网络控制系统 复习资料

1、.第1章 绪论网络控制系统（NCS）1结构：控制器、执行器、被控对象、传感器。2定义：通过网络形成闭环的反馈控制系统，称为网络控制系统（NCS:Networked Control System），即控制系统中的控制器、传感器和执行器通过网络来交换控制及传感等信息。3特点：(1) 结构网络化：NCS最显著的特点体现在网络体系结构上，它支持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与传统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CPU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

2、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，使危险得到了分散，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：NCS的开发遵循一定标准进行，是一个开放的系统。只要不同厂家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。4与传统点对点结构系统比较；可以实现资源共享，实现远程操作与控制，具有高的诊断能力，安装与维护方便，能有效减少系统的重量与体积，增加系统的灵活性与可靠性，使用无线网络技术，可以实现使用大量广泛分布的廉价传感器与远距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的NCS，这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的。5 网络控制系统评价标准；(1) 网络

3、服务质量（QoS, Quality of Service）：包括网络吞吐量，传输效率，误码率，时延可预测性和任务的可调度性。2) 系统控制性能（QoP, Quality of Performance）：包括稳定性，快速性，准确性，超调和震荡等。6 NCS中的基本问题；1、时变传输周期 2、网络调度（1）指一个节点多久可以传输一次信息，以及以多高的优先级传递信息，发生在用户层或传输层以上;（2）调度控制环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络中冲突现象的发生；（3） 至于数据如何更有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应采取何种措施，这些问题在网络层由线路优化和堵塞算法考虑。 ） 3、网络时延

4、4、单包传输和多包传输 5、数据包时序错乱 6、数据包丢失。7、节点驱动方式（NCS的节点有两种驱动方式：时钟驱动和事件驱动。时钟驱动：网络节点在一个事先确定的时间到时开始动作，事先确定的时间为节点动作的依据，如节点的采样时刻。事件驱动：网络节点在一个特定的事件发生时开始动作，如网络节点通过数据网络从另外一个节点接受数据。NCS中的传感器一般采用时钟驱动，而控制器和执行器可以是时钟驱动，也可以是事件驱动）8、时钟同步。7 NCS研究内容 1、对网络的控制：围绕网络的服务质量，从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协议等不同的角度提出解决方案，满足系统对实时性的要求，减小网络时延、时序错乱、数

5、据包丢失等一系列问题。可以运用运筹学和控制理论的方法来实现。2、 通过网络的控制：指在现有的网络条件下，设计相适应的NCS控制器，保证NCS良好的控制性能和稳定性。可以通过建立NCS数学模型用控制理论的方法进行研究。3、 NCS整体性能的优化与提高（综合控制）：综合考虑提高网络性能和控制性能的基础上，优化和提高整个NCS的性能.基于网络的智能控制 1.通信的含义：所谓通信，就是指采用某种特定的方法，通过某种介质（如传输线）或渠道将信息从一处传送到另一处的过程。 2通信的类型存在两大类通信方式：非电通信和电通信。其中电通信可分为三种类型：1模拟通信 2数字通信：3数据通信：数据通信与数字通信的不

6、同之处是：数字通信的信息源发出的是模拟信号；数据通信的信息源发出的是数字信息。3 数据通信系统的组成：一个最基本的通信系统，是由信息源、发送装置/接收装置、信道、通信控制部件、信息宿等部分组成。4 数据通信方式的分类；（一）按数据位的传送方式分，有：1并行通信方式：将一个二进制数据的所有位同时传送 的方式，特点：传送速度快，线路成本高。2串行通信方式：将一个二进制数据逐位顺序传送的方式，特点：线路投资省，传输速度比并行通信的速度慢。适用于长距离传送。（二）按信息的传送方向分，有：1单工（Simplex）通信方式：只允许信息沿一个方向（而不能作反向）传输。2半双工通信方式：允许信息在两个方向上传

