计算机网络化控制

1、1 1、网络化控制基础、网络化控制基础2 2、主从式控制网络、主从式控制网络 3 3、集散控制系统、集散控制系统4 4、现场总线技术、现场总线技术第九章第九章 计算机网络化控制计算机网络化控制9.1 9.1 网络化控制基础网络化控制基础1 1、概述、概述 2 2、网络化控制的特殊问题、网络化控制的特殊问题3 3、网络化控制的时延分析、网络化控制的时延分析 4 4、网络化控制的时钟同步、网络化控制的时钟同步5 5、网络化控制系统模型、网络化控制系统模型1 1、概述、概述网络化控制系统（网络化控制系统（Network based Control SystemsNetwork based Contr

2、ol Systems）广义上）广义上定义为利用传输媒体把不同地点的多个独立的自动控制装置、定义为利用传输媒体把不同地点的多个独立的自动控制装置、计算机系统、现场设备等按照不同的拓扑结构，应用各种通计算机系统、现场设备等按照不同的拓扑结构，应用各种通信方式连接起来的在网络环境下实现的控制系统。从这个意信方式连接起来的在网络环境下实现的控制系统。从这个意义上说，集散控制系统（义上说，集散控制系统（DCSDCS）、现场总线控制系统）、现场总线控制系统（FBSFBS）、）、PLCPLC以及工业以太网等都属于网络控制系统。以及工业以太网等都属于网络控制系统。网络化控制系统狭义上定义控制系统通过计算机通信

3、网络将网络化控制系统狭义上定义控制系统通过计算机通信网络将传感器、控制器和执行机构联系在一起构成反馈控制的控制传感器、控制器和执行机构联系在一起构成反馈控制的控制系统。系统。控制器执行机构控制对象传感器通信网络网络控制系统控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，用于控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，用于工业生产现场的测量与控制信息传输，产生或引发物质或工业生产现场的测量与控制信息传输，产生或引发物质或能量的运动和转换，因此与一般的数据通信网络相比有起能量的运动和转换，因此与一般的数据通信网络相比有起特殊的要求。特殊的要求。（1 1）具有较好的响应实时性。控制网络不仅要求传输速

4、）具有较好的响应实时性。控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为时性要好，一般为10ms10ms1s 1s 级；级；（2 2）高可靠性。即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、）高可靠性。即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路；时间内重新建立新的网络链路；（3 3）简洁实用。以减小

5、软硬件开销，从而减低设备成本，）简洁实用。以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性；同时也可以提高系统的健壮性；（4 4）具有好的开放性。控制网络尽量不采用专用网络。）具有好的开放性。控制网络尽量不采用专用网络。 为了实现计算机系统之间的互连，为了实现计算机系统之间的互连，19771977年国际标准化组织年国际标准化组织(ISO)(ISO)提出了开放系统互连参考模型提出了开放系统互连参考模型OSI ( Open System OSI ( Open System Interconnection Interconnection Reference Model )Referen

6、ce Model )。 OSIOSI参考模型将数据传输过程分解为一系列功能元素，把参考模型将数据传输过程分解为一系列功能元素，把相关的功能组合在一起称为层，每一层完成一项通信子功相关的功能组合在一起称为层，每一层完成一项通信子功能，并且下层为上层提供服务。能，并且下层为上层提供服务。 OSIOSI参考模型规定了七个参考模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。功能层，每层都使用它自己的协议。应用层(7)应用程序，如Email、FTP、Telnet、WWW表示层(6)数据的表示，如编码、压缩、加密等会话层(5)对话的控制、同步传输层(4)分组排序、重装、确认网络层(3)寻址、协议变换、拥塞避

7、免和恢复链路层(2)LLC子层装帧、流量控制、检错纠错MAC子层介质访问控制物理层(1)传输信号和介质的电气规范在计算机控制系统中有多种通信网络协议，包括目前应用最在计算机控制系统中有多种通信网络协议，包括目前应用最广的局域网广的局域网LANLAN的网络协议、各种的网络协议、各种DCSDCS的通信协议、各种的通信协议、各种FCSFCS的通信协议、工业以太网以及串行通信总线的通信协议的通信协议、工业以太网以及串行通信总线的通信协议等。等。一般而言，控制网络为了提高实时性只采用了一般而言，控制网络为了提高实时性只采用了ISO/OSIISO/OSI七层七层参考模型中的最低两层参考模型中的最低两层物理

8、层、数据链路层，以及应用物理层、数据链路层，以及应用层。层。物理层主要涉及传输介质的电气特性、机械特性等一些物理物理层主要涉及传输介质的电气特性、机械特性等一些物理性质。性质。数据链路层包括了两个子层：介质访问控制层（数据链路层包括了两个子层：介质访问控制层（MACMAC）和逻）和逻辑链路控制层（辑链路控制层（LLCLLC）。）。 介质访问控制层主要功能包括：控介质访问控制层主要功能包括：控制各主机访问通信介质，提供通信介质的复用机制；发送和制各主机访问通信介质，提供通信介质的复用机制；发送和接收数据帧；比特流差错检测；寻址。逻辑链路控制层主要接收数据帧；比特流差错检测；寻址。逻辑链路控制层主

