（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的时延补偿与控制器设计.pdf

华北电力人学硕十! 学佗论文摘要 摘要 随着计算机技术的发展，控制系统与网络通信系统的集成成为控制网络技术研 究的热点，为此提出了网络控制系统( n c s ) 。本文介绍了网络控制系统的工业背 景和研究现状，重点介绍了网络时延问题的研究进展。分析了网络控制系统的时延 产生原因及特性，根据采样时间的不同和驱动方式的不同进行了建模分析。根据不 同的模型分析了固定时延、随机时延的补偿控制器设计。本文重点介绍了针对不确 定时延采用f u z z y p i d 控制器的设计和仿真研究。在最后，介绍了一种m a t l a b 坏境下 的实时控制系统仿真工具箱t r u e t i m e ，给出了具有时延特征的网络控制系统的控制 仿真结果。 关键词：网络控制系统，网络时延，时延补偿，f u z z y p i d 控制器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s o m ec 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 n d i r e c t e dt ot h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m sa n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc o n t r o ls y s t e m s o n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) i sp r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n da n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，a n df o c u s e so nt h ep r o g r e s so fn e t w o r k d e l a y t h ec a u s e sa n d t h ec h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r k i n d u c e dd e l a ya r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n to fs a m p l i n gt i m ea n dd r i v ew a y , m o d e li sb u i l ta n da n a l y z e d d e p e n d i n go nt h e d i f f e r e n tm o d e l s ，t h ec o n t r o l l e rw i t ht h ec o m p e n s a t i o na b o u tt h ef i x e dt i m ed e l a ya n dr a n d o m d e l a yc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d t h i sp a p e rf o c u s e so nu s i n gf u z z y p i dc o n t r o l l e ra g a i n s t u n c e r t a i n t yd e l a yt od e s i g na n ds i m u l a t i o nt e s t i n g i nc o n c l u s i o n ，s i m u l i n kt o o l b o x ，n a m e db y t r u e t i m e ，b a s e do nm a t l a bh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e n c ss i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n l i uj i a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f m ay o n g g u a n g k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，n e t w o r k i n d u c e dd e l a y ，d e l a y c o m p e n s a t i o n ，f u z z y p i dc o n t r o l l e r 华北电力人学硕十! 学佗论文摘要 摘要 随着计算机技术的发展，控制系统与网络通信系统的集成成为控制网络技术研 究的热点，为此提出了网络控制系统( n c s ) 。本文介绍了网络控制系统的工业背 景和研究现状，重点介绍了网络时延问题的研究进展。分析了网络控制系统的时延 产生原因及特性，根据采样时间的不同和驱动方式的不同进行了建模分析。根据不 同的模型分析了固定时延、随机时延的补偿控制器设计。