（控制科学与工程专业论文）基于模型的网络控制系统的分析和研究.pdf

摘要 随着i n t e r n e t 技术的持续发展，控制系统与网络通信系统的集成 己成为控制网络技术的一个热点，为此提出了网络化控制系统。通过 控制网络实现闭环控制回路的反馈控制系统称为网络控制系统。在考 虑n c s 存在多种问题的基础上，研究网络控制系统的建模、分析和 控制的问题。 首先，介绍影响网络控制系统性能的一些因素。主要是介绍几种 典型的控制网络协议，分析网络诱导延时产生的原因和组成，以及延 时和数据包丢失及对系统的影响。 其次，基于线性时不变的对象模型，对网络控制系统进行建模。 主要是对延时和数据包丢失影响下的各种网络控制系统进行建模。对 于单包传输，分别在延时小于和大于一个采样周期，有数据包丢失和 无数据包丢失，以及延时和数据包丢失同时存在的各种情况下的进行 建模；对于多包传输，讨论控制器在时钟驱动方式下时钟同步和异步 两种情况下的建模问题。 最后，在所建立模型的基础上，分别考虑网络延时和数据包丢失 的情况下分析系统的稳定性；利用基于有界数据包丢失率的方法，对 反馈控制进行设计，在保证系统稳定的条件下，给出了求得反馈增益 矩阵的方法；采用预测控制技术，计算将来的控制信号，传送给网络 延时补偿器以补偿网络延时，尽可能减小延时对系统性能的影响。 关键词网络控制系统，网络诱导时延，数据包丢失，建模，l y a p u n o v 函数 a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g y ，s o m e c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n sh a v eb e e nd i r e c t e dt ot h ei n t e g r a t e dc o n t r o l s y s t e ma n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m w h e r e i nc o n t r o l l o o p s a r ec l o s e dt h r o u g hc o n t r o ln e t w o r ki sc a l l e d n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) c o n s i d e r i n gs o m ep r o b l e m sa b o u t n c s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h em o d e l i n g ，a n a l y z ea n dc o n t r o lo f n c s f i r s t ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fn c sa r ei n t r o d u c e d t h et y p i c a lo fs o m ec o n t r o lp r o t o c o la r ei n t r o d u c e d ，t h er e a s o n sw h y n e t w o r k i n d u c e dd e l a yh a p p e n ，t h ec o m p o s i t i o n so fn e t w o r k i n d u c e d d e l a y , a n dt h ei n f l u e n c e so ft h en e t w o r k i n d u c e dd e l a y a n dt h ed a t a p a c k e td r o p o u tt os y s t e ms t a b i l i t ya r ea n a l y z e d n e x t ，t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r ep l a n t e dm o d e l i n g ，b a s e do n t h el i n e a rt i m e i n v a r i a n ti n d u s t r i a lc o n t r o l l e dp l a n t s p l a n tm o d e l i n go f v a r i o u sn c sw h i c ha f f e c t e db yd e l a ya n dd a t ap a c k e td r o p o u ti nt h i sp a r t f o rs i n g l e - p a c k e tt r a n s m i s s i o n ，i n c l u d et h em o d e lo ft h ed e l a yi sl e s st h a n o n es a m p l i n gp e r i o da n dl a r g e rt h a no n es a m p l i n gp e r i o d ，w i t hd a t a p a c