9、要功能包括：建立、维持和拆除链路连接；实现无差错传输。功能包括：建立、维持和拆除链路连接；实现无差错传输。 响应时间和时延的确定性对控制网络是至关重要的。由于网络化响应时间和时延的确定性对控制网络是至关重要的。由于网络化控制系统中的各个节点共用传输线路，在同一时间可能有多个设控制系统中的各个节点共用传输线路，在同一时间可能有多个设备同时请求数据传输，因此就必须采用某种介质访问控制方式来备同时请求数据传输，因此就必须采用某种介质访问控制方式来协调设备访问介质的顺序。协调设备访问介质的顺序。节点对于网络的访问是由介质访问控制（节点对于网络的访问是由介质访问控制（MACMAC）协议来决定，）协议来决

10、定，分析各种网络控制系统的分析各种网络控制系统的MACMAC协议，可以定性和定量的分析网协议，可以定性和定量的分析网络的时延和效率。络的时延和效率。 在网络控制系统中，常用的介质访问控制协议主要有在网络控制系统中，常用的介质访问控制协议主要有4 4种：令牌种：令牌访问（包括令牌总线和令牌环）、载波监听多路访问（访问（包括令牌总线和令牌环）、载波监听多路访问（CSMACSMA）及其改进协议、及其改进协议、TDMTDM协议，以及主从式访问。主从式介质访问协议，以及主从式访问。主从式介质访问是在一个主设备和多个从设备之间通过循环查询、应答方式通信，是在一个主设备和多个从设备之间通过循环查询、应答方式

11、通信，不存在通信的冲突，所以通信的时延是确定的，主要由通信速率不存在通信的冲突，所以通信的时延是确定的，主要由通信速率和节点个数决定。和节点个数决定。（1 1）令牌协议）令牌协议(Token Passing)(Token Passing)基于令牌的传递协议有令牌环（基于令牌的传递协议有令牌环（802.3802.3）和令牌总线（）和令牌总线（802.4802.4）。）。令牌环适用于环形网络拓扑。令牌总线适用于总线网络拓扑，令牌环适用于环形网络拓扑。令牌总线适用于总线网络拓扑，其中的各节点按一定的逻辑顺序构成逻辑环。其中的各节点按一定的逻辑顺序构成逻辑环。令牌协议中令牌是控制标志，网络中只设一张令

12、牌，并依次沿令牌协议中令牌是控制标志，网络中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。只有拥有令牌的节点才可得到网络的控制权，向各结点传送。只有拥有令牌的节点才可得到网络的控制权，向网络发送消息。当该节点发送完成或时间到时，将令牌传给下网络发送消息。当该节点发送完成或时间到时，将令牌传给下一个节点。一个节点。令牌网络工作时，令牌依次沿每个节点传送，使每个节点都有令牌网络工作时，令牌依次沿每个节点传送，使每个节点都有平等发送信息的机会。当一个节点占令牌期间，发送该节点信平等发送信息的机会。当一个节点占令牌期间，发送该节点信息并置令牌为息并置令牌为“忙忙”状态，其它节点只能处于接收状态。当所状态，其它节点

13、只能处于接收状态。当所发信息绕环一周后，由发送节点清除，发信息绕环一周后，由发送节点清除，“忙忙”令牌被置为令牌被置为“空空”状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则得到该令状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则得到该令牌，同时将令牌由牌，同时将令牌由“空空”状态置为状态置为“忙忙”状态，并发送信息。状态，并发送信息。前同步码起始界符目的地址源地址数据单元结束界符帧检测序列Bytes 11664115 Bytes5 Bytes帧控制100对于令牌环而言，依赖于网络的拓扑结构来传递令牌是一个很对于令牌环而言，依赖于网络的拓扑结构来传递令牌是一个很大的优点，可以省去在令牌中携带地址信

14、息，更重要的是每个大的优点，可以省去在令牌中携带地址信息，更重要的是每个站点无需知道环上下一个站点的地址。当站点离开或加入环时，站点无需知道环上下一个站点的地址。当站点离开或加入环时，环上现已存在的站点不需要更改任何配置。但同时这种依赖拓环上现已存在的站点不需要更改任何配置。但同时这种依赖拓扑结构传递令牌的机制无法使用一些拓扑结构不能控制的物理扑结构传递令牌的机制无法使用一些拓扑结构不能控制的物理传输介质，如微波、电力传输线等。传输介质，如微波、电力传输线等。在令牌总线中，确定接收空令牌的下一个站点比较复杂。同时，在令牌总线中，确定接收空令牌的下一个站点比较复杂。同时，在通信节点进入或离开令牌

15、总线时，整个总线必须自动重新进在通信节点进入或离开令牌总线时，整个总线必须自动重新进行配置以确定总线上的节点地址序列，使令牌有序地在总线上行配置以确定总线上的节点地址序列，使令牌有序地在总线上传递。传递。 令牌协议的能提供优先权服务、无须冲突检测、有较好的实令牌协议的能提供优先权服务、无须冲突检测、有较好的实时性。在理论上每个节点访问网络的最大时延便被限定在一个时性。在理论上每个节点访问网络的最大时延便被限定在一个最大范围之内。所以令牌访问协议是一种确定性访问协议，传最大范围之内。所以令牌访问协议是一种确定性访问协议，传送效率高、信息吞吐量大，实时性好。送效率高、信息吞吐量大，实时性好。（2