本文重点介绍了针对不确 定时延采用f u z z y p i d 控制器的设计和仿真研究。在最后，介绍了一种m a t l a b 环境下 的实时控制系统仿真工具箱t r u e t i m e ，给出了具有时延特征的网络控制系统的控制 仿真结果。 关键词：网络控制系统，网络时延，时延补偿，f u z z y p i d 控制器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s o m ec 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 n d i r e c t e dt ot h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m sa n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc o n t r o ls y s t e m s o n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) i sp r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n da n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，a n df o c u s e so nt h ep r o g r e s so fn e t w o r k d e l a y t h ec a u s e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r k i n d u c e dd e l a ya r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n to fs a m p l i n gt i m ea n dd r i v ew a y , m o d e li sb u i l ta n da n a l y z e d d e p e n d i n go nt h e d i f f e r e n tm o d e l s ，t h ec o n t r o l l e rw i t ht h ec o m p e n s a t i o na b o u tt h ef i x e dt i m ed e l a ya n dr a n d o m d e l a yc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d t h i sp a p e rf o c u s e so nu s i n gf u z z y p i dc o n t r o l l e ra g a i n s t u n c e r t a i n t yd e l a yt od e s i g na n ds i m u l a t i o nt e s t i n g i nc o n c l u s i o n ，s i m u l i n kt o o l b o x ，n a m e db y t r u e t i m e ，b a s e do nm a t l a bh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e n c ss i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n l i uj i a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f m ay o n g g u a n g k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ，n e t w o r k i n d u c e dd e l a y ，d e l a y c o m p e n s a t i o n ，f u z z y p i dc o n t r o l l e r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文网络控制系统的时延补偿与控制器设 计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：勃垒日期：趔星z ：! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：舀建 导师签名： 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 网络控制系统的发展与基本概念 随着控制、计算机、通信网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从 工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至 世界各地的市场，因此迫切要求工业自动化水平也提高到了一个崭新的高度。