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网络控制系统时延分析与补偿 学科：控制理论与控制工程 研究生签字：露矽 指导教师签字；岛篙 摘要 网络控制系统是现代控制系统发展的最新阶段，是当今控制理论界研究的热点，研 究它具有重要的意义。本文在引出了网络控制系统概念的基础上，简要回顾了网络控制系 统的发展和网络控制系统的一般性能特征，随后介绍了网络控制系统的基本问题以及现有 的时延补偿方法。在介绍了以上概念的基础上分析了网络时延产生与分类，着重论述了网 络时延的组成和数据传输技术。在阐明了网络控制系统稳定性与网络时延和采样率的关系 后，仿真了时延对网络控制系统的影响，仿真结果表明时延对网络控制系统阶跃响应的性 能指标有很大影响，严重时甚至造成系统不稳定。 由于时延对网络控制系统的性能指标影响严重，时延补偿就是解决方法之一。本文 在介绍了大林和史密斯两种时延补偿算法后，设计了基于网络控制系统史密斯时延预估器 并仿真了时延补偿的效果。仿真结果表明史密斯时延预估器对网络控制系统有着良好的补 偿效果。然后，详细研究了一种新的时延孙偿方法。这种算法通过插入中间件的方法使得 现有非基于网络时延设计的控制器能够在补偿网络时延的同时进行控制。它是基于增益调 度表算法通过引入的中间件来修改现有的控制器输出，以达到补偿时延和其它性能要求， 由于是在现有的控制器输出端进行修改，使得现有的控制器仍然能够使用，所以这种方法 能节省很多时间和投资费用。通过对比例积分控制器控制的直流电机进行仿真，结果表明 在存在网络延时的情况下，这种时延补偿方法能够有效的改善网络控制系统的性能。 本文最后对一个自动化立体仓库进行了硬件、软件和功能的总体设计，在设备层采 用了当前流行的工业以太网，并且解决了西门子$ 7 - - 2 0 0 p l c 的以太网接入问题，并分析 了在多主机条件下的时延补偿解决办法。最后，展望了网络控制系统的发展前景，指出今 后有待进一步研究的理论与应用问题。 关键词：网络控制系统，网络时延，补偿算法，增益调度表，立体仓库。 n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e md e l a ya n a l y z e da n dc o m p e n s a t e d d i s c i p l i n e ：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 s t u d e ms i 龃a 【u r e 厶励 s u p e r v i s o rs i g ：驴 a b s t r a c t t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi sn e ws t a g ed e v e l o p m e n to f m o d e mc o n t r o ls y s t e m ，n o w a d a y si t i st h ef o c u so f c o n t r o lt h e o r yc i r c l ea n di th a v ea ni m p o r t a n tm e a n i n gt os t u d yo ni t f i r s t l yt h e c o n c e p to f t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i st h e s i sa n dt h ed e v e l o p m e n to f t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma n dg e n e r a lp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co f t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e n r e v i e w e db r i e f l y s e c o n d l yr e c e n tr e s e a r c hp r o g r e s sa n df o u n d a t i o nq u e s t i o nh a v eb e e ni n t r o d u c e d o ni t t h e nt h ec o m p o n e n t sa n du n c e r t a i n t yo f t h en e t w o r kd e l a ya r ea n a l y z e d c o m b i n e dw i t l l d a t ac h a r a c t e r i s t i c s ，s e v e r a lk i n d so f d a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sc l o s e l yr e l a t e dw i t hd e l a y c h a r a c t e ra r ed i s c u s s e da n dt h et e c h n i q u ec o m p o s i t i o n so f t h eu s u a ln e t w o r kp r o t o c o l sa r e p r e s e n t e d a f t e rt h e r e l a t i o nw i ms a m p l i n gr a t eo f n e t w o r ka n dn e t w o r kc o n t r o ls y s t e ms t a b i l i t y h a sb e e ne x p o u n d e d ，p r o l o n gi m p a c to nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mw a se m u l a t e d ，e m u l a t i o nr e s u l t s h o wp r o l o n g i n gh a sh e a v yi n f l u e n c et on e t w o r kc o n t r o ls y s t e ms t e p sp e r f o r m a n c er e s p o n d e dt o j u m p ，e v e nc a u s e dt h es y s t e mt ob eu n s t a b l ew h e nb e i n gs e r i o u s s i n c et h e r ei ss e r i o u si n f l u e n c ei 1 1p e r f o r m a n c eo f n c si nd e l a y , c o m p e n s a t ei so n eo f t h e s o l u t i o n t h e nd a h l i nc o m p e n s a t i n ga l g o r i t h ms m i t hc o m p e n s a t i n ga l g o