k e td r o p o u ta n dw i t h o u td a t ap a c k e td r o p o u t ，a n db o t hw i t hd e l a ya n d d a t ap a c k e td r o p o u ta r ea n a l y z e d f o rm u l t i p l e p a c k e tt r a n s m i s s i o n ，w h e n t h ec o n t r o ln o d ei st i m ed r i v e n ，t h em o d e lo fs y n c h r o n o u sc l o c ka n d a s y n c h r o n o u sc l o c ka r ea n a l y z e d f i n a l l y , o nt h eb a s i s o ft h em o d e l ，t h es t a b i l i t yo fs y s t e m sa r e a n a l y z e dj u s tc o n s i d e r t h ed e l a ya n dd a t ap a c k e td r o p o u t e n s u r et h e s t a b i l i t yo fs y s t e m s ，u s et h em e t h o db a s eo nb o u n d e dp a c k e tl o s s ，d e s i g n f e e d b a c kc o n t r o lo fn c s ，g i v et h em e t h o df o rs o l v et h ef e e d b a c kp l u s m a t r i x u s i n gt h em e t h o do fn e t w o r k e dp r e d i c t i v ew h i c hp r o d u c es o m e f u t u r ec o n t r o ls i g n a l ，t h e nt r a n s m i tt on e t w o r k e dd e l a yc o m p e n s a t i o n i m p l e m e n t ，t oc o m p e n s a t et h e u n k n o w nn e t w o r k e dd e l a y , p o s s i b l yt o d e c r e a s et h ea f f e c t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mb yd e l a y k e yw o r d sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) ，n e t w o r k i n d u c e d d e l a y , d a t ap a c k e td r o p o u t ，m o d e l i n g ，l y a p u n o v f u n c t i o n 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另t i d i ：l 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：童垡日期：丝墨年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：望垡导师签名 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络控制系统的产生背景 进入2 1 世纪以来，控制系统的规模日益扩大，复杂程度不断提高，系统的 物理设备和功能也在不断扩充，传统的点对点直接连接方式已经达到了自身的应 用极限，无法满足系统功能不断增长的需求。随着电子技术和计算机技术的不断 进步和发展，系统设备成本逐年下降，网络通信能力飞速提高，网络共享资源不 断丰富，越来越多的网络传输方式被应用到自动化和控制领域中，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 ) 随之应运而生。 n c s 最早出现于1 9 9 8 年马里兰大学gc w a l s h 等人的论著中，但当时并没 有给出“网络控制明确的概念定义，只是用图示说明了网络控制系统的结构， 指出n c s 中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。目前，“网络控制”的含定 义有两种解释：一种是对网络的控制；另一种是通过网络实施的控制。两种含义 中都离不开“网络 和“控制”，只是两者所侧重的对象不同。前者是指对网络 路由、网络流量等的调度与控制，是对网络自身的控制，可以运用运筹学、组合 数学、图论和控制理论的方法来研究与实现，后者是指控制系统的各个节点( 传 感器、控制器和执行器) 之间的数据传输不是传统的点对点方式，而是通过网络 来传输的，是一种分布式的控制系统。