结合的产物。9 0 年代，随着i n t e m e t 在全球的飞速发展，网络技术被广泛 应用于各种企业和工业系统中，建立基于网络的新型信息管理系统成为现代工业的 迫切要求。进入2 l 世纪的控制系统将以网络为主要特征。因此研究网络环境下的远 程控制系统，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 在n c s 中，控制系统数据均通过网络来传输，这样势必产生延时。典型的 n c s 网络延时具有在数值范围内变化和不确定的特点，这给在设计n c s 控制方案 中考虑这些时延因素带来困难。如果控制器设计对于网络延时处理不当，被控系统 甚至会出现由于时延而产生不稳定的情况。因此作为目前一个新的控制领域和通讯 领域交叉的研究方向，n c s 研究工作都是围绕着网络延时问题展开的。 对网络控制系统存在的网络延时问题，目前主要有两类网络控制系统的方法， 即从控制的角度分析和从通讯的角度分析。本文主要是以网络技术和控制技术为出 发点，研究网络延时的问题。在研究网络延时的性质和特点的基础上，通过研究前 任工作的平均时延窗口的时延预测方法，提出了一种新的时延窗口与智能b p 神经 网络相结合的网络时延预测方法，并设计网络控制器，从而构建一套网络控制系 统。 对上述系统进行软件实现，所采用的技术是v i s u a lb a s i c 编程语言和控制系统仿 真工具m a t l a b 语言相融合，网络数据传输技术利用v i s u a lb a s i c 中的w i n s o c k 技 术，采用客户机服务器工作模式进行双向的数据传输。网络控制器的实现及建立被 控对象的数学模型都在m a t l a b 仿真界面下实现，我们利用m a t l a b 与v i s u a lb a s i c 的 相关接口，将两者有机结合起来，实现网络控制系统的仿真。 最后为了验证系统的功能，进行了具体实例的仿真测试。 网络控制系统是计算机、通信与控制理论交叉而产生的新学科，基于t c p i p 协 议的网络控制系统理论与应用技术的研究和发展将改变控制理论和技术的面貌。 第1 章绪论 1绪论 1 1 网络控制系统( n c s ) 概述 网络控制系统( n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s ，n c s s ) ，即网络化的控制系统，是 指控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统。工业以太网和现场总线系统都属于 网络控制系统，它体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展 趋势，网络控制系统成为控制界研究的热点。 n c s 的概念于上个世纪9 0 年代初被提出，并引起了人们的广泛关注，其定义 特征是n c s 中的各种信息，包括参考输入、对象输出、控制器输出通过网络在控制 系统的各部件( 传感器、控制器与执行器) 之间传输、交换。其典型结构如图1 所 示眦j 。 网络 图1n c s 的典型结构 f i g lt h et y p i c a ls t r u c t u r eo f n c s 网络 网络控制系统中，传感器、控制器、执行器等都通过共用的通讯介质如总线相 连，各部分之间可以实现点对点的对等通讯。由于控制网络属于一种彻底的分布式 控制结构，因此具有系统联机少、可靠性高、易于扩展以及信息资源共享等特点。 网络控制系统的特点是信息( 参考输入、对象输出和控制输入等) 在控制系统各部 件间( 传感器、控制器、执行器等) 通过网络进行交换。网络控制系统可分为远程 和局域控制系统，远程网络控制系统的主要优点是实现遥操作、遥医学、远程教学 和试验，典型的应用包括基于天际网络空间实验室遥操作机器人、远程外科手术 等；局域网络控制系统的优点是减少了系统的接线，使系统容易诊断和维护，增强 河北理l ：大学硕士学位论文 系统的灵活性，典型应用包括网络家电、蓝牙技术、办公系统和计算机集成制造系 统等。 