（计算机应用技术专业论文）基于互联网的过程控制系统研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 基于计算机的过程控制系统已经被广泛地应用，随着互联网技术的发展， 互联网在控制领域表现出巨大的应用潜力。作为下一代控制系统的基础，基 于互联网的过程控制系统的设计是控制领域的热门研究课题。基于互联网过 程控制系统的功能主要是实现被控对象的远程监控；研究目标是满足控制系 统安全的前提下，采取有效策略克服不确定性变化的时延影响基于互联网的 过程控制系统的动态性能。 本研究的主要贡献是提出新的网络通信结构和优化控制结构来处理互联 网传输的不确定性时延影响基于互联网过程控制系统的动态性能的问题。基 于u d p 协议，设计了一种安全的实时互联网通信传输结构；而后从控制系统 本身结构出发，提出了互联网环境下双闭环预测控制方案和带时延预测器的 时延补偿方案两种优化控制策略来克服不确定性的互联网传输时延对控制系 统动态性能的影响，并通过仿真实验证实这两种优化控制策略的有效性。 具体地讲，本文在第一章简要介绍了课题的研究现状和本研究主要贡献 及内容；第二章基于已存在的实时通信技术，设计了安全的实时互联网通信 结构，并通过仿真实验验证实时数据加密算法的有效性；第三章给出了具体 实时互联网通信系统的j a v a 实现；第四章简要分析了互联网传输时延特性后， 针对不确定性的互联网传输时延影响互联网控制系统的动态性能，提出了两 种有前途的优化控制策略，以改善互联网控制系统的动态性能，并通过实验证 实采用双闭环预测控制结构或时延补偿的控制结构都能够很好的改善系统的 动态性能和保持系统的稳定性。第五章对全文进行总结，并指出进一步研究 的方向。 关键词：过程控制系统；互联网：时延；预测控制 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t c o m p u t e r b a s e dc o n t r o lh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ep r o c e s si n d u s t r i e s w i t h t h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h eh a t e m e ta n dw e b t e c h n o l o g i e s ，n t e r n e tp r e s e n t st h e g r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a lt oc o n t r o ld o m a i n a sab a s i sf o rt h ep o s s i b l en e x t g e n e r a t i o no fc o n t r o ls y s t e m s ，d e s i g no fi n t e r a c t b a s e dp r o c e s sc o n t r o lh a sb e e n r e c e i v e dm u c ha t t e n t i o ni nt h er e c e n ty e a r s t h em a i na i mo ft h er e s e a r c hw o r kf o r i n t e r n e t b a s e d p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m si s 百o b a l l y r e m o t e m o n i t o r i n g a n d a d j u s t m e n to fp l a n t s i ta i m sa ta d o p t i n ge f f e c t i v es t r a t e g yt oo v e r c o m eu n c e r t a i n i n t e r n e tt i m ed e l a y i n f l u e n c i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o fc o n t r o ls y s t e m sw h i l e e n s u r i n g t h es a f e t yo p e r a t i o nf o ri n t e r a c t - b a s e dp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i si st op r e s e n t saw h o l en e ws o l u t i o nf o r d e a l i n g w i t ht h ei n t e m e t d e l a y f o r i n t e r a c t b a s e dc o n t r o l s y s t e m s n e w c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ea n do p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ee m p l o y e dt o w a r d s s o l v i n g t h ep r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht i m e d e l a yc o m m u n i c a t i o n r e a l t i m ei n t e m e t c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e ni m p l e m e n t e da n da d d r e s s e d i no r d e rt oa c h i e v ea n e n d - t o - e n dc o m m u n i c a t i o n ，t h i ss o l u t i o ni st o p r o v i d e as o f t w a r e - o r i e n t e d m e c h a n i s mt of a c i l i t a t et h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no v e rt h ei n t e m e tf o rc o n t r o i s y s t e m s a n d t w on o v e l o p t i m a l c o n t r o l s c h e m e s ，w h i c h a r e t i m e - d e l a y c o m p e n s a t i o nw i t ht i m e - d e l a yp r e d i c t o ra n dd u a lc l o s e d - l o o pp r e d i c t i v e c o n t r o l s t r a t e g yr e s p e c t i v e l y , a t ed e s i g n e d t oo v e r c o m et h ei n t e r n e tt r a n s m i s s i o nd e l a y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e e f f i c i e n c y o ft h e mf o r o v e r c o m i n g t h ei n t e r n e t t i m e d e l a y i nd e t a i l ，s e c t i o n1i n t r o d u c e sl i t e r a t u r es u r v e yo fr e s e a r c ha n dc o n t r i b u t i o n so f t h ep r e s e n ts t u d i e