从历 史上看，传统控制系统的通讯方式是点对点的，包括早期的d c s ，目前这种方式已 经越来越不能适应某些新的需求，比如模块化、集散分布、综合诊断、快捷方便的 维护及低成本化等。从整体上看，计算机控制系统己呈现出向网络化、集成化、节 点智能化、分布化的发展趋势。现场总线控制系统和工业以太网，顺应了这一趋势， 是完全网络化、分布化的控制系统。 1 1 1 计算机控制系统的发展 计算机控制系统发展至今先后主要经历了以下几个阶段：传统的集中式控制系 统、集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 、以及基于以太网的控制系 统的广泛研究。 传统的集中式控制系统一般采用一个中央控制单元( c p u ) 完成控制计算、信 息处理等所有工作，控制器和对象之间的连接采用的是点对点的连接方式，其典型 结构如图1 1 。 图1 1集中式控制系统示意图 随着现场采集信息量的增加，集中式控制对中央控制单元的硬件性能要求越来 越高，软件编程也越来越复杂。因此，产生了集散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，d c s ) 来代替集中式控制系统，如图l - 2 所示。 华北电力人学硕十学位论文 图1 - 2d c s 不意图 d c s ，又称分布或分散控制系统，它以微处理机为核心，实现地理上和功能上 的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和 操作，并实现复杂的控制和优化。d c s 的设计原则是分散控制，集中操作，分级管 理，分而自治和综合协调。对各个现场设备的任务由现场级的控制单元( p l c ，单 片机等) 完成，总体的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完成，从而 实现了控制功能和管理信息的分离。虽然提高了系统的可靠性和灵活性，但集散控 制系统和集中式控制系统都有一些共同的缺点，就是随着现场设备的增加，系统复 杂，成本大大提高，以及系统的抗干扰性、灵活性不够、扩展不方便等【l 】。为了从 根本上解决这些问题，新型的分布式控制系统一一现场总线控制系统( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m s ，f c s ) 应运而生，如图1 3 所示。 图l 一3f c s 不意图 目前现场总线的主要种类有：基金会现场总线f f ；p r o f i b u s ；w o r l d f i p ； c o n t r o l n e t d e v i v e n e tc a n 。 与传统的d c s 相比，f c s 具有如下些技术特点【2 】： ( 1 ) f c s 是现场通信网络：把通信线路直延伸到生产现场中的生产设备， 构成用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互联的现场通信网络。实现了 2 华北电力大学硕士学位论文 全数字化传输，极大地提高了信号转换的精度和可靠性，有效地避免了模拟信号在 传输过程中存在的信号衰减、精度下降和信号干扰等问题。 ( 2 ) f c s 能进行现场设备互连：传感器、变送器、执行器的等设备在现场总 线系统中已成为由微处理机为控制核心的智能设备，可以通过一对双绞线、同轴电 缆、光纤、或电源线互连，具有较强的抗干扰能力。 ( 3 ) f c s 具有良好的互操作性：实现“即插即用，并且用户可以对不同品牌 的现场设备进行统一组态，构成所需要的控制回路。 ( 4 ) f c s 具有分散的功能块，便于用户组态：将功能块分散到多台现场仪表 中并进行统一组态，有助于用户根据需要灵活的选用各功能块，构成需要的控制回 路，实现彻底的分散控制。 ( 5 ) f c s 具有开放式互联网络，可以与同类型的网络互联：既可以与同层网 络互联又可以与不同层网络互联，既可以实现企业内部的网络互联又可以与企业外 部的网络互联。 ( 6 ) f c s 对现场环境的适应性强。 由上可见，控制系统随着计算机的应用发展，现场设备的智能化、数字化发展， 也在不断的提高自身对现场的适应力和可靠性，使得控制系统更加网络化、集成化、 分布化。 1 1 2 网络控制系统的描述 随着控制系统规模的日益扩大，越来越多的控制系统采用分布式控制的方式。 分布式控制的形式多种多样，很多复杂的控制系统例如制造业设备、运输工具、机 器人等采用串行通讯网络作为监控计算机、控制器、现场传感器及执行器间信息和 控制信号的交换通道，这种通过串行通信网络实现闭环控制回路的控制系统被称为 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 ，n c s ) ，有的文献用综合通讯和控制系统 ( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l s y s t e m s ，i c c s ) 或者基于网络的控制系统 ( n e t w o r k b a s e dc o n t r o ls y s t e m s ) 来称呼具有这种结构的控制系统【3 】。 “n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s 最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g c w a l s h 的论 著中，但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在该系 统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控 制系统”：重庆大学的张结斌等用了“分布式控制网络系统这样的术语。 清华大学的顾洪军给出了明确的定义【4 】：网络控制系统( n c s ，n e t w o r kc o n t r o l s y s t e m s ) ，又称网络化的控制系统，即在网络环境下实现的控制系统。是指在各区 域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据 传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。其本质是信息 ( 参考输入、对象输出和控制输入等) 在控制系统各部件问( 传感器、控制器和执 3 华北电力人学硕十学位论文 行器等) 通过网络进行交换。n c s 典型的系统结构图如图1 - 4 所示。 图1 - 4n c s 不意图 n c s 中的网络是一个广义的范畴，包含了f c s 、工业以太网、无线通信网络、 甚至i n t e r n e t ，这也是与网络技术的发展相适应的。视其回路中所嵌入的网络结构的 不同可以将其分为广义网络控制系统和狭义网络控制系统。一般认为通过f c s 和工 业以太网组成的网络控制系统是狭义的网络控制系统，而由通过计算机网络比如计 算机广域网、i n t e r n e t 等网络组成的控制系统则被视为广义的网络控制系统。本文主 要针对狭义的网络控制系统进行研究和分析。 1 2 网络控制系统时延研究现状 工业控制网络不同于一般的计算机通信网络，它传递信息是以引起物质或能量 的运动为最终目的，分析的对象不再是孤立的控制过程，而是整个网络控制系统的 稳定性、调度管理和鲁棒性问题等。其通信网络特别强调实时性、可靠性、稳定性 【5 】。实时性向来是控制系统面临的重要问题，由于连接到通讯介质上的每个设备都 是一个信息源，而通讯介质是分时复用的，待发送信息只有等到网络空闲时才能被 发送出去，这就不可避免地导致了传输延迟的发生。而闭环控制系统是通过网络形 成闭环的，相应地就把延迟环节引入到这些系统。不但会降低系统的控制性能，而 且还是引起系统不稳定的一个潜在因素【6 】。因此，在研究n c s 存在的许多新问题时， 如：网络诱导的时延、网络调度、数据包的多包传输及丢失等，主要还是集中在对 n c s 的时延补偿这个热点问题上。 1 2 1 n c $ 的数学模型的建立 目前，n c s 的建模是n c s 分析、仿真和设计的基础，因此n c s 的建模问题在n c s 的研究中具有重要意义虽然n c s 的概念早已被提出并取得了一系列成果，但其建 模问题依然没有很好地解决。以下为几种有条件的模型建立： 针对n c s 的建模问题，h a l e v i 和r a y 考虑了传感器控制器和控制器执行器单时 延的情况，而且在传感器和控制器的采样时刻之间只有一个时问差。他们用增广状 4 华北电力大学硕十学位论文 态把过去的延迟信号也包括进来，导出一个闭环模型【7 】【8 1 。 l i a nf e n g l i 推导出一个离散的多输入多输出n c s 模型，在该模型中，有分布式 通信延迟。此外，为了得到传感器和控制器之间真实的时间延迟，还表征了分布式 传感器的异步采样机制。但是，在该模型中，所有的延迟都是定界在一个采样周期 之内的，而且并没有考虑数据丢失的情况【9 1 。 朱其新、胡寿松在考虑系统噪声、控制器的动态特性及输出反馈的情况下建立 了多包传输、单保传输有数据包丢失、多包传输有数据包丢失时n c s 的离散随机模 型的统一建模方法【l o 】。 樊卫华等讨论了同时存在传输延时和数据包丢失的n c s 建模问题，并借助a d s 的一些结论，讨论了n c s 的稳定性，给出具有典型双线形矩阵不等式的结论，但是 他们既没有考虑控制器执行器之间的延迟，也没有考虑不同的节点的分布式异步多 时延情况【1 1 】。 以往的建模方法都有一个共同的局限性，即基本上都针对网络时延不超过一个 采样周期的情况来研究的。近年来人们开始逐步涉及时延大于一个采样周期时n c s 的建模并取得一定的成果。从目前研究情况看，网络控制系统的建模逐渐从单变量 到多变量，从确定性到不确定性发展，但是这只是一个开端。 1 2 2n c s 控制器设计方法 现阶段根据以上不同的模型，分析和设计网络控制器逐渐由单变量到多变量、 由确定到随机、由经典控制理论到智能控制理论和高级控制算法发展。目前所采用 的网络控制系统的控制器设计方法主要有：确定性控制设计方法、随机控制设计方 法、智能控制方法、鲁棒控制设计方法。 1 2 2 1 确定性控制设计方法 应用确定性设计方法应首先将随机时变延迟通过在控制器和执行器之间设置 缓冲区转化为固定延迟，然后针对转化后的固定延迟设计控制器。 r o g e l i o 针对模型( 时间驱动) 提出了基于观测器的分布延迟补偿器【1 2 】。在该补偿 器算法中，首先在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区，将时变的传输延迟转化 为固定的传输延迟。