每一个直接与网络连接的系统部件称为节点。和广泛应用的计算机网络相比， 网络控制系统主要研究实时可靠控制的质量。由于在控制系统中g i 入网络，而网络 自身特点造成了网络控制系统的复杂性。主要在于： ( 1 ) 网络上多用户共享通信线 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是难一 的：( 3 ) 数据单元在传输中由于网络拥塞、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一个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非线性被控对象 组成的闭环系统是一变时延不确定的复杂非线性系统。网络控制系统设计的主要目 标是有效地利用有限的总线能力，以维持好的闭环系统性能，这些性能包括：稳定 性、上升时间、超调和其他设计准则。 总的来说，网络控制系统是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用，是计算 机控制系统的更高发展，是以“事物对象”为特征的计算机网络系统，网络控制系 统具有如下特点： 1 ) 结构网络化：网络控制系统最显著的特点体现在网络化体系结构上，它支持 如总线型、星型、树型等拓扑结构，与分层控制系统的递阶结构相比显得更加扁平 与稳定。 2 ) 节点智能化：带有c p u 的智能化节点之间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。 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执行，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 ) 系统开放化和产品集成化：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，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品，这些产品之间便 能实现互操作和集成。 其中，网络控制系统的技术特点如下： 1 ) 要求有高实时性和良好的时间确定性； 2 ) 传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁。 3 ) 容错能力强，可靠性、安全性好； 4 ) 控制网络协议简单实用，工作效率高； ，4 第1 章绪论 5 ) 控制网络结构具有高度分散性： 6 ) 控制设备的智能化和控制功能的自治性： 7 ) 与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息网络的集成。 由此可见，网络控制系统与传统的控制系统相比，大大减少了系统的连线，使 系统容易诊断和维护，增强了系统的灵活性，减少了人们安装和维护的工作量。它 是计算机技术、通信技术与控制技术发展和融合的产物，特别适合用于需要数据交 换的分布式或远程控制系统。 1 2 1 网络控制系统的典型应用 网络控制系统指在某个特定区域内一些局部现场检测、控制设备和通讯设备集 合，设备之间可相互进入信息传输和交换，从而保证该区域内不同地点的用户间实 现资源共享和协调操作。网络控制系统综合计算机技术、通信技术及网络技术在控 制领域的延伸和应用。基于i n t e m e t 的远程控制系统有别于传统的c a n 局域网和各 种现场总线控制方式，它是在i n t e m e t 网络环境下组建控制系统，具有连接简单、低 成本、资源共享等优点。 网络机器人作为一新概念已吸引了众多的研究者和开发者，自第一台网络机器 人在1 9 9 4 年问世以来，众多研究小组开始进行网络机器人和其他i n t e m e t 的网络控 制系统的研究和开发。1 9 9 4 年9 月，一台六自由度机器人a s e ai r b 6 通过澳大利亚 w e s t e r n 大学的网络服务器与i n t e m e t 相连，使得能登陆网络的任何人可操纵机器人 搬运操作台上的积木。