sa n do r g a n i z a t i o no ft h et h e s i si nb r i e f s e c t i o n2g i v e so u tas a f e r e a l t i m ei n t e r a c tc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e b a s e do nt h e e x i s t i n g r e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i s i n v e s t i g a t e d t os h o wt h e e f f i c i e n c y o ft h en e wd a t a e n c r y p t i o na l g o r i t h m s f o ri n t e r a c t - b a s e dr e a l - t i m e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a p p l i c a t i o n s i m p l e m e n t a t i o n so fr e a l - t i m ei n t e r n e tc o m m u n i c a t i o na n ds i m u l a t i o n a r e e x p a t i a t e di ns e c t i o n3 a f t e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r e so fi n t e r n e tt r a n s m i s s i o n t 、v o p r o m i s i n go p t i m a l c o n t r o l s t r a t e g i e s a l e p r o p o s e d t o i m p r o v e t h e d y n a m i c p e r f o r m a n c eo fi n t e m e t - b a s e dc o n t r o ls y s t e mi ns e c t i o n4 t w op r o p o s e do p t i m a l c o n t r o ls t r a t e g i e sh a v es h o w nt w op r o m i s i n gw a y st o e f f i c i e n t l yc o m p e n s a t et h e e f f e c to ft h ei n t e m e t d e l a y o i lt h ec o n t r o l p e r f o r m a n c et h r o u g h t h es i m u l a t i o n s t u d y t h e p a p e r e n d sw i t ht h ea d v i c ef o rt l l ef u r t h e rw o r ki nc h a p t e r5 k e y w o r d s ：p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ；i n t e r n e t ；t i m e - d e l a y ；p r e d i c t i v ec o n t r o l i h 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 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，即：学校 有权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。本人授权华中师范大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本 人的学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章 程中的规定享受相关权益。回童迨塞埕变压溢蜃；旦堂生；旦二生；旦三生 筮塑! 作者签名： 日期：年 月 日 导师签名： 日期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s i n t r o d u c t i o n t h ei n t e r a c tp r o v i d e sa l li n e x p e n s i v e g a t e w a yt h r o u 曲w h i c h t ot r a n s f e rd a t a h o w e v e r , d u e t os l o wa n di n c o n s i s t e n tt r a n s m i s s i o nr a t e s w h i c hr e s u l ti ns y s t e m s i n s t a b i l i t y , t h ei n t e r n e th a sn o tb e e nw i d e l ya d o p t e di ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n t s w h i l s tc o n t r o le n g i n e e r sa n d o p e r a t o r s ，h o w e v e r , d e m a n d b e t t e ra n df a s t e rw a y st o c o l l e c td a t aa n d o p e r a t ep l a n ta n y w h e r e a r o u n dw o r l da n da t a n y t i m e c o r r e s p o n d i n g t ot h i sr e q u i r e m e n t ，f a c i l i t a t i n gc o n t r o lo v e rt h ei n t e r a c tc o u l db ea p r o p e rs o l u t i o n o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s i ni n t e r n e t b a s e dc o n t r o l a p p l i c a t i o n i st h ei n t e r a c t t i m e - d e l a y , w h i c h c a nd e s t a b i l i z ec o n t r o l s y s t e m s t h e r e f o r ed e a l i n gw i t ht h ei n t e m e tt i m e d e l a yi st h em a j o rc h a l l e n g ef a c i n gi nt h e d e s i g no f i n t e r a c t b a s e dc o n t r o ls y s t e m s t od a t e ，m o s tr e s e a r c hw o r ko nr e m o t ec o n t r o lh a sr e s u l t e di ns m a l l s c a l e d e m o n s t r a t i o n s s e v e r a ld e s i g ni s s u e st h a ta r i s ef r o mw e b r e l a t e df e a t u r e so f i n t e m e t b a s e d p r o c e s sc o n t r o l ，s u c h a s r e q u i r e m e n ts p e c i f i c a t i o n ，a r c h i t e c t u r e s e l e c t i o n ，w e b - b a s e di n t e r f a c ed e s i g n ，s u p e r v i s i o nc o n t r o la n ds oo n ，h a v eb e e n s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d 1 。