网络控制系统以资源共享、系统构建经济、 易扩充、维护方便、灵活性强等优点，迅速、广泛应用于国民经济和国防建设的 各个领域l l j 。 微电子技术、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 的体系结构、单元部件和控制技术方面的一系列变革，形成了以计算机控制为核 心，涵盖集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、现场总线控制系 统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 和工业以太网控制系统等各种体系结构的 现代工业控制网络新体系。计算机控制系统的控制方式，先后经历了集中数字控 制( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) ，中小型计算机共同作用的分层递阶控制、 集散控制( d c s ，又称分布式控制) 以及现场总线控制( f c s ) 等控制方式，以 2 0 世纪9 0 年代又开始了以太网在工业控制上的广泛应用和研究。d c s 控制体现 了控制系统的网络化发展趋势，现场总线的产生使这种趋势变得更加明显和具 体，以太网在工业上的应用和研究使得控制结构进一步网络化和集成化。 以太网在工业控制上的广泛应用，使得控制系统的结构进一步的网络化和集 中南人学硕士学位论文第一章绪论 成化，也为寻求高性能低成本的控制方案展示了方向。集散控制系统、现场总线 控制系统和工业以太网控制系统的出现，标志着控制系统正向着网络化、集成化、 分布化和节点智能化的方向发展。 2 0 世纪7 0 年代，集散控制系统开始发展起来。它将控制分散在几个小型的 控制器中，而每个控制器处理部分控制回路，这样一个故障只会影响工厂的一部 分。d c s 于2 0 世纪八九十年代占主导地位，在我国工业控制系统中得到了广泛 的应用。d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，控制器是数字的，因而 它是一种模拟数字混合系统。传统的d c s 通常有4 层结构：第1 层是设备层； 第2 层是i o 层；第3 层是控制层；第4 层是企业信息层。除了第3 层、第4 层 之间采用以太网外，其他都是专用的网络，控制设备及软件也是专用的，开放程 度不够，给系统维护及升级带来不便，难以实现各个部件间的互换与互操作，组 成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难【2 1 。 d d c 和d c s 都属于点对点的连线结构。随着科学技术的发展，被控对象和控 制系统日益复杂化，控制系统各部件间需要的信息越来越度多，这种点对点结构 的控制系统逐渐显示出一定的局限性，主要表现在连线繁杂，维护、升级、扩展 困难等。此外这种控制系统结构也不适合如模块化、分散化、综合诊断、维护快 速简易和低成本等一些新的控制要求。因此，这种点对点连接的控制网络越来越 不能满足当今信息化的要求，这就为网络控制系统的产生提供了迫切的需求。另 外，随着软硬件产品价格的不断下降，传感器、执行机构和驱动装置等现场设备 的智能化为通讯网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基础。 现场总线控制系统是8 0 年代兴起的一种先进的工业控制技术，它是网络控 制系统的初级阶段。现场总线出现以后，网络化、集成化、智能化便成为控制系 统发展的一种必然趋势。现场总线把通讯网络一直延伸到生产设备现场，信号传 输的全数字化提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信号传输过程中存在 的信号衰减、精度下降、干扰信号的引入等长期难以解决的问题。同时，在f c s 中具有微处理器的智能i o 与设备构成独立的控制单元，控制功能直接下放到现 场，达到了完全的分散控制【3 4 j 。 从网络结构上来说，网络控制系统和现场总线控制系统并没有区别，都是总 线结构，多个节点共享信道传输实时或者非实时信息，但是从定义上看，f c s 着重点是节点之间实时或者非实时信息的传输和共享，而n c s 强调在串行实时 总线上建立闭环控制回路，从这点上看，n c s 对于网络的实时性要求更高，网 络结构也更加分散化。 f c s 技术经过2 0 多年的发展，虽然取得了很高的成就，在很多领域都得到 了广泛的应用，但也存在许多问题制约其应用范围的进一步扩展。首先是现场总 2 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 线的选择。虽然目前的i e c 组织已经达成了国际总线标准，但总线种类仍然有 l o 余种，并且各厂家自成体系，不能达到完全开放，难以实现互换与互操作。 其次，现场总线仍是一种分层的专用网络，管理和控制分离，难以实现整个工厂 的综合自动化及远程控制。 以太网控制系统是在2 0 世纪7 0 年代开发研制的，它采用的是载波监听冲 突检测( c s m c d ) 的多路访问协议。与目前的现场总线相比，具有技术支持 广泛，成本低廉，通信速率高等优点。