网络控制系统中的基本问题

P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二单元课文A网络控制系统中的基本问题

A网络控制系统中的基本问题1.课文内容简介：主要介绍《网络控制技术》中网络控制系统的定义、优点、网络控制带来的特殊问题—网络延时、通过通讯协议的特殊设计来解决网络延时的方法和单数据包与多重数据包传输、丢失网络数据包等问题。2.温习有关网络控制技术与设计方法方面的内容。3.生词与短语agilityn.

灵活，便捷jittern.抖（颤）动，颠簸destabilizev.

使打破平衡，使不稳定mediumaccesscontrol(MAC)

媒质访问控制CSMA/BA载波侦听多路访问/位仲裁CSMA/CD载波侦听多路访问/冲突检测isochronousn.

同步的，等时的P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二单元课文A网络控制系统中的基本问题4.难句翻译[1]EthernetemploysaCSMAwithcollisiondetection(CSMA/CD)protocol.Whenthereisacollision,alloftheaffectednodeswillbackoff,waitarandomtime(usuallydecidedbythebinaryexponentialback-offalgorithm),andretransmit,asshowninCase3ofFig.5-1A-2.以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三种情况。A网络控制系统中的基本问题控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统叫作网络控制系统。网络控制系统定义的特点是信息（参考输入、系统输出、控制输入等）是使用网络在控制系统组件（传感器、控制器、执行器等等）中进行交换。图5-2A-1给出了网络控制系统的典型结构和信息流。网络控制系统的主要优点是减少系统接线，易于系统诊断和维护，并增加系统灵活性。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二单元课文A网络控制系统中的基本问题

图5-2A-1典型网络控制系统配置和信息流在反馈回路中加入通讯网络使网络控制系统的分析和设计变得复杂。传统控制理论有许多理想的假设，比如同步控制、无信号检测延迟、无激励延迟等，在将它用于网络控制系统之前必须对其进行重新评估。特别要讨论下面几个问题。第一个问题是网络产生的延迟（传感器到控制器延迟和控制器到执行器延迟），当连接到公共介质上的装置交换数据时，这种延迟发生。这种延迟，或恒定（令人担忧）或随时间变化，会降低设计时没考虑这种延迟的控制系统的性能，甚至使系统不稳定。其次，网络可被看成由不可靠传输通道组成的一张网。一些数据包不仅有传输延迟，甚至会在传输过程中丢失。因此，必须考虑丢失的信息量对网络控制系统性能指标的影响程度。另一个问题是由于网络带宽和信息容量的限制，系统输出可采用多个网络数据包（所谓多重数据包传输）。由于网络平台对网络上其它节点的仲裁，可能性是全部/部分/没有信息包在控制运算时间内到达。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二单元课文A网络控制系统中的基本问题分布式控制可追溯到20世纪70年代初期，当时诞生了霍尼韦尔分布式控制系统（DCS）。分布式控制系统中的控制模块被松散地连接到一起，因为大部分实时控制任务（信号检测、计算、激励）在单独的模块中执行。仅仅开/关信号、监控信息、报警信息等通过串行网络进行传输。今天，借助于特定用途集成电路芯片设计和硅材料的大幅降价，传感器和执行机构都可安装网络接口，因此成为实时控制网络的独立节点。因此，在网络控制系统中，实时检测和控制数据通过网络进行传输，网络节点需要密切协作以完成控制任务。现用于网络控制系统的候选网络有DeviceNet、Ethernet和FireWire等有限几个网络。每个网络有自己为特定应用场合而设计的通讯协议。此外，网络控制系统的特性主要取决于网络本身的性能参数，这些参数包括传输速率，介质访问协议，数据包长度等。主要有两种方法来解决网络控制系统设计中碰到的这些问题。一种方法是在设计控制系统时不考虑数据包延迟和丢失的问题，而是设计一个使这些事件发生的可能性最小化的通讯协议。例如，当网络交通超过网络管理的极限时，已提出各种堵塞控制和避路算法以获得更好的性能。另一种方法是将网络协议和交通作为已知条件，设计详细考虑上述问题的控制策略。为了管理延迟，可以形成基于延迟微分方程研究的控制策略。这里我们讨论针对网络导致的延迟和数据包丢失的分析和设计策略。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二单元课文A网络控制系统中的基本问题现在，我们将分析网络控制系统中的一些基本问题，包括网络导致的延迟，系统输入和输出的单个数据包或多重数据包，网络数据包的丢失。网络导致的延迟在网络控制系统中当传感器、执行器和控制器通过网络交换数据时会发生网络导致的延迟。这种延迟会降低在设计时没有考虑这个问题的控制系统的性能降低，甚至会使系统不稳定。取决于控制网络介质访问控制协议，网络导致的延迟可以是常数，时变，甚至随机的。介质访问控制协议通常分为两种：随机访问和按时序访问。载波侦听多路访问在随机访问网络中用的最多，而令牌和分时多路访问通常用在按时序访问网络中。图5-2A-2随机存取网络上两个节点的时序图使用载波侦听多路访问协议的控制网络包括DeviceNet和Ethernet。图5-2A-2给出了这种网络各种可能出现的情况。图形描述了连续传递信息（具有固定时间顺序）的两个节点。在载波侦听多路访问网络上的节点在每次传递信息前监视网络情况。当网络时空闲的，它马上开始传递信息，如图5-2A-2中的情况1所示。否则节点在网络空闲前一直等待。当两个以上节点要同时传递信息时，会发生网络冲突。解决冲突的方法依赖于网络协议。DeviceNet是一种控制器局域网，它使用带有位智能仲裁的载波侦听多路访问协议。由于控制器局域网的信息是划分优先次序的，当传递冲突发生时，具有最高优先级别的信息继续传递，而优先级别较低的信息的传递被中断，当网络空闲时再传递，如图5-2A-2中的情况2所示。使用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议。以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三种情况。这些类型网络上的数据包受到随机延时的影响，在最坏情况下数据包的传递时间是无法限定在某一时间范围内，因此，CSMA网络通常是一种不确定性网络。但是，如果网络信息被划分优先次序，最高优先级别的信息有更好的机会及时传递信息。令牌传递协议出现在令牌总线（IEEE标准802.4）、令牌环（IEEE标准802.5）和光纤分布式数据接口MAC结构中，时分多址协议用于FireWire网络。这类网络的时序图如图5-2A-3所示。这些协议通过让网络的每一个节点按照预先确定好的时间表传递信息从而消除了对共享网络介质的争夺。在令牌总线中，令牌是绕着逻辑环传递，但是在令牌环中，令牌绕着物理环传递。在时序网络中，可以安排信息的周期性传递。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二单元课文A网络控制系统中的基本问题