5 1 s p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c so ft i m e d e l a yi n t r o d u c e d b y i n t e r n e tc o n n e c t i o n sh a v eb e e n b r i e f l y s u m m a r i z e d b y o b o e s o m e a p p r o a c h e s f o rh a n d l i n gt h ep r o b l e mo ft i m e - d e l a ya r es e e ni nt h el i t e r a t u r e ，s u c h a s d e l a ym o d e l i n ga n dc o n t r o ls y s t e m sd e s i g n 【，j ，v i r t u a ls u p e r v i s i o np a r a m e t e r c o n t r o ls t r a t e g y l 8 】a n dt h en e u r a ln e t w o r kp r e d i c t o r 【9 j h o w e v e r , l i t t l ew o r kh a ss o f a rb e e nd o n eo i l d e a l i n g w i t ht h ei n t e m e tt i m e - d e l a y t h r o u g ht h e r e a l t i m e i n t e r n e tc o m m u n i c a t i o na n d i n t r o d u c i n go p t i m a l c o n t r o la r c h i t e c t u r ei n i n t e r n e t - b a s e dc o n t r o ls y s t e m s t h eg o a lo ft h i sr e s e a r c hi st of o c u so nd e v e l o p i n gam e t h o d o l o g yo fs o l v i n g i n t e r n e tt r a n s m i s s i o nt i m e - d e l a yf o rt h ed e s i g no fi n t e m e t - b a s e dc o n t r o ls y s t e m s i nt h i sr e a l t i m ei n t e m e tc o m m u n i c a t i o n ，n o v e le n d t o e n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n a r c h i t e c t u r ei s p r o p o s e d d i f f e r e n tt y p e so fc o n t r o li n f o r m a t i o nc a nr e a c ht h e i r 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s d e s t i n a t i o n sw i t h i nd i f f e r e n tt i m i n ga c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n tp r i o r i t i e sa s s i g n e d t h en e ws o l u t i o ni st of a c i l i t a t et h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nt oa d a p tt h ei n t e r a c t f e a t u r e sr a t h e rt h a ne s s e n t i a l l yc h a n g et h e m t h en e wr e a l - t i m es o l u t i o na d a p t st h ef e a t u r e so ft c pa n dc o m b i n e si tw i t h u d pt o p r o d u c ear e l i a b l e u d pc o n n e c t i o nf o rr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n t h e p r o t o t y p es y s t e mu s e st c p i oe s t a b l i s ht h ec o n n e c t i o ni n s t e a do fu d pi no r d e r t h a tt h ep a c k e t sw i l ln o tb eb l o c k e db yt h ef i r e w a l l an e w s e c u r i t ys o l u t i o nf o rt h e u d pa n dr e a l t i m et r a n s m i s s i o ni sa d d r e s s e da sw e l l i no r d e rt o d e a l i n gw i t ht h ei n t e r n e tt i m ed e l a y , t h et h e s i sp r o p o s e st w o p r o m i s i n g c o n t r o ls t m c t u r e s o n ei st oa d o p tt h et i m ed e l a yc o m p e n s a t o rw i t h 体 t i m ed e l a yp r e d i c t o rt oo v e r c o m et h ei n t e r n e tt r a n s m i s s i o nd e l a y t h ea rm o d e l a n da d a p t i v el i n e a rn e u r a ln e t w o r ka r ee m p l o y e dt op r e d i c tt h eu n c e r t a i ni n t e m e t d e l a y a n o t h e r i st oc o m b i n ed m cc o n t r o l l e rw i t had u a lc l o s e d l o o pc o n t r o l s c h e m et oo v e r c o m et h ei n t e r n e tt r a n s m i s s i o nd e l a y t h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ：s e c t i o n1i n t r o d u c e sl i t e r a t u r es u r v e yo f r e s e a r c ha n dc o n t r i b u t i o n so ft h ep r e s e n ts t u d i e sa n do r g a n i z a t i o no ft h et h e s i si n b r i e f s e c t i o n2g i v e so u tas a f er e a l t i m ei n t e m