16、2）载波侦听多路访问）载波侦听多路访问(CSMA(CSMA）IEEE802.3IEEE802.3以太网协议的以太网协议的MACMAC层采用载波监听多路访问层采用载波监听多路访问（ Carrier Sense Multiple AccessCarrier Sense Multiple Access）方式。）方式。其工作原理是当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有其工作原理是当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。段时间，直至信道空闲，开始发送。 由于传

17、输线上不可避免的有时间的延迟，有可能多个站同时监由于传输线上不可避免的有时间的延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。因此，当结点开始听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。因此，当结点开始发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正常进行；若息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正常进行；若不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等待一个随机时间，再重复上述过程。待一个随机时间，再重复上述过程。C

18、SMACSMA协议的冲突退避算法采用了二进制指数算法，即根协议的冲突退避算法采用了二进制指数算法，即根据冲突的历史估计网上信息量而决定本次应等待的时间。据冲突的历史估计网上信息量而决定本次应等待的时间。当发生冲突时，控制器延迟一个随机长度的间隔时间后当发生冲突时，控制器延迟一个随机长度的间隔时间后重新发送数据，即：重新发送数据，即：其中，其中，NN为冲突次数，为冲突次数，R R为随机数，为随机数，A A为计时单位（一般为计时单位（一般选用总线循环一周时间）。这种算法的基本思想是：等选用总线循环一周时间）。这种算法的基本思想是：等待时间的长短和冲突的历史有关。一个数据帧遭遇的冲待时间的长短和冲突

19、的历史有关。一个数据帧遭遇的冲突次数越多，说明网上传输的数据量越大，等待重发时突次数越多，说明网上传输的数据量越大，等待重发时间就越长。间就越长。 CSMACSMACDCD方式原理较简单，且技术上较易实现。网络方式原理较简单，且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。送信息的等待时间加长，效率显

20、著降低。NAR2IEEE802.3IEEE802.3以太网协议的以太网协议的MACMAC层采用的是层采用的是CSMACSMA方式，其数方式，其数据格式主要部分由五个字段组成，前两个字段分别为目的地据格式主要部分由五个字段组成，前两个字段分别为目的地址和源地址，各占址和源地址，各占6 6个字节；第三个字段为数据长度，表明个字节；第三个字段为数据长度，表明后面的数据字段的字节长度，占后面的数据字段的字节长度，占2 2个字节；数据字段是个字节；数据字段是LLCLLC层层传送下来的传送下来的LLCLLC帧数据，最后一个字段为帧校验序列帧数据，最后一个字段为帧校验序列FCSFCS，它，它是对前面四个字段

21、进行是对前面四个字段进行CRCCRC校验。校验。 对于数据字段，有最小长度的要求。当对于数据字段，有最小长度的要求。当LLCLLC层传下来的层传下来的LLCLLC帧帧数据不够时，需要在数据不够时，需要在PADPAD数据段进行数据填充。数据段进行数据填充。CSMA/CDCSMA/CD协议的核心是当发送站正在发送时，若检测到冲突则立即终协议的核心是当发送站正在发送时，若检测到冲突则立即终止发送，推迟一段时间后再发送。如果所发送的帧太短，有止发送，推迟一段时间后再发送。如果所发送的帧太短，有可能还没有来得及检测到冲突就已经发送完了，从而检测不可能还没有来得及检测到冲突就已经发送完了，从而检测不到冲突

22、到冲突 。前同步码起始界符目的地址源地址数据长度LLC数据PAD帧检测序列Bytes 71660-15000-462422 Bytes46-1500 Bytes4 Bytes发送的帧的最短长度应当要保证在发送完毕之前，必须能发送的帧的最短长度应当要保证在发送完毕之前，必须能够检测到可能最晚到来的冲突信号，这段时间一般取够检测到可能最晚到来的冲突信号，这段时间一般取51.2us51.2us（对于（对于10Mb/s10Mb/s基带），相当于发送基带），相当于发送512512比特，因此，比特，因此，MACMAC帧的最短长度为帧的最短长度为512512比特，既比特，既6464字节，这样得到数据字段的字

23、节，这样得到数据字段的最小长度为最小长度为4646字节。此外，数据字段也不能太长，目前规字节。此外，数据字段也不能太长，目前规定的最大长度为定的最大长度为15001500字节。字节。MACMAC帧传到物理层时还必须加上一个前同步码，即帧传到物理层时还必须加上一个前同步码，即7 7个字节个字节的的1010交替序列，供接收方进行比特同步。同步码后有交替序列，供接收方进行比特同步。同步码后有1 1个字个字节的起始界符，固定的位序列为节的起始界符，固定的位序列为1010101110101011，接收方一旦接收，接收方一旦接收到两个连续的到两个连续的“1”1”后，后面的数据可确定为后，后面的数据可确定为