7、输，但在同一时刻只限于一个方向的传输，3全双工通信方式。允许信息同时在两个方向上进行传输，（三）按连接方式分：1总线连接的通信方式：将两台计算机的总线通过缓冲转换器直接相连。2调制/解调连接的通信方式：将计算机输出数据经并/串转换后进行调制，然后在双芯传送线上发送；而接收端对收到的信息进行解调，然后经串/并转换使数据复原，3过程I/O连接的通信方式：利用计算机的输入/输出接口的功能传送数据的 4高速数据通道连接的通信方式：采用二进制串行高速传送的方式，它在高速数据通信指挥器的控制下，对要通信的计算机内存进行直接存储器存取操作，实现数据通信，5 数据传输原理 在分散控制系统中，各功能站处理的信号

8、均为二进制数据信息，这些由“0”和“1”组成的数据信息，最普通且最简单的方法是用一系列电脉冲信号来表示。具有固有频带且未经任何处理的始电脉冲信号，称为：“基带信号”。6 数据信息的传输有两种基本形式 1、基带传输，即直接利用基带信号进行传输；2、频带传输，即将基带信号用交流或脉冲信号调制后再传输。（一）基带传输 1基带信息的几种表示法： （1）单极性波形（2）双极性波形（3）单极性归零波形（4）双极性归零波形（5）交替双极性归零波形 2 基带传输的特点：(1)基带信号传输，要求信道具有从直流到高频的频率特性。因此，在信息高速传输的NCS中，不能采用常规的传输介质，而应采用具有很高通频带的同轴电

9、缆或光缆。(2)基带传输是按照数字信号波形的原样进行传输的，它不需要调制解调器，因而设备投资少，维护费用低。但信号传输距离有限，仅适用于较小范围的数据传输。（二）频带传输（调制与解调）数据信号在模拟传输系统上远距离传输时，必须采用调制与解调手段。所谓“调制”，是在发送端用基带脉冲信号对载波波形的某个参数（如振幅、频率、相位）进行控制使其随基带脉冲的变化而变化，即把基带信号变换成适合于模拟传输系统传输的交流信号。所谓“解调”，是在接收端将收到的调制信号进行与调制相反的转换，使之恢复到原来的基带脉冲信号。1.常用的调制方式有三种：（1）振幅调制 （2）频率调制，频率调制可分为两种形式：相位连续调频

10、信号 相位不连续调频信号（3）相位调制 相位调制所产生的调制波称为“调相信号”，它可分为两种形式：绝对移相调相信号 相对移相调相信号 7 数据通信的技术指标 1，数据传输速率单位时间内传送的信息量。数据传输中有三种速率：）数据信号速率： （2）调制速率： （3）数据传输速率2 信道容量信道所具有的最大传输能力 3.误码率二进制码元在传输系统中被传错的概率。8.多路复用技术 即把多路信号在一条信道上进行传输，以提高传输效率。常用的多路复用技术有1频分多路复用（FDM）技术 2时分多路复用（TDM）技术 9.同步技术 是指接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据，即收、发端的动作在时间

11、上取得一致。第二节通信网络 一、通信网络的概念通信网络，是将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现数据传输及资源共享的系统。处于网络中的每个单元称为站或节点（统称站点）通信网络可分为三大类： 1、紧耦合网络(又称多处理器系统) 2、局域网络（L简称LAN，又称局部网络）3、广域网络（简称WAN，又称远程网络） 二、工业控制局域网络的特点 1、具有快速实时响应能力（响应时间一般在0.01-0.5秒以内）2、具有恶劣环境的适应性 3、具有极高的可靠性 4、具有合理的分层网络结构（可分为三层，即现场总路线、车间级网络和工厂级网络） 三、局域网