同年，加j l i , i 大学伯克利分校的k e ng o l d b e r g 将s c a r a 型移动 式机器人连入i n t e m e t ，成为首次接入i n t e m e t 网络的控制设备之一。1 9 9 5 年，美国 w i l k e s 大学的m a t t h e wr s 开发了可画图的网络机器人p u m a p a i n t 7 6 0 ，开辟了一种 通过i n t e m e t 的新型交互式艺术。 w w w ( 万维网) 可实现远程操作的“全球化”，用户的手动操作构成闭环控 制回路的一部分，是最早和研究最多的远程操作形式。通过网络通信和图像等信息 的反馈而构成的遥操作在危险环境( 如水下作业，空间载体控制及核工业等领域) 中得到应用。基于i n t e m e t 的远程机器人具有低成本、适用范围广和扩展性好等优 点，标准的i n t e m e t 硬件可用作通信的基础，而计算机硬件可实现客户接口。任何机 器人、事件和操作者通过i n t e m e t 相连而进行通信、交互作用完成远程任务。如 n a s a 最早的路径规划任务，科学家要赶到加州控制中心去控制火星上的机器人。 一5 河北理工大学硕士学位论文 而现在通过i n t e r n e t 就能使世界各地的科学家们相互合作完成各种控制任务，这即是 i n t e m e t 网络控制的典型一例”。 1 2 2 网络控制系统的机理模型 图2 中给出了一个简化网络模型。在某时刻，有对端到端的连接经过某一 路径，路径上有一个瓶颈链路。假定所有的连接是采用类似r e n o 版本的拥塞控制1 3 1 的t c p 连接，并且足够长( 即总有数据要发送) 。图2 中，珂为位于该节点的虚连 接个数，f ，为第f 条瓶颈与该节点的虚连接的回路时延( r t t ) ，即包括前向传输时 延和反馈传输时延。设n 条虚连接中。最大传输延迟f 。= f 。由于传输时延和带宽 波动是影响网络性能的主要因素，考虑在n 条虚连接都处于劣环境下，即 - ，= f 。( i = 1 , 2 ，设计控制器，若系统仍能稳定，则可保证系统具有较强鲁棒 性，现对系统作如下假设i h l ： 1 ) 在该瓶颈节点处有，z 个虚连接瓶颈于此； 2 ) 在逻辑连接建立的过程中，源端始终具有足够的信息等待发送； 3 ) 缓冲区空间大于带宽时延积； 4 ) 在采样控制周期内可用带宽不发生波动。 源端 s l s 2 图2 网络模型 f i 9 2t h en e tm o d e l 1 2 网络控制系统中的主要问题 构建一个网络控制系统涉及到现代网络技术与控制系统相结合的问题。网络控 制系统本质上是一个网络，其具备网络的优点和缺点。尽管网络技术传输声音、图 像等信息不在困难，但实际控制中，系统的输入输出信息不能中断，这就要求系统 通讯具有稳定的传输率。然而对网络传输率由于数据量大小和网络负载原因常常会 导致以下问题： 6 第l 章绪论 1 2 1 网络时延问题 网络信息传递与导线信息传递有区别，导线信息传递本质上是模拟量传输，而 网络信息传递本质上是数字信号在网上传递，与信息量和传送长度有关，信号从一 个站点到另一个站点需要一定的时间，各站点之间的距离是不一样分布的，这种分 布式的时延环节影响了控制系统的运行 。 在n c s 中，时间延迟的产生是不可避免的 因此必须建立起切合实际的数学模 型把分布式、随机的网络时延与过程被控制对象统一考虑构成广义被控对象，可采 用软件进行实时测量来建模，由一终端经网络传递给远程控制设备一个测试数据 包，测量经过环路所需的时间( r o u n d t r i p t i m e ) ，以获取延迟的样本。对于通信时 延造成的系统不稳定，一种改善的方案是采用监督控制。这就要求相应设备要同时 具备局部控制和人工操作两种方式。