相对其它通信网络，工业以太网具有无可 比拟的适应性，工业以太网实现了与信息网络的无缝集成，嵌入式技术的发展使 得控制系统节点功能越来越强大，以太网网络接口逐步成为标准配置，这为工业 以太网的实现提供了可行性条件。 1 2 网络控制系统的系统描述及基本问题 1 2 1 网络控制系统的系统描述 网络控制系统定义：所谓网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 指通过网络形成闭环的实时反馈控制系统，通过现场总线、工业以太网或无线网 络将分散的、智能化的现场检测、控制及执行设备作为网络节点连接起来共同完 成控制任务的实时系鲥5 ，们。控制器通过网络与传感器和执行器机构交换信息， 并实现对远程被控对象的控制。n c s 不仅指传感器、执行器和控制器之间利用通 信网络取代传统的点对点专线进行连接而形成闭环的控制系统，更广泛意义上的 n c s ，还包括通过i n t e r n e t 、企业信息网络所能实现的对工厂车间、生产线以及 工程现场设备的远程控制、信息传输以及优化等。其系统模型图如图1 1 所示。 图1 - 1网络控制系统的系统模型 中南人学硕士学位论文第一章绪论 网络控制系统的基本原理为：传感器结点采样被控对象的输出或者被控对 象的全部状态，并送到网络通道上；控制器结点内部的算法计算当前被控对象的 期望的输入信号，并将这个信号传送到网络通道上；执行器结点接收控制器结点 传出的信号，经过相应的处理并作为被控对象的输入，从而实现被控对象的闭环 控制【7 1 。 网络控制系统与分层递阶控制系统相比，最大的特点是将闭环控制分布在 串行总线上，将中央控制单元直接接受检测信号和发送控制信号的点对点多路并 行信号传输方式，转变为通过总线实现数据交换的串行通信方式【3 】。 总的说来，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，是以控制“事物对象 为特征的计算机网络系统，简 称为i n f r a n e t ( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) 。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 加扁平和稳定。 ( 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， 是一个开放性的系统，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。 网络控制系统的技术特点如下： ( 1 ) 要求有高实时性与良好的时问确定性； ( 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 ) 控制网路协议简单实用，工作效率高； ( 5 ) 控制网络结构具有高度分散性； ( 6 ) 控制设备的智能化与控制功能的自治性； ( 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。 由图1 1 ，可以看出将通信网络引入控制系统，连接智能现场设备和自动化 系统，实现了现场设备控制的分布化和网络化，同时也加强了现场控制和上层管 理的联系，这种网络化的控制模式的主要优点是： 4 中南人学硕十学位论文第一章绪论 ( 1 ) 信息资源能够共享； ( 2 ) 可以实现远程操作与控制； ( 3 ) 具有高的诊断能力； ( 4 ) 连接线路大大减少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性、灵活； ( 5 ) 成本廉价。 但同时由于网络中的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而 网络的承载能力和通信带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使 得信息在传输过程中不可避免的存在时延。时延由于受到网络所采用的通信协 议、网络当时的负荷状况、网络的传输速率和信息包的大小等诸多因素的影响， 而呈现出或固定或随机、或有界或无界的特征，导致控制系统性能的下降甚至不 稳定，同时也给控制系统的分析、设计带来了很大的困难【8 】。 1 2 2 网络控制系统存在的问题 与传统的点对点控制模式相比，n c s 具有以实现资源共享、实现远程控制、 具有高的诊断能力、安装维护简便、能有效减少系统的重量和体积、易于扩展、 增加了系统的灵活性和可靠性等优点。n c s 在通过网络资源给控制系统带来各 种优点的同时，也给系统和控制理论的研究带来了新的机遇和挑战。通过网络形 成闭环的n c s 比传统的点对点式控制系统要复杂得多。不可靠的网络传输方式 使得n c s 存在许多的不确定性，主要问题如下【9 1 0 l ： ( 1 ) 网络诱导时延； ( 2 ) 数据包丢失； ( 3 ) 单包传输与多包传输； ( 4 ) 节点的驱动方式； ( 5 ) 信息调度。 当然还包括数据包时序错乱，噪声干扰等问题。由于n c s 结构的复杂性以 及存在的上述问题，传统控制理论的许多假设条件，如单率采样，同步控制，无 延迟传感与调节等，已不再适合用于n c s ，传统的控制理论与控制方法已不能 直接应用到n c s 中。