12、络的拓朴结构（a）星形（b）环形（c）树形(d）网形（e）总线形四、网络控制方式 常用的控制方式大致可分为三类： 查询方式 适用于有主节点的星形网络控制,，网络中的主节点就是一个网络控制器 广播方式 是一类在同一时间内网络上只有一个节点发送信息而其它节点处于收听信息状态的网络控制方式。广播式通讯控制技术不需要网络控制器 广播方式有三种形式：令牌传送方式 自由竞争方式 时间分槽方式 存储转发方式存储转发方式也称环形扩展式。五、网络的信息交换技术通信网络使用的信息交换技术通常有三种:1线路交换 2报文交换 3包交换 第三节差错控制技术 一、差错及其类型两种差错类型：随机差错 突发差错 二、传输的可

13、靠性传输的可靠性与传输速度密切相关 通常传输的可靠性指标用误码率来表示 三、降低误码率的措施降低通信系统的误码率，提高数据传输的准确度，保证传输质量的措施有两种：1通过改善通信网络及各站的电气性能和机械性能，来降低误码率 2在误码率不够理想的情况下，由接收端检验误码，然后设法纠正误码。这种措施即为“差错控制技术”，是降低误码率常采用的措施。四、误码检验最常用：奇偶校验和循环冗余校验两种方法。（一）奇偶校验是一种以字符为单位的校验方法。这种校验方法首先将所要传输的信息按字符进行分组，并在每组（每个字符）信息前面加上一个奇偶校验位（冗余码）构成码字。奇偶校验位可以是0或1，其作用是保证码字中为“1

14、”的个数为奇数（或偶数）。若码字中为“1”的个数为奇数，该码字称为“奇校验码”；若码字中为“1”的个数为偶数，该码字称为“偶校验 例如：字符“R” 的ASCII码为1010010，为使其传输时具有检错能力，应在该字符的七位信息码前加上一个校验位。R信息码前加一个为“0”的校验位，构成码字01010010（R的奇校验码）；R信息码前加一个为“1”的校验位，构成码字11010010（R的偶校验码）。(二)循环冗余校验-是应用最为广泛，纠错能力很强的一种误码检验方法。循环冗余校验是基于系统循环码的误码检验方法。其基本原理是：发送端按照系统循环码的编码方法，发送可以被g(x)除尽的码多项式对应的码字（

15、先发送码字中的信息码，后发送冗余码）。接收端设有检验电路，它用来接收码字，并判别收到的码字是否能被g(x)整除。如果可以被整除，则认为传输正确，此时接收端向发送端作出肯定应答，通知发送下一个新的数据信息；如果收到的码字不能被g(x)整除，则认为传输过程发生差错，此时接收端向发送端作出否定应答，要求重新发送一次该码字。五、纠错方式在数据信息传输中，实际应用的纠错方式最常用的有以下三种：1重发纠错方式：2自动纠错方式 3混合纠错方式：是上述两种纠错方式的综合第四节网络协议在计算机通信网络中，对所有的站点来说，它们都要共享网络中的资源。但由于挂接在网上的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同的生产

16、厂家，型号也不尽相同，它们在硬件及其软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。因此，需要有一套所有“成员”共同遵守的“约定”，以便实现彼此的通信和资源共享。这种约定称为“网络协议”。 一、协议层次参考模型国际标准化组织针对网络通信在功能上的层次，提出了开放系统互连（简称OSI）参考模型，从而定义了任何计算机互连时通信任务的结构框架。OSI参考模型数据通信的基本原理： OSI参考模型各层的基本作用：1物理层 。负责在物理线路上传输数据的位流(比特流)，为链路层服务。 2链路层 用以建立相邻节点之间的数据链路，确立链路使用权的分配，负责将被传送的数据按帧结构格式化、传送数据帧、进行差错控制、介质

17、方向控制、以及物理层的管理 3网络层 用于传输信息包或报文分组，向上一层的传输层提供传输类型服务，负责通信网络中路径的选择和拥挤控制 4传输层 传输层是用户与通信设施间的联系者。5会话层 用于建立和管理进程（程序为某个数据集合进行的一次执行过程）之间的连接，为进程之间提供对话服务，管理它们的数据交换，处理某些同步与恢复问题。会话层完成的主要通信管理和同步功能是针对用户的。6表达层 用于向应用程序和终端管理程序提供一批数据变换服务，实现不同信息格式和编码之间的转换，以便处理数据加密、信息压缩、数据兼容以及信息表达等问题 7应用层 该层为用户应用程序提供访问OSI环境的服务应用层、表达层、会话层与