24、MACMAC帧。因此帧。因此MACMAC帧效率为：帧效率为：6426422647244622dddddddd其中，其中，d d为数据段字节长度。由于数据段有最小字节要求，为数据段字节长度。由于数据段有最小字节要求，对于数据量小的数据通信，特别是只有若干字节的现场实时对于数据量小的数据通信，特别是只有若干字节的现场实时反馈或控制信号，反馈或控制信号，CSMACSMA的编码效率很低。例如，若数据段的编码效率很低。例如，若数据段为为4 4个字节，编码效率为个字节，编码效率为6.25%6.25%。对于数据量相对较大的数。对于数据量相对较大的数据通信，特别是文件传输，据通信，特别是文件传输，CSMACS

25、MA比较适合，编码效率可以比较适合，编码效率可以达到最大的达到最大的98.3%98.3%。 以以CSMA/CDCSMA/CD为接入协议的以太网不是为控制系统设计的，为接入协议的以太网不是为控制系统设计的，在网络重载时的延时大，性能较差；同时作为控制网络协议在网络重载时的延时大，性能较差；同时作为控制网络协议编码效率不高。编码效率不高。针对以太网的缺陷，出现了很多针对以太网的缺陷，出现了很多CSMACSMA协议的改进，便于工协议的改进，便于工业控制系统的应用。如业控制系统的应用。如 p-p-坚持型坚持型CSMACSMA协议、带优先级的协议、带优先级的CSMACSMA协议等。协议等。LonWork

26、sLonWorks控制网络所用的介质访问控制协控制网络所用的介质访问控制协议议LonTalkLonTalk就是在就是在p-p-坚持型坚持型CSMACSMA协议的基础上改进而成的协议的基础上改进而成的 。CANCAN总线和罗克韦尔总线和罗克韦尔DeviceNetDeviceNet总线介质访问控制协议采用总线介质访问控制协议采用的位仲裁协议本质上是带优先级的的位仲裁协议本质上是带优先级的CSMACSMA协议。协议。（3 3）位仲裁协议）位仲裁协议CANCAN总线以及总线以及Rockwell Rockwell 的的DeviceNetDeviceNet现场总线的现场总线的MACMAC采用采用的是位仲裁

27、协议。的是位仲裁协议。CAN2.0CAN2.0数据帧标准格式如图。帧起始位数据帧标准格式如图。帧起始位标识数据帧的开始；仲裁场由标识数据帧的开始；仲裁场由11 11位的标识符和远程发送请位的标识符和远程发送请求位组成；控制场标识数据的长度；数据场为要发送的数求位组成；控制场标识数据的长度；数据场为要发送的数据，可包括据，可包括0 08 8个字节，每个字节个字节，每个字节8 8位。一个完整的位。一个完整的CANCAN数据帧除去要发送的数据外，包括了数据帧除去要发送的数据外，包括了4747位。因此，位。因此，CANCAN总总线的编码效率最大为线的编码效率最大为58%58%。 位仲裁协议是一种非破坏

28、性仲裁技术，当多个节点同时向总位仲裁协议是一种非破坏性仲裁技术，当多个节点同时向总线发送数据时，优先级低的节点主动退出发送，而最高优线发送数据时，优先级低的节点主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据。先级的节点可不受影响地继续传输数据。仲裁场控制场数据场CRC场ACK场帧结束帧起始非破坏性位仲裁（非破坏性位仲裁（nondestructive bitwise arbitrationnondestructive bitwise arbitration）机制的）机制的原理是在发送的数据前增加了原理是在发送的数据前增加了11 11位标识符，通过它们来确定数位标识符，通过它们来确定数据

29、的优先级，从而达到对总线的使用权的控制。据的优先级，从而达到对总线的使用权的控制。非破坏性位仲裁采用非破坏性位仲裁采用NRZ( non-return-to-zeroNRZ( non-return-to-zero，不归零，不归零) )数字数字信号编码，具有显性和隐性两种状态，显性为逻辑信号编码，具有显性和隐性两种状态，显性为逻辑0 0，隐性为，隐性为逻辑逻辑1 1，实行，实行“线与线与”操作。同时发送显性位和隐性位时，总操作。同时发送显性位和隐性位时，总线呈现为显性状态线呈现为显性状态0 0。当多个节点同时发送数据时，首先进入。当多个节点同时发送数据时，首先进入11 11 位标识符即仲裁区。在此

30、期间，每一个发送器都监视总线位标识符即仲裁区。在此期间，每一个发送器都监视总线上当前的电平，并与它发送的位电平进行比较，如果值相等，上当前的电平，并与它发送的位电平进行比较，如果值相等，这个节点继续发送，如果发送一个隐性位这个节点继续发送，如果发送一个隐性位(1)(1)，而在总线上检，而在总线上检测到一个显性位测到一个显性位(0)(0)，那么此节点失去仲裁权，立即停止下一，那么此节点失去仲裁权，立即停止下一位的发送。位的发送。11 11位仲裁区值最小的（即优先级最高）将赢得总线位仲裁区值最小的（即优先级最高）将赢得总线使用权，其数据不受影响完整地发送出去。位仲裁协议保证使用权，其数据不受影响完