必须针对n c s 的复杂结构、运行特性和所存在的上述特殊 问题，建立其系统模型、分析系统特性、重新评估和建立基于网络的控制理论和 控制方法。在上面的问题中，前三个问题又是影响系统性能的主要因素，下面对 以上五个问题逐一进行讨论。 ( 1 ) 网络诱导时延。 网络中的信息源很多，当系统各个节点通过网络传输信息时，要分时共享网 络通信信道。由于网络带宽有限且网络中的数据流量变化不规则，当许多节点通 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 过网络交换数据时，常常出现数据碰撞、多路径传输、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，这种由于网络引起的时间延迟称为 网络诱导时延。由于受到网络所采用的通信协议、网络当时的负荷状况、网络的 传输速率和信息包大小等诸多因素的影响，网络诱导时延将呈现出或固定、或随 机、或有界、或无界的特征。网络诱导时延将导致控制系统的性能下降，甚至使 系统不稳定。 网络诱导时延主要由以下因素构成： 1 ) 数据包排队等待时延，当网络忙或发生节点数据包碰撞时，节点等待网 络空闲再发送所用的时间。 2 ) 信息产生时延，发送端等待发送信息封装成数据包并进入排队队列所需 的时间。 3 ) 传输时延，数据包在实际传输媒体上传输所需要的时间，其大小取决于 数据包的大小、网络带宽和传输距离等。 以上三种时延构成了网络诱导时延的主要部分。当传感器、执行器和控制器 之间通过网络传递信息时，在经过路由器时还有排队等待时延，以及不同网段间 传输时延等。另外，有些网络协议在发生数据包丢失或出错是允许重发数据包， 这又增加了数据传输时延。 在网络控制系统中，通常是基于网络诱导时延r 与采样周期t 之间的大小关 系进行分析与设计，可能大于一个采样周期，也可能小于一个采样周期，为此做 以下定义： 定义1 - 1 若网络诱导时延在区间 0 ，丁】分布，且r 歹，称这样的网络诱导 时延为长时延。 由定义l 一2 可知，长时延不是一定大于一个采样周期，而是时延的分布区间 的上界大于一个采样周期】。 时延的存在给网络控制系统的性能带来很大的影响。从时滞系统理论可知， 时延会降低系统的性能，使系统的稳定范围变窄，甚至使系统不稳定。因此，时 延是网络控制系统的分析和设计中不可忽略的重要因素之一。 ( 2 ) 数据包丢失 在网络传输过程中，由于存在数据碰撞和节点竞争失败，很可能导致要传输的 数据包丢失。虽然大多数网络具有重传机制，但重传受到时间限制，超过限定的 时间，数据包仍然会丢失。数据包发生丢失的时段，可等效成数据传输通道连接 中断，因此数据包丢失的n c s 可以等效成一个动态开关切换系统。在一定条件 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 下，可以用切换系统理论分析n c s 的特性。研究表明，一个稳定运行n c s 容许 有一定量的数据包的丢失，但数据包丢失率超过一定值时将使系统温度。因此， 数据包丢失亦是n c s 分析与设计不可忽略的重要因素之一。 ( 3 ) 单包传输与多包传输 在通信网络中，数据交换的数据帧大小是有约束的，不同的网络有其数据帧 的大小限制，超大的数据量必须分成许多小数据帧来传输。如e t h e m e t ，每帧最 大能够容纳1 5 0 0 个字节，凡是小于1 5 0 0 个字节的实时传感器测量数据，均可以 将其封装成一个数据包发送出去。而对于c a n 来说，每一帧最多只能容纳8 个 字节，凡是大于8 字节的实时传感器测量数据，必须将其封装成多个数据包进行 传输。 因此在n c s 中，单包传输通常是指系统中的传感器或控制器输出的数据被 封装在一个数据包中进行传输；多包传输指n c s 中传感器或控制器输出数据被 封装成多个数据包进行传输。系统是单包传输还是多包传输，取决于n c s 所采 用的控制网络类型。例如，以太网的单个数据包容量大，通常是单包传输方式； c a n 网则由于其数据包所容纳数据量小，通常是多包传输。传输方式不同，n c s 将呈现不同的数学模型，具有不同的特性，系统的分析与设计的复杂程度也不同。 现在关于单个数据包传输的研究己经比较成熟了，目前缺乏的是对多个数 据包传输的网络控制系统研究。多包传输的网络控制系统既包含了被控对象为单 输入单输出时采用多包传输的系统，又包含了被控对象为多输入多输出，具有多 个传感器、控制器和执行器的系统。 ( 4 ) 节点的驱动方式 通常，在n c s 中，n c s 的节点有两种驱动方式，即时钟驱动方式和事件驱 动方式。 1 ) 时钟驱动( t i m ed r i v e n ) ，是指网络节点在预定的时间启动工作，时钟驱 动可使网络节点周期地工作。 2 ) 事件驱动( e v e n td r i v e n ) ，是指网络节点在一个特殊事件发生时开始动 作。 在n c s 中，传感器一般采用时钟驱动，即传感器按系统时钟，以一定周期 采用被控对象的数据；而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。 控制器事件驱动指当接收到传感器节点传输来的数据时，立即进行控制计算等操 作；而执行器节点事件驱动指接收到控制器传输来的控制信号，立即执行控制命 令，驱动被控对象的执行机构，进行相应的操作。