18、应用有关， 传输层、网络层主要负责系统的互连，链路层、物理层定义了实现通信的技术。无线局域网控制系统 三、制造自动化协议（MAP）（一）MAP的几种形式 1、宽带MAP 2、MiniMAP(小MAP) 3、EPA MAP（增强性能结构MAP）（二）MAP3.0的结构特点 数据链路层也分为 1.逻辑链路控制层（LLC）与IEEE802.2逻辑链路层协议中的非应答无连接服务基本符合；2.介质存取控制层（MAC）与IEEE802.4令牌总线协议基本一致。 MAP帧采用了48位地址结构 MAP的多层协议是在它的节点中实现的。四、网络间的互连 1.采用重复器方式 2采用网桥方式 3采用网关方式 网关的功

19、能：是将一个网络协议层次上的报文“映射”为另一网络协议层次上的报文。 网关有两种类型：（1）介质转换型 （2）协议转换型 实时控制网络 控制网络的基本概念1、工业对象对网络的基本要求 1过程工业 连续控制为主，算法复杂，速度慢，流程长，对可靠性要求高，有分散化要求 制造工业 逻辑控制为主，算法简单，速度快，通常不必冗余，CPU不要求太分散 混合工业采集为主也混合逻辑控制，回路控制，单机控制多，要求成本低2、控制网络的分类 随机网络：延迟时间是随机的，如EtherNet 有界网络：延迟时间有确定的上界 如ConrolNet 常值网络：时间延迟应保持一定，如DeviceNet 3、控制网络的特点(

20、1) 系统的开放性。(2) 互可操作性与互用性。(3) 系统结构的高度分散性。(4) 对现场环境的适应性。(5) 一对结构。(6) 可控状态。(7) 互换性。(8) 综合功能。(9) 统一组态。 4、网络协议和层次结构 网络协议(Net Protocol)是为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一复杂的系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”。层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能，分层结构还有利于交流、理解和标准化。介质层与控制

21、网络 1、双绞线 2、同轴电缆 3、微波 4、光纤 3.3 物理层与控制网络 物理层定义了网络的物理结构，传输的电磁标准，数据流的编码及网络的数据传送时间原则，如分时复用及分频复用等，同时也决定了网络连接类型（端到端或多端连接）及物理拓扑结构等，它构建了网络通信的基础 曼彻斯特（Manchester）编码 曼彻斯特（Manchester）编码，它是一种自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息3.4 数据链路层与控制网络数据链路层的主要任务是为网络层提供一条无差错的传输线路，通常采用反馈重纠错方式来纠正传输中出现的差错。分成两个子层：逻辑链路控制LLC(和介质控制MAC子层。 IEEE802.3

22、MAC子层协议总线监听算法：非坚持CSMA 坚持CSMA P-坚持CSMA3.5 应用层与控制网络 1、应用层基本控制模式 (1) 源目的地址通信模式 (2)生产者/消费者通信模式 2、CAN总线应用层有界网络解决方案 3.6 常用网络协议的协议栈 1、DeviceNet 协议栈 DeviceNet作为基于控制网络技术的工业标准开放网络，为简单的底层工业装置与高层控制设备如工控机、PLC之间架起连接的桥梁。 2、ControlNet 协议栈 ControlNet 具有高吞吐量、资源共享、组态和编程简单、传输介质为同轴电缆和光纤、支持冗余介质、体系结构灵活和安装费用低等特点。ControlNet