其优点是可用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控 制系统进行设计和分析，不受延迟特性变化的影响；其缺点是将所有延迟都转化为 最大延迟，人为地将传输延迟扩大化，因此降低了系统应有的控制性能。对于具有 随机传输延迟的闭环控制系统，若按最大传输延迟来设计控制器，则所得闭环控制 系统不一定稳定。 熊远生，俞立，徐建明将时问延迟的不确定性通过引入一个信息接收缓冲区来 实现时间延迟的确定化的基础上，将滑模变结构控制和预估控制的方法引入控制器 的设计中，得出的结果的时间延迟可以大于一个采样周期【1 3 】【1 4 】。 s 华北电力大学硕十学位论文 1 2 2 2 随机控制设计方法 应用随机控制的方法关键在于对网络延时的合理建模和估计，可假设时延符合 某种统计规律并且是相互独立的，从概率分布的角度将网络延时作为系统中的随机 变量或随机过程，设计随机最优控制律。 r a y 对随机时变分布延迟下的输出反馈时延网络系统进行研究，基于最小方差 滤波器和动态规划原理，得到了具有随机延迟补偿的l q r 控制器( d c l q r ) ，但不满 足确定性等价原理【1 5 】。 于之训对控制器是事件驱动的，在第k 步传感器到控制器之间延迟未知的情况 下，基于动态规划和最优控制理论，得出了使系统均方指数稳定的控制律【i6 1 。针对 控制网络中的随机传输延迟，提出控制器节点采用事件驱动的方式，同时在传感器 和控制器节点发送端设置发送缓冲区，以确保信息按产生的时间先后依次到达接收 端，采用这种控制模式，利用传输延迟的m a r k o v 特性，得到了具有多步随机传输延 迟的网络控制系统的数学模型。并得到了满足给定二次型性能指标的最优控制律的 解析表达式，成功地解决了原来事件驱动模式下对这类网络控制系统无法获取其解 析随机控制律的难题【17 1 。 n i l l s o n 假设时延的概率分布已知，不超过一个采样周期，传感器采用事件驱动， 控制器和执行器采用事件驱动。并利用m a r k o v 链对时延的概率分布进行了建模，给 出了闭环网络系统的l q g 随机最优控制律，该控制律满足确定性等价原理【l 引。 w e iz h e n 针对网络时延分布未知的情况，改进了n i l s s o n 的l q g 控制律，提出时 延在线估计方法平均时延窗口( a d w ，a v e r a g ed e l a y sw i n d o w ) 方法。该方法无 需网络时钟同步和延时补偿，即可获得延时信息。并在l o k b i f f s 的c a n 总线上进行了 实验研究【”】。 w e iz h a n g 针对网络控制系统中普遍存在的通讯延迟问题，对于控制器是时间驱 动的，利用在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区的方法，提出了一种延迟补偿 器结构，该结构可同时实现对噪声的滤波处理【2 0 1 。 l i a nf e n g l i 针对m i m o 网络控制系统进行了时延分析和建模，并设计了最优控 制器【引。 1 2 2 3 智能控制设计方法 确定性控制方法和随机性控制方法都是基于时延和被控对象的精确数学模型 之上的，而在实际的n c s 中往往存在着诸多的不确定性，而智能控制对解决变化的 问题和情况具有较好的适应能力，因此目前多采用智能控制策略来解决时延不确定 和时延补偿问题，以提高系统的鲁棒性。 k y u n gc h a n g 针对基于p r o 舶u s d p 的网络控制系统，在考虑传输迟延的基础 上，设计了基于遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 对p i d 参数进行整定的控制器，并对马 达的控制进行了实验研究【2 1 1 。 6 华北电力大学硕士学位论文 s u kl e e 乖l j 用模糊( f u z z y ) 控制鲁棒性较好的特性，设计了基于模糊逻辑的控制 器，并与传统的p i d 控制器和时延补偿p i d 控制器进行了比较，说明了模糊控制的效 果优于传统控制方法【2 2 1 。 a l m u t a i r i 研究了基于l p 网络的控制系统，利用对网络延时的补偿来提高系统的 性能。首先利用f u z z v 理论设计了模糊补偿器，直接对p i 控制器的参数进行整定，并 给出了离线和在线的整定算法。进一步又考虑对模糊规则参数的自适应调整，并对 马达进行了仿真实验【2 3 1 。 任长清对基于互联网的液压远程控制进行了研究，为了解决不确定性变化的网 络延时对系统性能的影响，在系统中设计了补偿器结构解决网络延时问题，同时采 用延时预测算法解决网络延时不确定性变化的问题，以改善系统的动态性能和保持 系统的稳定性【2 4 1 。 王晓峰研究了基于t c p i p 网络的远程伺服控制系统，提出的动态模糊控制器可 按网络中不断变化的传输延时，根据最佳参数库不断调整其控制参数，使系统保持 稳定并使输出达到一定的性能指标要求【2 5 1 。 近两年在已有成果上学者们继续研究应用遗传算法【2 6 1 、模糊控制【2 7 1 、预测控制 【2 8 】对网络控制系统时延控制设计。 