一般情况下，控制器和执行器 采用事件驱动优于时间驱动，因为能够及时的利用信息，减少了时延。但是当进 行多包传输或产生时序错乱时，事件驱动机制将变得复杂，设计上存在很大困难。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 下面详细说明控制器或执行器采用事件驱动的优点【ll 】： 1 ) 控制器或执行器采用事件驱动时，从源节点( 这里是指传感器或者控制 器) 发送的数据一到达目标节点( 这里指控制器或执行器) 便马上开始工作，这 就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与 传感器同步的困难。 3 ) 控制器或执行器采用事件驱动时，也避免了控制器或执行器为时钟驱动 时容易出现无效采样和数据丢失的问题，提高了反馈数据的利用率。 但事件驱动相比时钟驱动也有其缺点： 1 ) 事件驱动相比时钟驱动较难实现。 2 ) 一些实际的控制网络不支持事件驱动方式。 当传感器时钟驱动，控制器或执行器也采用时钟驱动时，则时钟驱动的节点 尖时钟必须同步。在n c s 中，由于系统各个节点常常位于不同的地理位置，甚 至相距遥远，时钟同步是一个涉及技术和经济两方面的难题。目前，时钟同步的 方式有两种：硬件同步和软件同步。硬件同步一般是通过实际介质( 如传输导线) 传递同步时钟信号，这对于分布在不同地理位置的系统各个节点，硬件同步难于 实现且造价高；软件同步一般是通过网络广播具有高优先级的同步时钟信号。软 件同步是相对较为经济的同步方式。 ( 5 ) 信息调度 在n c s 中，信息调度( 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。这里所说的调度发 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。在一定程度上，网络调度策略的优劣会对闭环系统的性能产生影响。 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、发送时刻和时间间隔，使整个系统达到预期的性能指标。 其中信息调度方法主要包括基于优先级设置的调度方法和基于死区的调度 方法。优先级设置的调度方法主要是根据确定任务的优先级，或者某些任务的优 先级随特性时间而变化，确定任务之间数据的发送顺序；基于死区的调度方法， 其主要思想为各个节点定义网络诱导误差的死区，当节点的网络诱导误差位于死 区内时，该节点不传输数据，否则立即传输。 当然提高网络控制系统的性能，也不能仅靠网络信息调度，设计一个良好的 控制器也是必须的。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 网络控制系统的研究现况 网络控制系统的分析与综合是近年来国际控制领域研究的主题之一，作为一 门崭新的学科，是网络通信技术和自动化技术两个学术领域的交叉融合，具有其 特殊性和复杂性，控制领域研究的内容主要是给予一定服务质量的控制网络，研 究系统的控制策略和控制技术，以期提高控制系统的性能；而通信领域学者研究 的内容主要是设计合适的通信协议和调度方法，以期提高网络本身的服务质量。 未来的发展趋势是控制与通信的一体化设计。 l u c k 和r a y 通过在控制器和执行器的节点增加数据缓冲区，使时变延时转 化成为定常延时【1 2 】。所有节点工作在同步方式下，通过使缓冲区长度大于最坏 状况下的网络延迟，使系统变为时不变系统。但这种方法的缺点是增大了系统的 控制延迟，降低了系统的性能。 f e n g l il i a n 也采用传感器和控制器为时间驱动，执行器为事件驱动的工作 方式，建立了具有多延时的异步传输的多包传输模型1 1 3 1 ，并在此模型基础上设 计了标准l q r 控制器l i 4 。 朱其新在考虑系统噪声、控制器动态及输出反馈的情况下，提出了多包传输、 单包传输有数据包丢失几多包传输有数据包丢失时网络控制系统的离散随机模 型的统一的建模方法，并给出了网络诱导时延合并定理【1 5 j 。 樊卫华等针对网络只存在传感器节点和控制器节点之间的多输入多输出的 网络控制系统，研究了系统建模和稳定性问题，基于l y a p u n o v 函数和线性矩阵 不等式方法，给出了闭环系统渐进稳定的充分条件1 1 6 1 。 w a l s h 1 7 , 1 8 】在循环服务和优先级竞争两种不同的m a c 机制下，论证了线性连 续定常n c s 指数稳定的充分条件，研究了非线性连续时变n c s 在不同优先级调度 策略下的稳定性能，虽然给出最大时延和系统参数间的表达式，但理论分析与仿 真实验结果相差近4 个数量级，其结果相当保守，而扰动控制方法不能处理控制 器与传感器间的时延是最大的不足。 针对网络诱导时延的分析和补偿，网络诱导时延的存在会降低系统的性能甚 至引起系统不稳定，因此在n c s 的研究中，网络诱导时延问题受到了广泛关注。 文献 1 9 3 在分析了网络诱导时延的基础论述了网络诱导时延的随机的和确定的 补偿算法。 网络控制系统正得到越来越多学者的关注，已经成为当前控制领域研究的热 点。近几年，一些更新的方法也应用到了网络控制系统当中，例如：对延时的补 偿控制3 2 3 4 1 ，鲁棒控制【3 5 3 9 1 ，模糊控制【4 0 】，预测控制【4 1 4 3 1 等等。