23、 主要用于PLC与计算机之间的通讯，也可在逻辑控制或过程控制系统中用于连接串行、并行的I/O设备、人机界面等装置。 3、CC-LINK 协议栈 CC-Link具有如下突出优点：（1）高速度大容量的数据传送；（2）拓扑结构有多点接入、T型分支、星型结构；（3）CC-Link使分布控制成为现实；（4）自动刷新功能、预约站功能。4、工业以太网协议栈第5章 网络控制系统调度方法 网络控制系统研究内容: （1）对网络的控制：对网络节点、网络数据流量等的调度与控制，是对网络自身的控制, 其目的是为了提高网络的服务质量（2）通过网络进行控制：指控制系统的各节点（传感器、控制器、执行器等）之间通过网络进行连接

24、并传输数据，针对网络的不确定特性，通过设计先进的控制算法来提高整个网络控制系统的质量。网络控制系统的调度 1、网络调度问题： 指网络中的节点在共享的网络资源中发送数据，并且发生碰撞时，规定数据包以怎样的优先级（顺序）和何时发送数据包的问题。研究层面：（1）设计介质层网络的通信协议，称为协议层调度；（2）设计应用层的节点优化调度算法，称为应用层调度。2、协议层调度： 指数据链路层通过一个链路活动调度器控制现场装置对总线的访问，通常是网络接口设备按照特定的协议规范来决定那些并发数据包的发送顺序。特点：通过特定的网络协议来实现某些调度算法的，因此调度缺乏灵活性，只能适应少数的算法 网络协议分类 根据

25、控制网络的时间延迟特性,网络可分为三类: 随机网络、有界网络和常值网络.3、应用层调度：目前应用层的网络调度方法主要有4种：（1）借用CPU调度方法（2）设计网络调度协议（3）调度与控制协同设计（4）反馈控制实时调度 5.1.2 NCS调度中的几个基本概念（1）到达时间（ai）：数据包形成，开始加入发送队列，准备发送。此为一个发送周期的开始。2）开始发送时刻（si）：数据包开始发送的时刻。（3）阻塞时间（bi）：数据包达到后，等待直至开发发送所需要的时间，即bi=si-ai。（4）传输时间（ci）：数据包由源地址经网络传送到目的地址所需要的时间，一般由数据包的大小和网络介质的速率决定。（5）完

26、成时间（fi）：一次传输结束的时间。（6）传输时延（i）：数据包到达队列至数据包完成数据包传输完成之间的时间.（7）时限（di）：为保证NCS的性能，传输必须在某个时间之前完成，该时间就称为时限。（9）可调度性：指网络控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成。5.1.3网络调度的几种基本方法 一、协议层调度方法：1、Ethernet使用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）网络协议，为随机网络的代表。2、令牌网是有界网络的代表,分为令牌总线和令牌环两类.ControlNet、MAP(IEEE802.4)、Profi-bus都属于令牌总线。3、CAN通信协议采用多主竞争机制（CSMA/A

27、MP）网络协议，是常值网络的代表 二、TOD网络动态调度协议 1、MEF-TOD协议内容：（1）NCS中每个节点都有一个优先级，该优先级与误差范数成正比，该误差指最近发送的数据值与实际测量数据值的差；（2）误差最大的节点拥有发送数据的最大优先级；（3）如果两个或更多的节点信息具有相同的优先权，则按事先约定的规则来解决这种碰撞。最大误差优先-尝试一次丢调度算法 2、最大允许传输时间间隔MATI 传输时间间隔指NCS访问网络的时间间隔。可以证明，在MEF-TOD或静态调度下，某个NCS系统，当MATI小于某个与NCS性能相关的数值时，NCS 系统是全局指数稳定的。三、反馈控制实时调度：5.2 实时

28、系统及其任务调度 5.2.1 实时系统概述 1、实时系统：在确定的时间内执行计算或处理事务并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。实时系统从输入时刻到输出时刻之间的时滞必须小到可接受时限内。 2、分类标准系统对时间要求的严格程度。（1）硬实时系统：如果一个系统未能在指定时间内就某一事件做出响应而失败，则该失败被认为是一种全面的系统失败。一般用于航天系统或核反应堆系统，系统较复杂。（2）软实时系统：系统对某些任务的响应时间允许一定程度上的超时限，而不会导致系统的失败。大多数系统都属于软实时系统，网络控制系统通常是软实时系统。3、实时系统组成： 在实时系统中，一个应用通常由一组任务构成，每个任务完