31、整地发送出去。位仲裁协议保证每次只有一个节点能够赢得仲裁，其它节点必须等到此次传每次只有一个节点能够赢得仲裁，其它节点必须等到此次传输结束后，总线空闲时再尝试下一次的发送。通过这种方式输结束后，总线空闲时再尝试下一次的发送。通过这种方式达到了非破坏，逐位仲裁目的，提高实时性。达到了非破坏，逐位仲裁目的，提高实时性。2 2、网络化控制的特殊问题、网络化控制的特殊问题由于网络化控制系统通过通信网络构成闭环，带来了一些特殊由于网络化控制系统通过通信网络构成闭环，带来了一些特殊问题：问题：（1 1）网络诱导时延）网络诱导时延在网络环境下，多用户共享通讯线路且流量变化不规则。当在网络环境下，多用户共享通

32、讯线路且流量变化不规则。当NCS NCS 的传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时必然会导的传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时必然会导致网络诱导时延，降低系统的性能甚至引起系统不稳定。网络致网络诱导时延，降低系统的性能甚至引起系统不稳定。网络诱导时延的存在使得系统的分析变得非常复杂。诱导时延的存在使得系统的分析变得非常复杂。NCSNCS中存在多中存在多种不同性质的时延种不同性质的时延( (常数、有界、随机时变等常数、有界、随机时变等) )。（2 2）网络调度）网络调度在在NCSNCS中，控制环的性能不仅依赖于控制算法，中，控制环的性能不仅依赖于控制算法， 而且也依赖于而且也依赖于对共享

33、的网络资源的调度。这里所说的网络调度指网络用户层对共享的网络资源的调度。这里所说的网络调度指网络用户层的调度，调度算法对节点传输数据的快慢和被传输的数据所具的调度，调度算法对节点传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权进行调度，同时还可以调度控制环的采样周期和采有的优先权进行调度，同时还可以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，从而最大限度地样时刻，以尽量避免网络中冲突现象的发生，从而最大限度地减少数据的传输时延。减少数据的传输时延。（3 3）单包传输和多包传输）单包传输和多包传输单包传输是指单包传输是指NCSNCS中的传感器、控制器的一个待发送数据被中的传感器、控

34、制器的一个待发送数据被捆在一个数据包中一起发送。而多包传输是指捆在一个数据包中一起发送。而多包传输是指NCSNCS中的传感中的传感器、控制器的一个待发送的数据被分成多个数据包进行传输。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。在包交换网络在包交换网络(packet - switched network) (packet - switched network) 中一般要进行多中一般要进行多包传输，一方面原因是单包字节大小的限制，一个数据包只包传输，一方面原因是单包字节大小的限制，一个数据包只能装载有限的信息；另一方面原因是能装载有限的信息；另一方面原因是NCS NCS 的传感器和执行

35、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输的NCS NCS 中不再成立。因为一个数据要分成多个数据包多中不再成立。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。次传输，这些数据包不可能同时传递，也不可能同时到达。（4 4） 数据包的时序错乱数据包的时序错乱在网络环境下，在网

36、络环境下， 被传输的数据流经众多计算机和通讯被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，设备且路径不唯一， 这必然会导致数据包的时序错乱。这必然会导致数据包的时序错乱。（5 5） 数据包丢失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，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。因此内传输，当超出这个时间后，数据也就会丢失。因此在在NCS NCS 的设计

37、中，对数据包的丢失问题必须寻找相应的设计中，对数据包的丢失问题必须寻找相应的解决方法。的解决方法。（6 6）节点的驱动方式）节点的驱动方式NCS NCS 的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。NCS NCS 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，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。事而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点：件驱动相比于时钟驱动具有以下优点：1) 1) 控制器为事件驱动时，传感器发送的数据到达控制器

38、立即参控制器为事件驱动时，传感器发送的数据到达控制器立即参加运算，避免了控制器为时钟驱动时的数据等待被采样的时间，加运算，避免了控制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；客观上减少了网络诱导时延；2) 2) 控制器为事件驱动时，避免了控制器为时钟驱动时的控制控制器为事件驱动时，避免了控制器为时钟驱动时的控制器和传感器时钟同步的困难；器和传感器时钟同步的困难；（7 7）多时钟同步）多时钟同步在在NCSNCS中，当控制器和作动器有一个为时钟驱动时，便存在一中，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。时钟同步又可分为硬件同步和软件同步。在个时钟同步问题。

39、时钟同步又可分为硬件同步和软件同步。在NCSNCS中，由于系统的节点有可能分布在一个较大的物理空间，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，多采用软件同步的方式，一般是通用硬件同步一般比较困难，多采用软件同步的方式，一般是通过在网络上定时广播同步时钟的方式实现。过在网络上定时广播同步时钟的方式实现。3 3、网络化控制的时延、网络化控制的时延网络控制系统中的时延，主要来自于数据在网络上的网络控制系统中的时延，主要来自于数据在网络上的传输时间和控制器的运算时间。传输时间和控制器的运算时间。执行器控制对象传感器控制器cacsc通信网络（1 1）传感器到控制器的时延）

40、传感器到控制器的时延当传感器的测量数据通过网络发送给控制器时，会产生该时当传感器的测量数据通过网络发送给控制器时，会产生该时延。延。式中式中 、 分别为传感器开始采样的时刻和控制器开始运算分别为传感器开始采样的时刻和控制器开始运算的时刻。的时刻。（2 2）控制器到执行器的时延）控制器到执行器的时延该时延由控制器发送控制信号给执行器的过程产生。该时延由控制器发送控制信号给执行器的过程产生。式中式中 、 分别为执行器接收到控制信号开始动作的时刻和分别为执行器接收到控制信号开始动作的时刻和控制器运算完成得到控制信号的时刻。控制器运算完成得到控制信号的时刻。scksskcsksckttcsktsskt