在n c s 中，把网络通信技术与控制系统的要求 相结合可以简化对系统的分析，同时也能简化控制器的设计在线时延评估方法一 平均时延窗口( a d w ) 克服了对时延的盲目假设，而且不需要网络同步时钟的实现4 1 文献 1 7 1 提出在线网络时延的方法，利用多线程技术对每一个接收到的数据报都建 立独立的线程并进行一段真实的人工延时，或者根据网络不确定性时延对远程端控 制队列的影响及采样信息处理器的数据使用规则，通过对数据报进行移动和数据覆 盖在线网络时延。 1 2 2 数据包丢失问题 当网络控制系统中发生节点失灵或节点传输冲突时，将会发生数据包的丢失。 尽管大多数的网络协议都考虑了传输重试机制，他们也只能在有限的时间内重新传 输，这个时间结束后，包将丢失。此外，为了维护系统性能采用特定的协议也会发 生数据包的丢失。对于数据包丢失问题尚未有较好解决方法，通常是对丢失的数据 包进行重发申请，但对于实时控制是不允许的，数据包丢失会导致信息传输顺序倒 错而使系统控制失稳。 相比而言，研究数据包丢失问题的文献不是很多，原因是一般的控制器都有一 定的容错能力，因此数据包的丢失对系统造成的影响不如网络延时那么大。目前对 数据包丢失的处理方法有两种：异步动态系统方法和容错控制。 7 - 河北理【大学硕_ ：学位论文 1 2 3 网络的拥塞现象 拥塞是在信息传输中广泛存在的，如i n t e m e t 网络中，此情况大多因为某时刻很 多站点同时在交换数据造成的。网络由于信息流特性的可变性和网络节点本身的特 性，使得信息在通信节点时产生滞留，从而造成信息的传送时闻增大和丢失率上 升。这种由于网络节点吞吐率下降而引起的信息聚集于一些节点的缓冲区中。网络 时延增加的现象即为网络的拥塞现象。交换节点上缓冲区容量与较慢的报文处理速 度和快速到达的信元流之间的矛盾，就是拥塞发生的原因的实质。 防止拥塞的算法有多种，从控制论的角度考虑，网络可被视为一个复杂的系 统，这些控制网络系统拥塞的算法可分为两类：一类是开环，一类是闭环，开环算 法从静态角度考虑，致力于通过良好的设计来避免问题的出现：闭环算法则是建立 在反馈基础之上的，路由器实时监测通信系统，一旦检测发现拥塞，即可采取措施 调整系统操作以更正问题，闭环算法是动态的。 对于网络协议而言，拥塞控制算法可以放在传输层，也可以放在网络层，或两 层兼而有之，但以网络层最为突出的。文献【l5 j 给出了基于网络层的三个拥塞算法： 选择时机发送算法：警告分组算法：分组生命周期管理。以上三种算法简单易行。 在当前所使用的大多数低速网络中，一个节点发生拥塞时，一般的解决方法是该节 点将拥塞消息通过信令信道传送给周边节点，接到拥塞节点消息的各个节点将减少 转发到拥塞节点的报文数量，直到拥塞解除。这种补救方法在低速网中是适用的。 在高速网络中上述算法不再适用，随着i p 网络的深入人心，以及网络应用对服 务质量( q o s ) 的要求的提高，一些文献中出现了应用控制理论进行i p 网络的端到 端的拥塞控制的研究p 2 蚰，这些工作通过对网络受控对象进行建模，方便了拥塞 控制算法的设计和性能分析，从而有效的提高拥塞控制效果。文献【1 8 综述了控制 理论在面向连接的网络( a t m 网络) 的速率控制中的应用。文献 1 5 】提出了在a t m 网络中基于c a c 和a b r 流量控制两方面应用控制理论进行拥塞控制的思想。并且 指出在现行a t m 网络中最著名的算法是1 9 9 5 年a t m 论坛确定的显示速率表示拥 塞避免算法( e r i c a ) ，这种基于经验的算法结构简单，易于执行，但是很难从全 局优化的角度保证网络性能，尤其是网络环境的复杂性( 业务突发性、时延抖动性 等) 的存在，使得系统动态性能不佳。 8 第1 章绪论 1 3 网络控制系统的研究现状 1 3 1 网络时延的研究 将通信网络加入到反馈回路，碰到的第一个问题是网络诱导延时( 传感器控制 器时延和控制器一传感器时延) 问题，他们在共享介质的装置交换数据时发生。这种 时延既可能是定常的，也可能是时变的，如在设计控制系统时不考虑这种时延将降 低控制系统的性能，甚至使系统不稳定。 