图5-2A-3按时序访问网络中任一节点的时序图P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二单元课文A网络控制系统中的基本问题

例如，FireWire网络有一个可分成小时间空档的传递周期，在传递周期中保证每一个同步传递有一个时间空档进行传递。在时序网络中当等待令牌或时间空档时产生延时。当周期性地传递数据包时，等待令牌或时间空档的时间都是有限的。单数据包与多重数据包传输单数据包传输指的是传感器或执行器数据被集中在一个网络数据包中同时传输，而多重数据包传输中传感器或执行器数据由互相独立的多个数据包传输，这些数据包不可能同时到达控制器和系统。多重数据包传输的一个原因是由于数据包容量限制，分组交换网络在一个数据包中只能携带有限的信息。因此，大量数据必须分成多个数据包进行传递。另一个原因是网络控制系统中的传感器和执行器分布在巨大的物理空间内，不可能将数据放在一个网络数据包内。传统采样系统认为系统输出和控制输入是同时传递的，但对带有多重数据包传输的网络控制系统而言是不可能的。由于网络访问延时，控制器不可能在作控制运算的时间内收到所有更新的系统输出数据。不同的网络适合不同类型的数据传输。以太网，最初是为传递数据文件而设计的，最多一个数据包可容纳1,500个字节。因此，将传感器数据集中在一个数据包内进行传输对这种网络来说是更高效的。与以太网不同，以小容量控制数据频繁传输为特点的DeviceNet每个数据包最大容量为8个字节，因此传感器数据经常被装在DeviceNet上的不同数据包中。丢失网络数据包当出现节点失败或信息冲突时，网络控制系统偶尔会丢失网络数据包。虽然大部分网络协议都有重新传递机制，这些机制仅在有限的时间内有效。这段时间一过，数据包丢失。而且，对诸如传感器测量值、运算后的控制信号这些实时反馈控制数据而言，放弃那些旧的、未被传递的信息，传递新获得的数据包（如果可能）是有益的。用这样的方法，控制器总是得到用于控制计算的最新数据。通常反馈控制系统能容忍丢失一些数据，但确定仅以某一速率传递数据包时系统的稳定性和数据包传递速率的下限是非常有意义的。