41、cakcfkaskcakttasktcfkt（3 3）控制器执行运算产生的时延）控制器执行运算产生的时延控制器开始计算到计算完成得到控制信号这段时间。控制器开始计算到计算完成得到控制信号这段时间。式中式中 为控制器开始计算的时刻。为控制器开始计算的时刻。传感器到控制器的时延和控制器到执行器的时延都是由数据传感器到控制器的时延和控制器到执行器的时延都是由数据在网络上传输造成的，具有相似的特点。通常这两种时延都在网络上传输造成的，具有相似的特点。通常这两种时延都是时变的，但在不同的网络结构和协议下又会有不同的特性。是时变的，但在不同的网络结构和协议下又会有不同的特性。确定性网络访问方式，其网络时延

42、变化通常具有周期性和确确定性网络访问方式，其网络时延变化通常具有周期性和确定性。非确定性网络访问方式，其网络时延变化都是随机的，定性。非确定性网络访问方式，其网络时延变化都是随机的，有些非确定性网络的最大时延是确定的，而以太网上的时延有些非确定性网络的最大时延是确定的，而以太网上的时延变化是随机的。变化是随机的。 通常也是时变的，但与通常也是时变的，但与 和和 相比，它的数值和变化都相比，它的数值和变化都很小。在网络控制系统设计时，通过选择合适的硬件和进行很小。在网络控制系统设计时，通过选择合适的硬件和进行高效率的软件编码，可以使计算时延产生的影响减少到很小。高效率的软件编码，可以使计算时延产

43、生的影响减少到很小。因而在分析设计网络控制系统时，可以把因而在分析设计网络控制系统时，可以把 包括在包括在 内一起内一起考虑。一般将上述三类时延的总和称为控制时延考虑。一般将上述三类时延的总和称为控制时延 。ckcskcfkckttcsktcksckcakkckcakcak4 4、网络化控制的时钟同步、网络化控制的时钟同步各节点相互之间没有统一的时钟是网络控制系统的基本特征各节点相互之间没有统一的时钟是网络控制系统的基本特征之一。由于各节点拥有自己的时钟，系统的采样周期和控制之一。由于各节点拥有自己的时钟，系统的采样周期和控制周期会发生偏差而不同步。这给控制器的设计和实现带来了周期会发生偏差而

44、不同步。这给控制器的设计和实现带来了挑战，特别是当系统是多个节点的多输入多输出系统时。如挑战，特别是当系统是多个节点的多输入多输出系统时。如果不考虑各节点之间时钟异步特征，不能做到精确的时钟同果不考虑各节点之间时钟异步特征，不能做到精确的时钟同步，系统的控制性能会降低，甚至造成系统的不稳定。步，系统的控制性能会降低，甚至造成系统的不稳定。 一般而言，为了提高实时性，网络控制系统的通信协议比较一般而言，为了提高实时性，网络控制系统的通信协议比较简单，数据量不大，因而为实现多时钟同步提供了多种可能。简单，数据量不大，因而为实现多时钟同步提供了多种可能。从手段上来划分，时钟同步有硬件和软件的方法。硬

45、件时钟从手段上来划分，时钟同步有硬件和软件的方法。硬件时钟同步是网络中的各个节点采用统一的全局时钟，带来的问题同步是网络中的各个节点采用统一的全局时钟，带来的问题是硬件资源的开销，不适用于多节点、远距离的网络控制系是硬件资源的开销，不适用于多节点、远距离的网络控制系统。软件时钟同步一般是通过对网络中节点间的通信收发时统。软件时钟同步一般是通过对网络中节点间的通信收发时间差的计算，估算出节点间的时钟误差，达到时钟同步的目间差的计算，估算出节点间的时钟误差，达到时钟同步的目的。这里仅介绍软件时钟同步方法。的。这里仅介绍软件时钟同步方法。 （1 1）起始时钟误差的多时钟同步）起始时钟误差的多时钟同步

46、由于各节点之间的起始时钟不一致而导致的时钟不同由于各节点之间的起始时钟不一致而导致的时钟不同步。这里假定各节点的时钟本身记时是准确的，仅仅步。这里假定各节点的时钟本身记时是准确的，仅仅因起始点不同而产生了误差。因起始点不同而产生了误差。 设在设在i i时刻绝对时间为时刻绝对时间为 ，节点，节点a a的记时时间为的记时时间为 ，节点，节点b b的记时时间为的记时时间为 ，则：，则： ，节点节点a a对节点对节点b b的偏差为：的偏差为： aititaiaittbitbibittbabiaitt标 准 时 间时钟值标 准 时 钟节 点 a时 钟节 点 b时 钟ab假设节点假设节点a a在在u u时