目前对网络时延的处理方法有以下三种方法： 1 ) 在控制器、执行器之间设置接受缓冲区，如图所示，这种方法将随机延时转 化成固定时延，从而可以采用预测控制方法设计补偿控制器。此方法的优点是将不 确定延时转化成固定时延，可以进行确定性设计，但却人为的扩大了延时，降低了 系统性能； 2 ) 假设延时符合某种统计规律，在已知延时统计规律的情况下，借助随机控制 理论设计使系统稳定的控制器。这种假设符合网络数据量较少的情况，网络数据量 较多时，这种假设不尽合理。 3 ) 将时延看成时变、有界的量，这种假设适合很大一部分网络。 由于网络延时的时变和不确定性，在最初的研究里，学者们所做的一些假设不 尽合理。于是一些经典的控制技术引入到了对网络时延的研究里，n i l l s o n 等人分析 了离散的n c s ，采用随机控制来解决网络时延。b a u e r 在文献 2 7 1 中分析了网络延时 是随机时变的情况，这篇论文讨论离散情况下运用s m i t h 预报器来消除网络引起的延 时。任长清等采用滑动窗口的平均值预测的方法，对网络时延进行实时预估，并且 提出了使用神经网络对网络时延进行预测，最后运用s m i t h 预报器来消除网络引起的 延时。魏震从控制技术和通信技术两个角度出发，以网络技术和控制技术的融合为 基本思想出发点来探讨n c s 中的时延问题，并且对平均时延窗口的方法进行了改 进，融合网络技术提出了最近匹配法。 1 3 2 网络控制器研究 虽然对网络时延系统的分析与建模的研究不断发展，由于在n c s 中的分布式时 间延迟，使得现有的方法不能直接应用于n c s 。解决网络时延问题有两种途径：一 是在不考虑延时的情况下设计控制器，应用调度算法设法保证信息的实时性，确保 9 河北理工人学硕士学位论文 系统的稳定和性能这是网络调度问题；二是在考虑网络时延的影响，设计控制算 法，使其在时延存在甚至不确定的情况下能正常工作并保证一定的性能指标，即 这里讨论的控制器设计问题。 n c s 控制器设计的难点在于： ( 1 ) 如何分析和获得网络时延特性并对时延进行测量与预测； ( 2 ) 对分布式时延的有效补偿问题： f 3 ) 对各节点驱动方式的选择问题； f 4 ) 当被控对象存在不确定性或非线性时，如何处理。 目前，针对网络控制系统的控制器设计主要研究成果有： r o g e l i o 针对模型( 时间驱动) 提出了基于观测器的分布延迟补偿ne 2 8 1 。在该补偿 器算法中，首先在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区，将时变的传输延迟转化 为固定的传输延迟。其优点是可用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控 制系统进行设计和分析，不受延迟特性变化的影响；其缺点是将所有延迟都转化为最 大延迟，人为地将传输延迟扩大化，因此降低了系统应有的控制性能【2 “2 9 1 。 n i l s s o n 利用对传感器采用时间驱动，控制器和执行器采用事件驱动的模型进行 了控制策略研究。假设时延的概率分布己知，且不超过一个采样周期，并利用 m a r c o v 链对时延的概率分布进行了建模，给出了闭环网络系统的l q g 随机最优控 制律，该控制律满足确定性等价原理【3 0 。 a l m u t a i r i 研究了基于i p 网络的控制系统，利用对网络延时的补偿来提高系统的 性能口8 1 。首先利用f u z z y 理论设计了模糊补偿器，直接对p i 控制器的参数进行整 定，并给出了离线和在线的整定算法。进一步又考虑对模糊规则参数的自适应调 整，并对马达进行了仿真实验。 任长清对基于互联网的液压远程控制进行了研究，为了解决不确定性变化的网 络延时对系统性能的影响，在系统中设计了补偿器结构解决网络延时问题，同时采 用延时预测算法解决网络延时不确定性变化的问题，以改善系统的动态性能和保持 系统的稳定性1 3 “。 王晓峰研究了基于t c p i p 网络的远程伺服控制系统，提出的动态模糊控制器可 按网络中不断变化的传输时延。