e tc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r eb a s e d o nt h e e x i s t i n g r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i s i n v e s t i g a t e d t os h o wt h e e f f i c i e n c y o ft h en e wd a t a e n c r y p t i o na l g o r i t h mf o r i n t e r a c t - b a s e dr e a l t i m e a p p l i c a t i o n s ，i m p l e m e n t a t i o n o fr e a l - t i m ei n t e m e t c o m m u n i c a t i o na n ds i m u l a t i o na r ee x p a t i a t e di ns e c t i o n3 a f t e ra n a l y z i n gt h e f e a t u r e so fi n t e m e tt r a n s m i s s i o n ，t w op r o m i s i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep r o p o s e dt o i m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fi n t e m e t - b a s e dc o n t r o ls y s t e mi ns e c t i o n4 t w op r o p o s e d o p t i m a l c o n t r o l s t r a t e g i e s h a v es h o w nt w op r o m i s i n gw a y st o e f f i c i e n t l yc o m p e n s a t et h ee f f e c to ft h ei n t e m e td e l a yo nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h es i m u l a t i o ns t u d y t h ep a p e re n d s w i t ht h ea d v i c ef o rt h ef u r t h e rw o r ki n c h a p t e r 5 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1o v e r v i e wo fi n t e r n e t - b a s e dp r o c e s sc o n t r o l s y s t e m s i n t e m e t - b a s e dc o n t r o ls y s t e mi san e w c o n c e p t ，w h i c hh a sr e c e n t l yr e c e i v e d m u c ha t t e n t i o n t h i sn e wt y p eo fc o n t r o ls y s t e m sa l l o w sr e m o t em o n i t o r i n ga n d a d j u s t m e n to fp r o c e s sp l a n t so v e rt h ei n t e r a c t w i t ht h eu b i q u i t o u sn a t u r eo ft h e i n t e r n e t ，b e n e f i t s c a nb ea c h i e v e d b yr e t r i e v i n g d a t aa n d r e a c t i n g t o p l a n t f l u c t u a t i o n sf r o ma n y w h e r ea r o u n dt h ew o r l da ta n yt i m e t h ed e s i g np r o c e s sf o r t h i ss o r to fc o n t r o ls y s t e m si n c l u d e sr e q u i r e m e n ts p e c i f i c a t i o n ，a r c h i t e c t u r ed e s i g n ， c o n t r o la l g o r i t h ma n di n t e r f a c ed e s i g n ，a n ds a f e t ya n a l y s i s t h ek e yd e s i g ni s s u e s a r eo v e r c o m i n gi n t e r n e tl a t e n c ya n de n s u r i n gs y s t e m ss a f e t y 1 1 t y p i c a l p r o t o c o l sf o rr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n t r a d i t i o n a l l y t h ei n t e r n e th a sp r o v i d e dab e s t - e f f o r ts e r v i c e o f f e r i n g n o t i m e l i n e s so rb a n d w i d t hg u a r a n t e e s a st h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ni sb e i n gu s e d m o s t l yb yt h e m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，s e v e r a l t y p i c a lp r o t o c o l s f o rr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n sa r es u m m a r i z e di nt h i ss e c t i o n 1 r t p ( r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) r t pd e f i n e sas t a n d a r d i z e dp a c k e ts t r u c t u r ec o n t a i n i n gu s e f u lf i e l d s ，s u c ha s s e q u e n c en u m b e r , t i m e s t a m p s t oc a r r yt h er e a l t i m ed a t a t y p i c a l l y , r t p r u n so n t o po fu d p a n da l l o w ss e p a r a t em e d i at ob eh a n d l e da si n d i v i d u a ls t r e a m s r t p h a sas e q u e n c en u m b e rf i e l di nw h i c ht h es e q u e n c en u m b e ri n c r e m e n t sb yo n ef o r e a c hr t p p a c k e ts e n t ，a n dm a y b eu s e db yt h er e c e i v e rt od e t e c tp a c k e tl o s sa n dt o r e s t o r ep a c k e ts e