虽然在网络控 制系统上的研究已经有了很多成果，但是无论是在调度方面，还是在控制器设计 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 上都还没有成型的理论，仍需要进一步的研究。 通过上述综述，在网络控制系统的研究中现在还有很多问题需要进一步的深 入和研究： ( 1 ) 网络特性分析与系统建模。 在已有的研究中给出的一些系统模型存在着系统参数确定困难的问题。如在 用跳变线性系统对网络化控制系统建模时，假设网络延迟特性服从m o r k o v 链，但 m o r k o v 链的转移概率矩阵的确定是一个难点，相关的文献都没有给出较可行的方 法。随着控制系统范围的扩大和对网络带宽需求的增长，传统意义上的数据通信 网络也将用于控制，网络的拓扑结构将变得复杂化。如何在一个基于数据包交换 的异步网络中实现闭环控制，是个复杂的理论问题。 ( 2 ) 控制和网络的集成优化调度问题。 传统的计算机控制系统设计中，通常假设应用系统能提供确定的、等间距的 采样。但在网络化控制系统中，这一假设不再成立，控制任务和网络报文的调度， 都对控制系统性能产生影响，因此有必要研究控制和网络的集成优化调度问题。 在实际的网络化控制系统中，网络上既有周期性的传感与控制信息，也有非周期 性的报警等信息，同时系统应具备一定的柔性，即运行时能动态改变报文调度列 表。而目前有关网络调度的研究通常假设所有传输报文是周期性的和运行前确定 的，相应的理论结果与应用还存在较大距离，需要在今后的研究中加以解决。 ( 3 ) 网络化控制系统的综合问题。 为了把网络化控制系统的理论研究成果应用于工程实践，需要设计方法学 的指导和相应的工具支持。控制系统最终要通过硬件和软件来实现，其中软件所 占的比重越来越大。从软件工程的角度，网络化控制系统可看作一种分布式环境 下的实时嵌入式软件。传统的软件工程方法不能有效地解决这类软件的建模、仿 真、设计、验证、测试等问题。作为传统控制理论和形式化理论的交叉，正在兴 起的混合系统理论得到了较多研究者的注意。 目前，网络控制系统的技术体系和相应的控制理论还不成熟，理论远远落后 与其实际应用，研究网络控制理论和控制方法既具有重要的学术价值，又具有可 观的经济效益。 1 4 论文的主要内容及章节安排 在网络控制系统中，对于基于模型的控制器设计，依赖于被控对象精确的数 学模型，因此要进行这类控制器设计就必须先建立被控对象的数学模型。由于不 同网络的特性各不相同，所以要建立的模型各有特色。目前，还没有一学者对这 l o 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 种包含网络的被控对象进行较全面的分析和建模。 本文基于线性时不变的被控对象，研究了网络控制系统的建模，分析和控制 等问题。 论文的整体结构和各个章节具体内容安排如下： 第一章是绪论。简要论述了网络控制系统发展历程，介绍了网络控制系统的 概念描述、系统结构组成、有关的基本热点问题，扩充和完善了其中的典型问题， 并且回顾了网络控制系统研究背景和研究现状，最后介绍本论文工作的具体内容 和工作安排。 第二章对影响网络控制系统性能的一些主要因素进行分析，简单介绍控制网 络的基本知识，性能及特点，相应采用的几种典型控制网络技术。另外讨论影响 网络控制系统的一些因素，包括延时和数据包丢失，分析延时和数据包丢失产生 的原因及对系统稳定性的影响。 第三章研究各种传输情况下网络控制系统对象建模的问题，包含延时小于采 样周期情况下的模型和延时大于采样周期但有界情况下的模型。其中延时小于采 样周期分为无数据包丢失和有数据包丢失两种情况。延时大于采样周期又分为三 种情况，分别为：延时固定在两个采样周期之间：延时随机但有序；延时随机且 存在时序错乱。对多包传输的情况下的网络控制系统进行了对象建模，假设一定 的条件下，在控制器节点为时钟驱动工作方式下，分节点时钟同步和时钟异步两 种情况进行分别的讨论， 第四章在前面分析与对象建模的基础上，分别针对网络延时和数据包丢失等 因素影响下，基于l y a p u n o v 函数方法和线性矩阵不等式描述的方法，分析各种 因素影响下的网络控制系统稳定的充分必要条件。以及在保证系统稳定下，网络 控制系统延时的范围问题。 在基于模型的基础上，利用有界数据包丢失率的方法进行了反馈控制设计， 并利用设计网络预测控制器和网络延时补偿器的方法减小延时对系统性能的影 响。通过株洲冶炼集团整流所供电优化与监控系统的例子简单阐述了现在网络控 制系统的应用情况。 最后总结与展望，总结本文的主要研究内容，进一步展望今后的研究工作内 容和方向。 中南大学硕+ 学位论文 第二章网络控制系统的性能分析 第二章网络控制系统的性能分析 网络化控制是复杂大系统控制和远程控制的客观需求。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，而高速以太网和现场总线技术的发展和成熟解决了网络控制系统 的可靠性和开放性问题。在网络控制系统中，采用什么类型的网络，应用什么样 的数据传输协议和调度方法，网络诱导延时的产生及数据包丢失等问题都是影响 整个控制系统性能的重要因素。 