根据最佳参数库不断调整其控制参数，使系统保持 稳定并使输出达到一定的性能要求【l ”。 从目前的研究情况看，分析和设计网络控制器已经取得了一定的研究成果，但 这仅仅是个开端，到目前为止还没有一套系统的方法用于分析、建模、设计整个网 - 1 0 第l 章绪论 络控制系统，而且网络控制系统的体系结构也还在不断发生变化，目前的方法基本 上集中在网络时延不超过一个采样周期的情况，而对其他情况的研究还有待深入。 目前n c s 中控制理论的研究大大落后于网络控制系统的实际应用1 3 “。因此怎样 在不确定性延时存在的情况下设计出满足要求的网络控制器，是一个富有挑战性的 课题。 1 4 主要工作和内容安排 本论文的背景是河北省博士基金课题。网络环境下的智能控制理论及方法研究 是控制科学和计算机网络的交叉研究，传统的智能控制理论和方法由于网络的延时 赋予了新的含义和研究内容，本文研究内容主要包括一下三个方面： 1 、 传统控制系统在前馈通道和反馈通道引入网络环节，系统的控制信息和反 馈信息都存在信息传输延时。因此要解决网络延时对控制系统的稳定性和控制品质 的影响，首先要精确预报各个时刻的网络延时。网络延时是一个非线性时间序列， 仅靠线性理论很难解决它的预报问题，需要借助于当前发展的非线性理论，寻找预 报延时的有效方法，这是本论文研究的重点问题。 2 、在获得网络延时信息后，控制系统的设计问题，即网络控制器解决延时问 题，最根本的控制方法就是史密斯( s m i t h ) 预估补偿器，以及后来在此基础上发展 起来的改进型史密斯( s m i t h ) 预估补偿方案。采用有效的控制理论和方法，解决反 馈通道和前项通道中的延时对网络控制新系统地影响，使控制系统能够实时控制， 是本论文研究的另一个问题。 3 、为了验证上述网络控制系统的功能，本文尝试设计了运行在v b 环境下，基 于t c p i p 协议通讯的网络控制系统的仿真环境。该仿真系统采用了w i n s o c k 技术进 行了网络数据传输，采用具有高效计算能力和快速仿真技术的m a t l a b 语言进行控 制器的计算和被控对象的求解。整个仿真软件的设计融合了v b 网络传输技术以及控 制系统仿真工具m a t l a b 语言的高效计算能力和快速仿真技术的特性。 本文主要内容集中在网络时延的预测和控制系统对时延的补偿及网络控制系统 的实验仿真上。各章内容安排如下： 第一章介绍了论文的课题背景，控制系统的发展，主要包括三个发展阶段，控 制系统经历了集散控制阶段、现场总线控制阶段、开放式网络化控制系统，网络控 制系统的应运而生，然后介绍了网络控制系统的一般概念及其特点。网络控制系统 河北理工大学硕七学位论文 存在的主要问题及国内外对网络控制系统研究的主要方向及现状，进而提出本文的 研究的核心问题，即网络时延问题。 第二章将对本文的研究内容进行阐述，首先对网络时延问题进行了分析，时延 的性质，网络时延的组成，以及对网络时延的获取，同时提出网络控制系统的工作 模式，计算机控制系统的驱动方式有事件驱动方式和时间驱动方式。然后本文通过 对平均时延窗口的方法，以及神经网络预测的方法对网络时延进行预测，提出一种 b p a d w 时延预测方法。 第三章介绍了网络控制器的设计。对控制器而言，如果它能够精确获得n c s 任 何时刻的网络时延，那么系统就可以被看作为时延一定的系统。系统中网络控制器 的设计，采用最优控制理论。最后采用s m i t h 预估补偿的原理，有效的补偿了网络 时延对系统造成的影响，并且保证了系统的性能。 第四章介绍了网络控制系统的仿真环境，该系统的仿真是在v b 环境下进行 的，数据的网络传输主要是采用v i s u a lb a s i c 网络编程中的w i n s o c k 控件，给出 w i n s o c k 控件的网络编程，以及t c p 和u d p 网络协议的介绍，最后提出了控制系 统仿真工具m a t l a b 软件，m a t l a b 的自动化接口，m a t l a b 进行各种仿真计算，用v b 开发出用户界面，然后再从中调用m a t l a b ，利用w i n s o c k 进行网络数据通信，可充 分发挥m a t l a b 在计算与仿真等方面的优势。