47、刻向节点时刻向节点b b发送数据并记录此刻的时间发送数据并记录此刻的时间 ；在在v v时刻节点时刻节点b b收到数据，立即向节点收到数据，立即向节点a a发送此刻的时间发送此刻的时间 ；在在ww时刻节点时刻节点a a收到数据并记录时间收到数据并记录时间 。同时假定从。同时假定从a a到到b b的的通信时间和通信时间和b b到到a a的通信时间的期望值相同。即：的通信时间的期望值相同。即：则：则： 其中算子其中算子E E表示数学期望值。这样就可以估算出两个节点表示数学期望值。这样就可以估算出两个节点之间的由于起始点不同而造成的时钟偏差，从而达到各之间的由于起始点不同而造成的时钟偏差，从而达到各节

48、点之间的时钟同步。节点之间的时钟同步。 autbvtawtaubvauavabttttTbvawavawbattttT)()(baabTETE)22(awaubvtttE（2 2）时钟漂移的多时钟同步）时钟漂移的多时钟同步前面的时钟同步算法前提是各节点的时钟发生器没有漂移，振荡前面的时钟同步算法前提是各节点的时钟发生器没有漂移，振荡频率恒定。但实际的计算机时钟晶振一般都存在漂移。定义节点频率恒定。但实际的计算机时钟晶振一般都存在漂移。定义节点a a的时钟漂移率为的时钟漂移率为 ：其中，其中， 为节点为节点a a的时钟在的时钟在 （即（即 到到 时间增量）时间内的时间增量。时间增量）时间内的时间

49、增量。普通晶振的时钟漂移率为普通晶振的时钟漂移率为 。1 1小时的时钟误差为小时的时钟误差为 。高精度晶振的时钟漂移率为高精度晶振的时钟漂移率为 。在实际控制系统的设计中，。在实际控制系统的设计中，必须考虑这种误差到来的影响。如果这种影响是不可忽略的，前必须考虑这种误差到来的影响。如果这种影响是不可忽略的，前述的时钟同步算法则不再适用。假定节点述的时钟同步算法则不再适用。假定节点a a和节点和节点b b时间起始点相时间起始点相同，时钟漂移率不同。同，时钟漂移率不同。标准时间时钟值标准时钟节点b时钟节点a时钟节点a时间时钟值节点a时钟节点b时钟iiaijijaiajttttttttt)()(at

50、ititjt651010msms366 . 3981010设在设在i i时刻绝对时间为时刻绝对时间为 ；节点；节点a a的记时时间为的记时时间为 ，时间漂移率，时间漂移率为为 ；节点；节点b b的记时时间为的记时时间为 ，时间漂移率为，时间漂移率为 ，则：，则：将坐标平移，不失一般性可以得到以节点将坐标平移，不失一般性可以得到以节点a a时钟为基准的节点时钟为基准的节点b b的时钟表达式为：的时钟表达式为： ，其中，其中这样，只须辨识参数这样，只须辨识参数 就可以实现就可以实现a a、b b节点间的时钟同步。参节点间的时钟同步。参数的辨识可以通过一系列通信实验数据得到。假设节点数的辨识可以通过

51、一系列通信实验数据得到。假设节点a a在在u u时刻时刻 向向b b发送数据，经过网络通信的延时，节点发送数据，经过网络通信的延时，节点b b在在v v时时刻刻 接受到数据并立即向节点接受到数据并立即向节点a a发送确认数据，经过网络发送确认数据，经过网络通信的延时，节点通信的延时，节点a a在在ww时刻时刻 收到确认数据。这里，上收到确认数据。这里，上标标a a和和b b表示分别以表示分别以a a和和b b节点的时钟记时，节点的时钟记时，k k表示第表示第k k次实验。次实验。itaitabitbiaaitt)1 (ibbitt)1 (aibittab11nkaukt1)(nkbvkt1)(

52、nkawkt1)(假定节点假定节点a a和和b b之间通信时间的期望值是一定的，可以之间通信时间的期望值是一定的，可以得到以节点得到以节点a a的时钟为基准的的时钟为基准的a a和和b b之间通信时间之间通信时间 的估的估计值：计值：而而 ，则有：则有： 利用最小二乘法可以得到的估计值为：利用最小二乘法可以得到的估计值为：nkauawktktn1)()(21)()(ktktauav) )()(ktktaubvnkaunkbvauktktkt121) )()() )(（3 3）一般情况下的多时钟同步）一般情况下的多时钟同步在实际的网络控制系统中，存在上述两种情况的综合，既在实际的网络控制系统中，

53、存在上述两种情况的综合，既有节点之间的时间起始点的误差，也存在节点之间的时钟有节点之间的时间起始点的误差，也存在节点之间的时钟漂移率的不同。假定节点漂移率的不同。假定节点a a和节点和节点b b的时间起始点不同，时的时间起始点不同，时钟漂移率不同。钟漂移率不同。 标准时间时钟值标准时钟节点b时钟节点a时钟节点a时间时钟值节点a时钟节点b时钟i i时刻有：时刻有：以节点以节点a a的时钟为基准的节点的时钟为基准的节点b b的时钟表达式为：的时钟表达式为： 其中：其中： ，参数的辨识的方法和前面的方法相同。可以得到数据参数的辨识的方法和前面的方法相同。可以得到数据列列 、 、 ，含义与前面所述相同