2 1 控制网络与网络控制 用于数据传递的通信网络在网络控制系统中起着桥梁与纽带的作用，为避免 与一般数据网络的混淆，通常我们称之为控制网络( c o n t r o ln e t w o r k ) 。事实上， 控制网络一般指控制“事物对象 为特征的计算机网络系统。“事物对象”可以 是位于远程的生产过程、航天器、复杂设备等。在n c s 中，控制器通过控制网 络实现对被控对象的控制。控制网络是对被控对象实施控制的形式，是网络控制 系统的硬件集合，是网络控制系统的核心。控制网络通常应满足两个主要原则： 数据传输时延有界和数据传输可靠。如果从传感器到执行器的信息传输时延很大 或传输失败，控制系统的性能将严重下降，甚至导致系统不稳定。 根据时间延时特征，工业自动化系统中采用的控制网络基本上分为以下三类： 随机网络，有界网络和常值网络【2 0 l 。顾名思义，在随机网络上传输的信息延迟 时间是随机的，有界网络中的延迟时间有确定的上界，而常值网络上的时间延迟 保持一定。这三种控制网络主要的区别在于媒体访问控制层( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，简称m a c ) 协议的不同，如果不考虑应用层的调度策略，那么m a c 层 协议基本上决定了网络的延时特征。在工业实现上常用的m a c 层协议有 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测，i e e e 8 0 2 3 ) 、令牌网( i e e e 8 0 2 4 和 i e e e 8 0 2 5 ) 和基于c a n 的协议。对于控制网来说必须能够满足：一组数据必须 在规定的时间内被成功地传输。现在己经被应用的控制网有许多种。例 查l l ：e t h e m e tb u s ( c s m a c d ) ，t o k e n p a s s i n gb u s ( 比如c o n t r o ln e t ) ，及c a nb u s ( 比 如d e v i c en e t ) ，b a cn e t ，f i e l d b u s 等。根据它们的不同性能分别把它们应用 在不同的控制系统中。 网络控制系统中的控制网络是一个很大的范畴，有多种类型，下面分别介绍 几种典型的控制网络技术。 1 2 中南大学硕+ 学位论文第二章网络控制系统的性能分析 2 1 1 以太网技术 以太网最初被用于办公自动化，以太网传输介质为屏蔽( 或无屏蔽) 双绞线、 光纤和同轴电缆等，采用星型或总线拓扑结构，传输速率为1 0 m ，1 0 0 m ，1 0 0 0 m ， 甚至更高。现在交换式以太网技术成本大大降低，高速以太网和千兆以太网技术 逐渐成熟，被广泛应用于各个领域f 2 1 i 。 以太网区别于其它网络技术的最重要的特点是，以太网介质访问控制( m a c ) 技术是带冲突检测的载波监听多路访问( c s m c d ) 技术。c s m a c d 可被认 为是随机访问或竞争的技术，每个站点的信息传输都没有预先安排的时问，而且 不可预测。在此意义上说，它是随机访问，也就是各站点的传输随机排序，每个 站点都为占用介质上的时间而竞争，所以它是竞争技术。在c s m a 机制中，想 要传输的站点首先会“听一昕”介质上是否有其它站点在传输，如果介质忙，则 必须等待；如果空闲，则可传输。当然，可能有两个或更多的站点要同时传输， 如果这种情况发生，冲突就发生了，双方的数据互相干扰而不能被成功传接收。 考虑这点，传输站点在传输后等待一段时间接受确认，当然，还要把来回传输的 最大时间和确认站点扰频信道的时间考虑在内。如果没有收到确认，传输站点认 为冲突发生了，并且会重发。 c s m a 仍有一个明显低效的情况：一旦有两个帧发生冲突，其它站点在其传 输期间都不能传输。对于长的帧，相对于传播时间来说被浪费掉的容量是可观的。 如果在传输的同时监听，这种浪费可以降低。c s m a c d 规则约定：若介质空闲， 则传输；若介质忙，一直监听到信道空闲，然后马上传输；若在传输中测得冲突， 则发出一个短小的人为干扰信号，以使所有的站点都知道发生了冲突并停止传 输，发完人为的干扰信号，等待一段随机的时间后，再次试图传输，在绝大多数 的c s m a c d 系统中，有一条重要规则：任何帧都要有必要的长度以使冲突能在 帧传输完毕前被检测到。 以太控制网络的应用可以从以下两个方面进行描述： ( 1 ) 总线型以太控制网络及其应用 总线型以太控制网络符合i e e e 8 0 2 3 标准，构建以太控制网络系统的方法 有：采用与通用以太网卡兼容的专用以太网卡，控制系统通过专用以太网卡接入 以太控制网络；采用通信控制器或者数据网关，现场总线控制网络通过通信控制 器或数据网关接入总线型以太控制网络。当以太控制网络接入的设备较多，系统 规模较大不能满足控制系统实时性的要求时，可以采取下列多种形式：提高网络 的带宽；采用交换式控制网络；增加以太控制网络的网段或通过网桥扩展以太控 制网络的规模。 ( 2 ) 令牌总线控制网络及其应用 中南大学硕士学位论文第二章网络控制系统的性能分析 令牌总线控制网络物理上是总线结构，逻辑上是令牌环。令牌总线网络的逻 辑环可以预先设定，也可以通过自学习的方法建立。令牌总线网的信包一般有五 种类型：令牌信包，缓冲询问信包