最后给出了网络控制系统的试验仿真。 1 2 第2 章网络控制系统分析 2 网络控制系统分析 网络控制系统( n c s ) 是传统控制技术与信息技术结合的产物，它在各控制领 域中已经得到了广泛的应用。在n c s 中，控制系统数据均通过网络来传输，这样势 必产生网络延时。典型的网络延时具有在较大数值范围内变化的特点，这给在设计 n c s 控制方案中考虑这些时延因素带来困难。如果控制器设计对于网络时延处理不 当，被控系统甚至会出现由于时延而产生不稳定的情况，因此，作为目前一个新的 控制领域和通讯领域交叉的研究方向，n c s 研究工作都是围绕着网络时延问题展丌 的。 2 1 网络控制系统的时延描述 在n c s 中，时间延迟的产生是不可避免的除了数据传输需要时间以外，网络上 的不同节点同时需要网络资源时，由于冲突也将会产生额外的时延。时延将降低控制 系统的性能，在严重的情况下，还会使系统不稳定。一般来说，网络所引起的时延 是时变的，可以看作是某种随机过程。 因此必须建立起切合实际的数学模型把分布 式、随机的网络时延与过程被控制对象统一考虑构成广义被控对象，可采用软件进 行实时测量来建模，由一终端经网络传递给远程控制设备一个测试数据包，以获取 延迟的样本。 传统控制系统在前馈通道和反馈通道引入网络环节，系统的控制信息和反馈信 息都存在信息传输延时，前项通道的信息延时将导致控制信息不能及时的到达被控 系统，造成系统的响应滞后；反馈通道的信息延时将导致误差信息不能及时更新， 使被控对象处在瞬间失控状态，因此，任何一个环节的网络传输延时都对整个控制 系统的稳定性和控制品质有很大的影响。 2 1 1 网络延时计算 网络的传输时延主要分为两类：单程( o n e w a y ) 时延和往返( r o u n d t r i p ) 时 延，其基本单位为秒，网络的单程传输时延是指：从发送端( 源端) 的物理设备开始 发送数据至接收方( 目的端) 的物理设备全部接收到该测量报文所需要的时间。通 常意义上的网络传输时延测量是指：测量报文往返的时延测量，即测量报文从发送 方开始发送时计时，接收方在接受到该报文后立即返回给发送方，发送方接受到孩 测量报文后停止计时，此时发送方所得的时间间隔为往返时延。 河北理工大学硕士学位论文 网络时延的计算时要得到一个数据包从一个主机到另一个主机的传输时间，对 于现场总线和局域网来说，可以应用时钟同步方法使得每一个节点时间同步，从而 可以用如下方法得到节点a 到节点b 网络单程时延( o n e w a yt i m e ) ： f 月2 f 2 一i i 其中， 为发送时刻，由发送端标识；r ：为接收时刻，由接收端标识。 在控制器仿真计算机和被控对象仿真计算机之间网络的往返延迟测试采用如图3 所示的方法。 t 控制器仿真计算机 被控对象仿真计算机 图3 单程延时测试 f i 9 3t e s to f t h eo n e - w a yd e t a y r 。是控制器仿真计算机发出测试数据包时的时间戳，。是被控对象仿真计 算机接收到的测试数据包的时间戳。单程延迟时间r 。由 r 4 量= f n f 得到。 然而，对于大范围的分布式网络( ! t 1 i n t e m e t ) ， 由于两地的系统时钟很难精确 同步，故不能用以上方法计算网络时延。因此，引入了往返时i 司( r t t ，r o u n d t r i p t i m e ) 的概念3 5 】。 一个r t t 是一个包从一个主机传到另一个主机又往回传所花的时间。近似的单 程时延可以用以下方法得到 f 4 b = r t t 2 因此，这里将用往返时间r t t 代替时间延迟进行网络时延的分析。每次测量往 返时间可得到4 个时间标签： t 发送时刻；f 2 接收时刻； ，返回时刻；t 4 返回到达发送节点时刻。 其中，r l 。t 。由发送端标识，f ：，f 3 由接收端标识。