1 2 2 4 1 棒控制设计方法 鲁棒控制理论是针对实际工程中模型不确定性发展起来的，因此对于此类问题 可以直接应用鲁棒控制器的设计方法来解决。采用该方法的关键是要将时延环节转 化为系统的一个不确定块，同时可以考虑被控对象本身的不确定性，然后针对转化 后的系统设计鲁棒控制器【2 9 1 。这样设计出的控制器能同时保证n c s 的鲁棒稳定性和 鲁棒性能指标，该性能指标是确定性的性能指标，而不是概率意义上的性能指标。 由于n c s 实际为采样控制系统，所以其等价模型为离散形式的，要使用采样系统鲁 棒控制器的设计理论。当然，在系统的采样时间远小于系统的时间常数的情况下， 可以近似地将整个采样系统看作是一个准连续系统，这样做得出的结果可能比较保 守。 1 3 本文研究的出发点与主要工作 1 3 1 目的和意义 目前，n c s 中控制理论的研究大大落后于网络控制系统实际应用。网络控制系 统的出现发展推广应用给控制理论提出了严峻的挑战，针对控制理论的研究首次表 现出滞后于控制系统应用的现状，网络控制理论的研究刻不容缓。 华北电力人学硕十学位论文 1 3 2 研究内容 本文主要围绕网络性能的研究、网络引起时延的补偿、网络控制系统的仿真和 实验，进行了以下几方面的研究工作。 ( 1 ) 在介绍网络控制系统的产生背景、概念的基础上，着重介绍网络控制系 统存在的几个主要问题及近年来的研究进展。 ( 2 ) 研究了网络控制系统中，不同的驱动方式对网络控制系统性能产生的影 响。在网络时延分析的基础上，对事件驱动和时间驱动这两类网络控制系统的性能 进行了理论和仿真分析。 ( 3 ) 提出了一种基于模糊控制的时延补偿策略。 ( 4 ) 介绍t r u e t i m e 工具箱，并利用其进行仿真实验。 华北电力人学硕+ 学位论文 2 1 引言 第二章具有网络诱导时延的n c s 分析 网络控制系统是指在通信网络环境下，各种现场设备，如传感器、控制器、变 送器以及执行机构等连接在一起，互相联系、互相作用，共同构成一个统一的整体， 协同完成控制功能。由于网络控制系统中传感器、控制器、执行器都通过共同的通 信介质相连，各设备间可以实现点对点的信息传递，但是，通信网络是分时复用的， 在同一时刻，只能有一个设备能够发送信息。待发送信息只有等到网络空闲时才能 发送出去。现实中控制网络的带宽和承载能力有限，同时网络控制系统中设备较多， 通过通信网络传送的信息量很大，因此，信息的冲撞、重发现象经常发生，使信息 在传输过程中不可避免地存在时延。从闭环控制的角度看，网络控制系统中的控制 器、执行器、被控对象、传感器是通过通信网络实现闭环的，因此网络控制系统的 结构图可以表示为图2 1 。 y 图2 一l 闭环网络控制系统结构图 图中，乇表示控制器到执行器的网络时延，t ，表示传感器到控制器的网络时延。 网络控制系统中，被控对象一般都是现实中的物理对象，它的输入和输出都是模拟 量，可以用连续时间状态方程或传递函数来描述，而控制器算法一般由计算机程序 来实现，可以用离散时间状态方程或脉冲传递函数来描述。考虑到传感器节点将被 控对象的模拟量输出转换成数字量，而执行器节点却将通信网络传输来的控制器数 字量控制信号转换成模拟信号，网络控制系统的结构图可表示为图2 2 。 ry ， u 簟 执行器叶 一一j o 蕊i “ 图2 - 2 网络控制系统结构图 从图2 2 可以看出，网络控制系统是一个计算机采样控制系统【30 1 ，由于前向通道 9 华北电力人学硕十学位论文 和反馈通道中都有和网络延迟有关的纯滞后环节，因此控制系统的建模、分析和设 计都是非常困难的。 2 2 网络控制系统的采样技术 网络控制系统本质是一个具有纯滞后环节的计算机采样控制系统，因此，计算 机采样控制系统中的采样技术都可用于网络控制系统中。 2 2 1 同步采样和非同步采样 2 2 1 1 同步采样( s y n c h r o n o u ss a m p ii n gm e c h a n i s m s ) 同步采样就是网络控制系统中的所有采样开关都等周期同时开闭。图2 3 是网络 控制系统中传感器节点、控制器节点、执行器节点都采用同步采样工作方式的采样 开关动作时序图。 传感器节 控制器节 执行器节 图2 - 3 同步采样工作方式下采样开关动作时序图 2 2 1 2 非同步采样( a s y n c h r o n o u ss a m p ii n gm e c h a n i s m s ) 非同步采样就是网络控制系统中所有采样开关等周期但不同时闭合。图2 4 是网 络控制系统中r 个传感器节点采用非同步采样工作方式，而控制器节点和执行器节点 采用同步采样工作方式的采样开关动作时序图。 r 个传感器节 控制器节 执行器节 图2 _ 4r 个传感器节点采用非同步采样的采样开关动作时序图 l o 华北电力人学硕十学位论文 2 2 2 时间驱动方式和事件驱动方式 下面以控制器节点为例说明时间驱动工作方式和事件驱动工作方式。 2 2 2 1 时间驱动方式 时间驱动( t i m e d r i v e n ) t 作方式，是指控制器节点在采样时钟的作用下定时采 样传感器测量信号，根据相应的控制器算法计算控制量，然后通过控制网络将控制 量传送给相应的执行器。 图2 5 是时间驱动方式下网络控制系统中信息传输时序图。 