q u e n c e 【i ti n c l u d e st i m e s t a m p sf a c i l i t a t i n gs y n c h r o n i z a t i o n a n dp r o v i d e sab a s i cf r a m i n gs e r v i c ea l l o w i n gt h ea p p l i c a t i o nt od e f i n eaf r a m ea s t h eu n i to fs y n c h r o n i z a t i o ni na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l eo fa p p l i c a t i o nl a y e r f r a m i n g a d d i t i o n a l l y , i tl a b e l s s t r e a m sw i t has y n c h r o n i z a t i o ns o u r c ei d e n t i f i e r ( s s r c ) s o t h a td i f f e r e n ts t r e a m sf r o mas i n g l em a c h i n ec a nb ed i s t i n g u i s h e d 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) a l t h o u g hr t pi sd e v i s e df o rr e a l t i m ea p p l i c a t i o n st r a n s p o r t i n g , b u ti ts t i l l h a ss o m ef l a w st h a tn e e dt ob ec o n c e r n e dw i t h f o re x a m p l e ，r t pi ni t s e l fd o e s n o t p r o v i d ea n ym e c h a n i s mt og u a r a n t e et i m e l y d e l i v e r y o fd a t ao ro t h e r q u a l i t y ，o f - s e r v i c e i l l l t oi m p r o v et h ed e f i c i e n c yo fr t p r t c pw a ss p e c i f i e da n di n t e g r a t e di n t o r t pt oc o n t r o lt h ep a c k e t sm o v i n gi ne a c hr t pf l o w r t c pp a c k e t sp r o v i d et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h er e a lt i m ec l o c ka tas e n d e ra n dt h er t pm e d i a t i m e s t a m p s a n dp r o v i d ei n f o r m a t i o n t o d e n t f yas e n d e r i nas e s s i o nf r o mt h es o u r c ei d r t c p p a c k e t s a r et r a n s m i t t e d b y e a c h p a r t i c i p a n t i na nr t ps e s s i o nt oa l lo t h e r p a r t i c i p a n t si nt h es e s s i o nu s i n gi pm u l t i c a s t r t c pp a c k e t sd on o te n c a p s u l a t e a u d i oo rv i d e od a t a ，b u tc o n t a i ns e n d e ro rr e c e i v e rr e p o r t st h a tw i l l r e p o r tt h e i n f o r m a t i o n i n c l u d i n g n u m b e ro f p a c k e t ss e n t ，n u m b e r o f p a c k e t sl o s t ，a n d i n t e r a r r i v a lj i t t e rt ot h ea p p l i c a t i o n s 1 2 1 r t pa n dr t c p p a c k e t sa r ed i s t i n g u i s h e df r o m t h ed i s t i n c tp o r tn u m b e r s ；t h e r t c p p o r tn u m b e r i sn o r m a l l yo n eb i tl a r g e rt h a nr t p 3 r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o ns e t u pp r o t o c 0 1 ) r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o ns e t u pp r o t o c 0 1 ) a l l o w sa p p l i c a t i o n st or e s e r v e b a n d w i d t ha n de n a b l e sa p p l i c a t i o n st oo b t a i nd i f f e r i n gq u a l i t i e so fs e r v i c e ( o o s ) f o rt h e i rd a t af l o w s 13 1 i ti su s e d b y h o s t st o r e q u e s t as p e c i f i ca m o u n to f b a n d w i d t hf r o mt h en e t w o r ka n da l s ou s e db yt h er o u t e r st of o r w a r db a n d w i d t h r e s e r v a t i o nr e q u e s t s r s v pp r o v i d e sam e c h a n i s mb yw h i c ha na d m i s s i o nc o n t r o l r e q u e s tc a nb em a d e i fs u f f i c i e n tc a p a c i t yr e m a i n si n t h er e q u e s t e dt r a f f i c ，t h e r e s o u r c ef o rt h i sc a p a c i t yw i l lb er e s e r v e d f u r t h e r m o r e ，r s v pp r o v i d e sam e c h a n i s mt od i s t i n g u i s ht h er e a l t i m et r a f f i c f r o mt h en o n r e a l t i m et r a f f i c i no r d e rt oi m p l e m e n tr s v p , r s v ps o f t w a r em u s t b es u p p o r t e db yr e c e i v e r s ，s e n d e r s ，a n dr o u t e r s t h u s ，i ti sw i d e l yu s e d i n b a c k b o n en e t w o r kt r a n s m