则有 r 丁7 = 0 4 一t 1 ) 一( 屯一如) 由于，一t ，是接收端的处理时间，但由于处理时间远远小于传输时间。因此， 一1 4 - 第2 章网络控制系统分析 可近似认为t 3 t 2 = 0 ，故 r 玎= ，4 一f l 因此，只需获得发送节点的两个时间标签，即可得到往返时延值。 在控制器仿真计算机和被控对象仿真计算机之间网络的往返延迟测试采用如图 4 所示的方法。利用发出和返回的时间戳计算第一个往返时间，从而获得单向延迟 时间。 图4 往返延时测试 f i 9 4t e s to f t h er o u n d - t r i pd e l a y f 1 。是控制器仿真计算机发出测试数据包时的时间戳，：是接收到从被控对 象仿真计算机立即发回测试数据包的时间戳。往返延迟时间f 由 f = r 1 2 一f l l 得到。 2 1 2 网络时延测试 网络时延的测试是在校园局域网内两台主机间进行的，利用t c p 协议实现， t c p 协议是面向连接的可靠的传输协议。在校园局域网内基于c s 模式的两台主机 间建立发送方和接受方。由于仿真系统是在v b 环境中进行的，采用g e t t i c k c o u n t 函数计时，这样就不需使用计时器控件就可进行计时了。并且g e t t i c k c o u n t 函数计 时可精确到m s 级，精确度较高。下面给出网络时延测试的程序流程。 1 5 河北理工大学硕士学位论文 图5网络时延测试流程图 f i 9 5f l o wm a po f t h en e t w o r kd e l a yt e s t 2 1 3 采样信息处理 在远程控制系统中本地端和远程端都按采样周期定期发送控制量信息，由于网 络时延的不确定性，很难保证接收方是否能在每一个采样周期都能接收到准确信息 量，因此，用因特网传送实时采样信息，在远程端会发生多采样和空采样，如图6 所示。1 1 7 , 2 ”1 发送端 接收端 kk + lk + 2k + 3k + 4k + 5 图6 不确定延时造成的多采样与空采样 f i 9 6u n c e r t a i nd e l a yc a u s e dt h em o r es a m p l i n ga n dt h ee m p t y 第2 章网络控制系统分析 多采样和空采样是由于网络时延的不确定性而出现的特有现象，因此系统在远 程控制端设置采样信息处理器对此问题进行处理。 发生单采样时，可将数据报中的信息直接作用到被控对象或与参考输入进行比 较。发生多采样时，由于得到了多个数据报，若只使用其中的一个，势必出现其他 被抛弃的现象。发生空采样时由于没有获得数据报，同样存在信息处理的问题。 图7 为采样信息处理器方案l 的示意图。其物理意义是发生多采样时采用最新 数据报，同时将其余抛弃；而发生空采样时使用上一个采样周期的信息。 发送端 接收端 远程端控 制队列 七 七+ l席+ 2七+ 3七+ 4后+ 5 j 、) 一 ) 一。 ) 一 i 人中乏漪僻彳 人工延时i丢弄j 、l覆盖 ， i k + 1k + 2 k + 3k + 4k + 5k + 6 图7 对数据进行人工延时示意图 f i 9 7t y p i c a ls t r u c t u r eo f m a k i n gt h em a l l w o r kd e l a y 方案2 的思路是消除多采样现象。其采样信息处理器相当于一个滞后环节。其 物理意义是将多采样时多收到的数据逐次向后产生一个滞后，填补到空采样的时间 段上，既解决了多采样问题，又解决了空采样时数据为空的问题。 发送端 接收端 远程端控 制队列 kk + lk + 2k + 3k + 4k 十5 。j ) j一、) 一 i 声轴辱21 h 叭七+ 4 k 5 、移动宁弃卜、 盖、 ，、 lii 七十lk + 2k + 3k + 4 k + 5 膏+ 6 图8 数据报移动模拟网络延时示意图 f i 9 8d a t ar e p o r tm o v e d t os i m u l a t et h en e t w o r kd e l a y