传感器节 控制器节 执行器节 、 、 心、 、 、 、 p 、 七一3七一2七 j：k 1 k 一2 图2 5 控制器节点在时间驱动方式下n c s 中信息传输时序图 时间驱动方式下，控制器节点会出现信息丢弃( m e s s a g er e j e c t i o n ) 和空采样 ( v a c a n ts a m p l i n g ) 。由于传感器节点到控制器节点的网络时延”是时变的，控制器 有可能使用前一个或者前几个采样周期的传感器测量数据。控制器工作在时间驱动 方式下，只在固定的时间间隔上执行控制程序，计算控制量，因此当一个采样周期 内有两个或者多个传感器测量数据到达控制器节点时，只有最近采样的传感器数据 被控制器接受，用于计算控制量，这种现象称为信息丢弃。图2 5 中，控制器在第k + 2 采样周期发生信息丢弃，控制器采用第k + l 周期传感器的测量数据计算控制量，而 第k 周期的传感器数据却被丢弃。 另一方面，当控制器节点在一个采样周期内没有得到新的传感器数据，只能使 用过去的传感器数据计算控制量，这种现象称为空采样。图2 5 中，控制器节点在第 k 采样周期发生空采样，仍然利用第k + 2 周期传感器数据计算控制量，也就是说，第 k 采样周期控制器计算出来的控制量与第k + l 周期相同。 2 2 2 2 事件驱动方式 事件驱动( e v e n t d r i v e n ) 方式是指传感器的测量信号经控制网络到达控制器，控 制器立即根据此最新的数据计算控制量，然后传送给执行器。也就是说“传感器测 量值到达”这一事件触发控制器执行相应的控制程序计算相应的控制量，事件驱动 方式由此得名。图2 - 6 是事件驱动方式下网络控制系统中信息传输时序图。 华北电力人学硕+ 学位论文 传感器节 控制器节 执行器节 、 、 、 。、 i i )r1 1r 1r 夕 、 、 )，)夕夕 f 2岛 f 4 岛 3 七2 k1l kt - 1k 2七 图2 - 6 控制器节点在事件驱动方式下n c s 中信息传输时序图 由图2 6 n - - j 以看出，f 2 ，岛，f 5 是控制器启动控制程序计算控制量时刻。 2 2 3 多速率采样 多速率采样就是网络控制系统中传感器节点、控制器节点和执行器节点以不同 周期采样输入信号。图2 7 表示了网络控制系统中的多速率采样。 由图2 7 可以看出，传感器节点和控制器节点采用时间驱动工作方式，而执行器 节点采用事件驱动工作方式，并且传感器节点的采样周期z 与控制器节点的采样周 期之间满足= 3 r 。控制器在第 采样周期采用传感器在最周期采样的数据计, k + l 算控制量而将s 周期传感器数据丢弃。 传感器节点 控制器节点 执行器节点 被控对象输 j ；一 s ：s ：0 3 下j r6 f ) i ii ii i 。、。、y i j 、 五手j ，、k+ 2 、 jt u ( t ) u k i u k + i - l 一 ， 图2 7 网络控制系统中的多速率采样 2 8 控制网络与网络控制系统的时延分析 控制网络不同于一般的计算机网络， 求的不同，决定了时延产生的机理不同。 由于它本身的结构特点与工业生产对其要 因此，还需研究控制网络的特点。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 控制网络 控制网络技术源于计算机网络技术，与一般的信息网络有很多共同点，但又有 不同之处和独特的地方。由于工业控制系统特别强调可靠性和实时性，所以，应用 于测量与控制的数据通信不同于一般电信网的通信，也不同于信息技术中一般计算 机网络的通信。 控制网络与信息网络的具体不同如下【3 1 】： ( 1 ) 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的 要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为0 o l o 5 s ，制造自动化系统的响 应时间要求为0 5 2 o s ，信息网络的响应时间要求为2 0 6 0 s 。在信息网络的大部分 使用中实时性是可以忽略的。 ( 2 ) 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。控制网络应具 有在高温、潮湿、振动、腐蚀，特别是电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、 完整的传送数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和剑锋干扰。在可燃和易爆 场合，控制网络还应具有本质安全性能。 ( 3 ) 在企业自动化系统中，由于分散的单一用户可借助控制网络进入某个系 统，通信方式多使用广播或组播方式；在信息网络中某个自助系统与另一个自助系 统一般都建立一对一通信方式。 ( 4 ) 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容，即互操 作性问题。 工业控制网络是工业企业综合自动化系统的基础，现代制造系统的典型网络结 构可分为三个层次，即信息管理层、过程监控层和现场设备层【3 2 】，如图2 8 所示。 图2 8 现代制造系统的典型网络结构 ( 1 ) 信息管理层网络：主要用于企业的计划、销售、生产、库存以及企业经 营等方面信息的传输，在信息管理层上传输的信息般都是非实时性的，并且数据 包较大，信息传输频率较低。