54、。同样，含义与前面所述相同。同样首先可以得到以节点首先可以得到以节点a a的时钟为基准的的时钟为基准的a a和和b b之间通信时之间通信时间的估计值：间的估计值：则有：则有： aiaaitt)1 (bibbitt)1 (aibittabbb11ab11nkaukt1)(nkbvkt1)(nkawkt1)(nkauawktktn1)()(21) )()(ktktaubv记记 即：即： 利用最小二乘法得到估计值：利用最小二乘法得到估计值：这样在节点这样在节点a a的时间值和节点的时间值和节点b b的时间值可以相互转换，的时间值可以相互转换，从而达到节点间的时钟同步的目的。从而达到节点间的时钟同步的

55、目的。 TbvbvbvntttB)()2() 1 (1)(1)2(1) 1 (ntttAauauauBABAAATT1)(5、网络化控制系统模型网络控制系统是控制技术和网络通讯技术的融合，因而对网络控制系统是控制技术和网络通讯技术的融合，因而对它的分析设计也常常从控制和网络两个角度进行：它的分析设计也常常从控制和网络两个角度进行：从网络的角度设计一种通信协议，来减小网络时延、数据从网络的角度设计一种通信协议，来减小网络时延、数据丢失等这些问题对控制系统的影响；丢失等这些问题对控制系统的影响；从控制的角度，就是把现有的网络结构、协议等当作既定从控制的角度，就是把现有的网络结构、协议等当作既定条件

56、，在此基础上得到网络化控制系统的数学模型来进行条件，在此基础上得到网络化控制系统的数学模型来进行分析和设计，补偿或减少网络时延、数据丢失等问题对控分析和设计，补偿或减少网络时延、数据丢失等问题对控制系统的不良影响，得到满意的控制效果。制系统的不良影响，得到满意的控制效果。执行器控制对象传感器控制器cacsc通信网络网络化控制系统的节点的工作方式可以分为时间网络化控制系统的节点的工作方式可以分为时间驱动驱动( Time-Driven)( Time-Driven)和事件驱动和事件驱动(Event-Driven)(Event-Driven)两种。两种。所谓时间驱动的工作方式，是指节点在采样时钟所谓时

57、间驱动的工作方式，是指节点在采样时钟的作用下定时采样信号，然后进行发送。的作用下定时采样信号，然后进行发送。而事件驱动是指信号一到达节点，节点立即被激而事件驱动是指信号一到达节点，节点立即被激活，对数据进行处理和发送，即活，对数据进行处理和发送，即“信号到达信号到达”这这个事件个事件“驱动驱动”节点执行相应的动作，因此叫事节点执行相应的动作，因此叫事件驱动的工作方式。件驱动的工作方式。设设NCS NCS 中被控对象的连续状态方程为：中被控对象的连续状态方程为：根据节点不同的工作方式，根据节点不同的工作方式， 可以得到不同的系统可以得到不同的系统离散时间模型。离散时间模型。)()()()()(t

58、CxtytButAxtx为了对为了对NCSNCS进行建模，首先对系统作如下假设（每次取进行建模，首先对系统作如下假设（每次取其中的几条假设来建模）：其中的几条假设来建模）：（1 1）传感器节点采用时间驱动方式，对被控对象的输出）传感器节点采用时间驱动方式，对被控对象的输出进行等周期采样，采样周期为进行等周期采样，采样周期为h h ；（2 2）控制器节点采用时间驱动方式；）控制器节点采用时间驱动方式；（3 3）控制器节点采用事件驱动方式，）控制器节点采用事件驱动方式， 即信息的到达时即信息的到达时间即为相应节点的动作时间；间即为相应节点的动作时间；（4 4）执行器节点采用时间驱动方式；）执行器节

59、点采用时间驱动方式；（5 5）执行器节点采用事件驱动方式；）执行器节点采用事件驱动方式；（6 6）整个控制回路总的时间延迟）整个控制回路总的时间延迟( )( )满足满足 ，且，且k k为固定的或随机的；为固定的或随机的；（7 7）整个控制回路总的时间延迟）整个控制回路总的时间延迟 ， m 1m 1，且且k k 为固定或随机的。为固定或随机的。cakcksckkhk0mhk0基于假设基于假设(1)(1)、(3)(3)、(4)(4)、(6)(6)的的NCSNCS的各节点时序如下图的各节点时序如下图所示。所示。由此假设可得其离散时间模型为：由此假设可得其离散时间模型为：其中其中 ，) 1()() 1

60、(kukxkxAhehAtdtBe0传感器输出控制器输入执行器输出(k-1)hkh(k+1)h(k+2)h(k+3)hscca基于假设基于假设(1) (1) 、(3) (3) 、(5)(5)、 (6)(6) 的的NCS NCS 的各节点时序如下图的各节点时序如下图所示。所示。传感器输出控制器输入执行器输出(k-1)hkh(k+1)h(k+2)h(k+3)hscca由此假设可得其离散时间模型为：由此假设可得其离散时间模型为：其中其中 ， ， 对于上述离散时间模型：对于上述离散时间模型： 当当 为固定值时，即网络时延为固定值时，即网络时延固定时，固定时， 状态反馈矩阵状态反馈矩阵 可以通过设计合适