网络化控制研讨

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1、网络化控制系统的讨论王勇智控 制 器执 行 机 构控 制 对 象传 感 器通 信 网 络网 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系统。成反馈控制的控制系统。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，产生或引发物质或能量的运动和转换，因此与一般的数据通信网络相比有或能量的运动和转换，因此

2、与一般的数据通信网络相比有起特殊的要求。起特殊的要求。（1 1）具有较好的响应实时性。控制网络不仅要求传输速）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

3、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。网络化控制系统的特殊问题 网络化控制系统（NCS）是一种通过控制网络连接形成闭环控制回路的控制系统。它适应了工业控制系统逐渐地向分散化、网络化、智能化的方向发展的趋势，具有低成本、低重量、低功耗、安装维护简单、可靠性高等诸多优势。网络化控制系统的特殊问题 上

4、图所示为NCS的典型结构和信息流。由于信息通过网络传递，控制网络给NCS带来了优势的同时，也导致了网络诱导时延和网络数据包出错、丢失或顺序混乱等现象，使NCS的数据同步性、定时性、完整性、确定性等可能丧失，因而导致了网络化控制系统的特殊问题，包括网络诱导时延、数据包丢失、通信调度、通道比特率受限等特殊问题。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，多用户共享通讯线路且流量变化不规则。当NCS NCS 的传的传感器、控

5、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，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。网络诱导时延的存在使得系统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。的分析变得非常复杂。NCSNCS中存在多种不同性质的时延中存在多种不同性质的时延(常数、有界、常数、有界、随机时变等随机时变等)。（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，而且也依赖于对共享而且也依赖于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，调度的

6、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有的优先权进行调度，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样时刻，以尽量避免网络中冲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，从而最大限度地减少数据的传输时延。突现象的发生，从而最大限度地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中的传感器、控制器的一个待发送数据被捆在一个数据包中一起发送。而多包传输是指被捆在一

7、个数据包中一起发送。而多包传输是指NCSNCS中的中的传感器、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。在包交换网络行传输。在包交换网络(packet-switched network)(packet-switched network)中一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，般要进行多包传输，一方面原因是单包字节大小的限制，一个数据包只能装载有限的信息；另一方面原因是一个数据包只能装载有限的信息；另一方面原因是NCS NCS 的的传感器和执行器常常分布在一个很大的物理空间，要将这传感器和执行器常常分布在一个很大的物理空

8、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控对象的输出和控制输入是同时传递的，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，而这在具有多包传输的而这在具有多包传输的NCS NCS 中不再成立。因为一个数据要中不再成立。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，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。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，在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且

9、路径不唯一，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，这又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有重新传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内传输，当超输的机制，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。因此在出这个时间后，数据也就会丢失。因此在NCS NCS 的设计中，的设计中，对数据包的丢失问题必须寻找相应的解决方法。对数据包的丢失问题必须寻找相应的

10、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。事件驱动相比于时钟驱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：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立即参加运算，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

11、驱动时的数据等待被采样的时间，客观上减少了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；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器和传感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，便存在一个时钟中，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。在同步问题。时钟同步又可分为硬件同步和软件同步。在NCSNCS中，由于中，由于系统的节点有可能分布在一个较大

12、的物理空间，用硬件同步一般比较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，一般是通过在网络上定时广播同步时困难，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。钟的方式实现。研究现状一.网络化状态估计研究现状二.面向网络诱导时延补偿的网络化控制系统 研究现状三.面向数据包丢失补偿的网络化控制系统研究现状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

13、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，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通信网络一.网络化状态估计研究现状 针对网络化

14、控制系统中存在的网络诱导时延和数据包丢失现象，分以下两方面：1.当前面向网络诱导时延补偿的网络化状态估计问题的研究主要考虑了采用确定性模型、随机时间离散化模型、网络诱导时延的随机统计特性、模型预测输出和等价控制器输出、输出通道切换等方式处理网络诱导时延的影响。2.当前面向数据包丢失补偿的网络化状态估计问题主要是基于数据包丢失概率或某种随机特性和基于减少测量值反馈的某种协议来研究的。二.面向网络诱导时延补偿的网络化控制系统研究现状 根据对网络诱导时延的处理方式不同，分为确定性方法、增广状态方法、随机时间离散化方法、增益调度与自适应参数整定方法、模型预测控制方法、摄动分析方法、基于跳变或切换系统的

15、控制方法、基于混杂系统的控制方法和基于随机辅助变量的控制方法十种情况。三.面向数据包丢失补偿的网络化控制系统研究现状主要考虑网络存在数据包丢失时的网络化控制和闭环系统稳定性问题。例如：D.Yue，Q.L.Han和C.Peng(2004)，D.Yue，Q.L.Han和J.Lam(2005)设计增益控制器能够同时补偿数据包丢失和网络诱导时延的影响。问题研究针对网络化控制系统中反馈通道和控制通道存在网络诱导时延和数据包丢失的现象，提出：1.基于预测思想的网络化状态估计算法，通过分析其性能具有明显的补偿效果，虽然随着网络诱导时延或数据包丢失的增长，预测估计偏差略微递增，但是为以下几种算法实现提供了状态估计方法。2.结合网络化预测状态估计算法，提出了补偿网络诱导时延和数据包丢失的网络化LQG最优控制算法。通过仿真和实验验证了算法的有效性和分析的正确性。问题研究3.基于多项式模型的网络化广义预测控制算法。算法采用最小预测步长补偿网络诱导时延和预测控制向量补偿数据包丢失。4.基于状态空间模型的网络化广义预测控制算法。5.提出一种改进的补偿网络诱导时延和数据包丢失的网络化时滞相关镇定方法。参考文献1 唐斌 网络化控制系统的若干控制问题研究D，2008,(09).2戴航 慕德俊 网络化工业控制系统的研究进展J测控技术,2008,(01).谢谢