数据通信的发起是随机的、无规则的，数据吞吐量较 大，因此要求网络必须具有较大的带宽。信息管理层网络主要由以太网组成。 华北电力人学硕十学位论文 ( 2 ) 过程监控层网络：主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库，进行 先进控制和优化计算，以及传输更新现场设备的工作配置信息或命令。过程监控层 网络上传输的信息具有周期性、实时性特点。过程监控层网络上传输的实时信息出 现较大延时或丢失时就会导致多个设备不能协调工作。一般由令牌网和以太网组 成。 ( 3 ) 现场设备层网络：主要用于控制系统中大量现场设备之间的测量与控制 信息以及其它一些信息( 例如状态信息、故障信息等) 的传输。传感器、控制器和执 行器通过现场设备层网络相连。传输的信息具有周期性和实时性，数据的长度较小 但传输的频率较高。对网络传输的吞吐量要求不高，但通信响应的实时性和确定性 要求较高。现场设备层网络上传输的信息如果出现延时或丢失现象就会降低控制系 统的性能甚至使控制系统不稳定。现场设备层网络一般由现场总线例如c a n 总线组 成。 这三层网络可以通过网关或网桥相连，由于在它们上面传输的信息具有不同的 特征，因此这三层网络应该独立组成。 在总线或环形拓扑中，网上设备共享传输线路。为了解决同一时间有几个设备 争用传输介质的问题，需要某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺 序，在设备之间交换数据。媒体访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 m a c ) 负责对媒 体的访问以及通信的可靠性和通信质量，因此对信息的传输时间有很大的影响。由 此可见，网络控制系统中的时延受到网络所采用的通信协议、网络当时的负载情况、 网络的传输速率和数据包的大小等因素的影响。下面从媒体访问控制方式的角度比 较以太网、控制网和c a n 总线三种控制网络。 2 3 1 1 以太网( e t h e r n e t ) 以太网【3 3 】采用载波监听多路访问冲突检澳= j ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n c s m a c d ) 的介质访问控制方式。其基本工作原理是：当某节点 要发送报文时，首先监听网络，如果网络忙，则等到其空闲时为止，否则将立即发 送；如果两个或更多个节点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将 发生冲突，因此每个节点在发送时，还必须监听网络。当检测到两个或多个报文发 生碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。该随机时 间由标准二进制指数补偿算法确定。重发的时间在u 二- l j 之间的时间片中随机选 择( 此处l 代表被节点检测到的第f 次碰撞事件) ，一个时间片尾重发循环所需的最 小时间。但是，在1 0 次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片( 即1 0 2 3 ) 上， 1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器报告失败信息。 有3 种c s m a 坚持退避算法： ( 1 ) 不坚持c s m a ：假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则等待一 段随机时间，重复第一步。 1 4 华北电力人学硕十学位论文 ( 2 ) 为l 坚持c s m a ：即如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则继续 侦听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一 步。 ( 3 ) 为p 坚持c s m a ：假如介质空闲，则以p 的概率发送，或以卜p 的概率随机 延迟一个时间单位后再听，这个时间单位等于最大的传播延迟；假如介质是忙的， 则继续监听知道介质空闲，重复第一步。 可见，c s m a c d 是一种随机性通信协议，通信延时是随机的，并且可能无界。 但是，在网络负载较低时，几乎没有网络传输延时。 网络负荷较高时，以太网上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它极大的影响 了以太网的数据吞吐量和传输延时，并导致以太网实际性能的下降。由于一系列碰 撞后，报文可能丢失，因此，节点与节点之间的通信将无法得到保障。就是说，以 太网的这种c s m c d 介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性 【3 4 】 o 2 3 1 2 控制网( c o n t r o l n e t ) 控制网【3 5 】采用令牌传递总线( t o k e n p a s s i n gb u s ) 的介质访问控制方式。此方式 采用总线网络拓扑结构，网络上的节点按定的顺序形成一个逻辑环，每个节点在 环中均有一个指定的