29、成应用中的一部分功能，组合后为用户提供特定的服务。例如在一个计算机控制的飞行器飞行控制应用包括： 数据采集任务 自动导航任务 控制任务 4、实时系统特点： 时间约束性： 可预测性： 可靠性： 与外部环境的交互作用性：5、实时调度：实时调度算法特征：（1）硬实时与软实时（2）抢优与非抢优（3）动态与静态（4）集中与分布 网络调度与实时调度比较 相同点：都有共享资源的限制。 实时系统：多个任务不能同时使用CPU的计算资源 网络系统：多数据共用一条网络传输介质不同点：实时系统：调度是可以抢优的 网络系统：调度是可以非抢优的 5.3 静态RM调度算法 5.3.1 实时系统的RM调度算法 1、RM算法介

30、绍：RM调度算法，中文称为“比率单调调度算法”，是实时系统中单处理器的基于优先级的静态调度算法 2、RM算法描述： （1）根据任务的周期hi 分配优先权：任务的周期越短，其优先权越高；（2）任务的优先权在任务执行之前已经确定，不会随时间改变，因此是一种静态的调度算法；（3）实时系统中的RM算法是抢优的，即当前执行的任务会被新到达的优先级更高的任务打断。（4）RM算法在所有的固定优先级分配算法中是最优的；（5）RM算法是稳定的：确保优先级高的任务先执行。3、RM可调度定理： 一组n个相互独立、可抢优的实时周期任务，用RM算法的可调度条件为任务的总占有率U满足如下不等式： 其中ci 为任务所需的执

31、行时间，hi 为任务的周期。 例5.1：两个并发的周期实时任务，执行时间为c1=c2=3ms，任务周期为h1=4ms，h2=6ms，任务时限d1=h1，d2=h2。计算RM算法的可调度性。解：任务的占有率为： 由RM算法的可调度条件可知用RM算法不可调度。说明：（1）根据RM算法，由于h1h2，则任务1的优先级高于任务2的优先级，因此两个任务同时到达时，任务1先处理；（2）经过3ms任务1处理完毕，进行任务2的处理；（3）任务2处理1ms后，任务1的下一个周期来到，于是打断任务2的执行，进行任务1的处理；（4）如此反复，结果为任务1所有的任务周期都没有超过时限要求，但任务2所有的周期任务都超过

32、了时限的要求。 4、RM算法缺点：（1）对非周期任务的调度效率低；（2）不能有效的对非调和的周期性操作进行调度；（3）不能灵活地处理操作调用时资源需求的变化。 5.3.2 网络控制系统的RM调度算法 1、算法描述：（1）指非抢优的RM调度算法；（2）与实时系统的抢优式调度算法相比，唯一的区别就是网络RM调度算法中，任务的执行是非抢优的，即当前执行的任务不会被新到达的优先级更高的任务打断，直到该任务执行完，才能执行队列中等待的高优先级任务。 2、非抢优RM可调度定理： 一组n个相互独立、非抢优的实时周期任务（其优先级按下标值递减，下标i 为1任务的优先级最高，下标i 为N任务的优先级最低），其可调度条件为对于所有的i=1,2,3,。N 都满足如下不等式：例5.2 两个并发的周期实时任务，执行时间为c1=c2=3ms，任务周期为h1=4ms，h2=6ms，任务时限d1=h1，d2=h2。计算RM算法的可调度性。说明：（1）根据RM算法，由于h11的系统为多变量模糊控制系统。 模糊控制的应用模糊控制在家电中的应用(1)模糊电视机(2) 模糊空调(3) 模糊微波炉(4) 模糊洗衣机(5) 模糊电动剃刀 模糊控制在过程控制中的应用 (1)工业炉 (2)石化 (3)煤矿 (4)食品加工行业 自适应模糊控制有两种不同的形式