P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性

B带网络延时的网络控制系统的稳定性1.课文内容简介：主要介绍《网络控制技术》中的带网络延时的网络控制系统的建模、小于一个采样周期的延时、长时间延时、积分器和一般标量系统的稳定区域分析等问题。2.温习离散控制系统关于采样周期、稳定性分析方面的内容。3.生词与短语clock-drivenadj.时钟驱动的event-drivenadj.事件驱动的lumpedadj.集总的piecewisecontinuous分段连续infeasibleadj.不可行的P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性4.难句翻译[1]wecanusethestabilitytriangletoexplicitlycalculatetherelationbetweenand.我们可以采用稳定三角形精确地计算出和之间的关系。[2]Itmaybeanalyticallyinfeasibletoderivetheexactstabilityregionforgeneralsystems;however,stabilityregionsforsuchsystemscanstillbedeterminedbysimulation.对于一般的系统不太可能推导出精确的稳定区域，然而却可以通过仿真的方法来确定。P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性5.参考译文

B带网络延时的网络控制系统的稳定性

带网络延时的网络控制系统的建模考虑网络延时的网络控制系统的模型如图5-2B-1所示。图5-2B-1带网络延时的网络控制系统模型模型由连续系统P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性和离散控制器组成。这些公式中，并且具有兼容的维数。有两种网络延时：传感器到控制器延时和控制器到执行器延时。不失问题的一般性可将控制器的各种运算延时归纳为或。对固定控制律（时不变控制器）而言，传感器到控制器延时和控制器到执行器延时可集中看作以便于分析。P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性我们讨论具有如下配置的系统：a)时钟驱动的传感器，它周期性地在采样时刻对系统输出采样；b)事件驱动的控制器，它由外部中断机制完成控制并且传感器数据一到即开始控制信号运算；c)事件驱动的执行器，它指的是一旦获得数据，系统输入即发生改变。（采样周期）时系统信号的时序如图5-2B-2所示。图5-2B-2网络延时图解P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性小于一个采样周期的延时首先考虑每一次采样延时时间小于采样周期的情况。这种情况意味着用得最多的两个控制信号和需要在采样周期内使用。系统方程可以写作公式中是分段连续的且仅在时刻数值发生改变。以周期对系统采样我们得到P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性公式中定义作为增广状态矢量，增广闭环系统为公式中如果延时是常数，即系统仍是时不变的，这就简化了系统分析。因此我们能想象静态时序安排网络协议，诸如令牌环或令牌总线，它能提供恒定的延时。即使在这种简化的系统分析中，下一个问题是，“系统能承受多大的延时？”P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性另一个问题是如果传感器发出的信息与时间有关则传感器到控制器的延时可以由预估器补偿。传统的一步预测估计能补偿小于一个采样周期的延时，因为的估计仅取决于的值。我们将在关于网络延时补偿的章节里再讨论这个问题。长时间延时当延时时间大于一个采样周期时（即，），系统在一个采样周期内可能接受零个、一个、大于一个（直到）控制信号。在对任意k值满足的特殊情况，当时，每一个采样周期可收到一个控制信号。在这种情况中，通过分析可得P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性公式中并且增广状态矢量为对更一般的情况而言，必须完成枯燥、单调的理论推导，甚至矩阵的结构都是时变的，因为它取决于所接受控制信号的时间序列。从传统观念上说，快速采样速率对采样系统是理想的以便于离散控制设计和性能指标与连续系统近似。但在网络控制系统中，快速采样速率会增加网络负载，反过来网络负载加大会导致信号更长时间的延时。因此在网络控制系统设计中找到既能承受网络延时又能取得预期系统性能指标的采样速率是非常重要的。绘制网络控制系统关于关于采样速率h、网络延时τ的稳定区域有助于了解这两个参数之间的关系。注意我们在这儿考虑的是常数延时，这点可通过采用合适的网络协议来实现。P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二单元课文B带网络延时的网络控制系统的稳定性积