r i t h mh a v eb e e n i n t r o d u c e di nt h i st h e s i sa n dh o wt ou s et h e mi nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mt oc o m p e n s a t ed e l a y t h ee m u l a t i o nr e s u l ts h o ws m i t hc o m p e n s a t i n ga l g o r i t h mh a sag o o di n f l u e n c eo ni t t h e na n o v e lm e t h o d o l o g yt oe n a b l ee x i s t i n gc o n t r o l l e r sf o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb ym i d d l e w a r ei s i n t r o d u c e d t h ep r o p o s e dm e t h o d o l o g yu s e sm i d d l e w a r et om o d i f yt h eo u t p u to fa ne x i s t i n g c o n t r o l l e rb a s e do nag a i ns c h e d u l i n ga l g o r i t h mw i t hr e s p e c tt ot h ec u r r e n tn e t w o r kt r a l 王i c c o n d i t i o n s s i n c et h ee x i s t i n gc o n t r o l l e rc a ns t i l lb eu t i l i z e d ，t h i sa p p r o a c hc o u l ds a v em u c ht i m e a n di n v e s t m e n tc o s t ， t h e n ，ae x a m p l eo nh o wt od e s i g na na u t o m a t i cs t e r e o s c o p i cw a r e h o u s ea n dd e s i g nam e t h o dt o u s et h es 7 2 0 0p l co ne t h e m e t l a t e r , h o wt oa p p l yt h ed e l a yc o m p e n s a t et h e o r yo nt h i s a u t o m a t i cs t e r e o s c o p i cw a r e h o u s eh a v eb e e ng i v e ni nt h i st h e s i sf i n a l l y , t h ep r o s p e c to f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ma n ds o m ei s s u e st h a ts h o u l db es o l v e da r ep o i n t e do u ti nt h i st h e s i s k e y w o r d ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n o y o r kd e l a y , c o m p e n s a t i n ga l g o r i t h m ，g s m ，a u t o m a t i c s t e r e o s c o p i cw a r e h o u s e 1 绪论 1 1 研究的e l 的与意义 1 绪论 随着控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗透，控制系统结构越来 越复杂空间分布越来越广，对系统控制性能的要求也愈发提高。这给自动控制技术的发 展带来了新的机遇和挑战【l 】。控制系统正由封闭的集中体系加速向开放分布式体系发展， 从控制系统出现那时起就产生了控制信息交流和共享的问题。早期的控制系统采取的是一 种封闭的点对点结构，这同计算机技术发展早期相似，适应了早期控制系统的要求。进入 2 l 世纪，计算机技术特别是网络技术有了飞速的发展，此时控制系统网络化发展的脚步 也随着计算机网络的发展而加速，自动化与工业控制技术需要更深层次的渗透通信与网络 技术。一方面。现代工厂的智能设备如传感器、控制器、执行器等分布在不同的空间，其 间的通信需要数据通讯网络来实现。另一方面，通信网络的管理与控制也要求更多的采用 控制理论与策略f 2 1 。网络控制系统就是适应这种要求发展起来的。 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 ，简称为n c s ) ，即网络化的控制系统，是 利用专用或公用数据通信网络代替传统的点对点连接( 图1 1 ) 构成的闭环控制系统。 网络控制系统打破了传统控制系统在空间物理位置上的限制，拓宽了控制活动的范围，特 别适合远程控制。其降低了系统的连接复杂性的同时也降低了系统的运行成本，特别是其 一次安装投资少和后期维护费用低廉，所以无论是大型企业，还是中小型企业都适用。它 能方便地实现管控一体化，提高了信息集成度。网络控制系统不仅可以应用于复杂的过程 图1 1 点对点控制系统 西安工业大学硕士学位论文 工业控制领域，而且在航空、航天工业、楼宇自动化等领域也极具发展潜力。因此，针对 网络控制系统的研究得到了国内外研究工作者的极大关注。所以本项课题的研究具有积极 和重要的意义。 1 2 网络控制系统的概念 网络控制系统这个名词最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g cw a l s h 等人的论著中， 但并没有给出确切的定义，只是用图说明了网络控制系统的结构。在该系统中，传感器、 图1 2 网络控制系统缩构图 控制器与执行器通过网络形成闭环反馈控制，实现信息交换( 图1 2 ) 。清华大学的顾洪军 在总结前人关于网络控制系统的各种论述的基础上，对网络控制系统给出了明确的定义 【3 】： 定义1 ：网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，又称为网络化的控制系 统，即在网络环境下实现的控制系统。是指在某个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。广义的网络控制系统包括狭义的在内，而且还包括通过企业信息网 络以及i n t e r n e t 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制等。 网络控制系统一般有两种理解，一种是对阚络的控制( c o n t r o lo f n e t w o r k ) ；另一种 是通过网络传输信息的控制系统( c o n t r o lt h r o u g hn e t w o r k ) 1 4 。这两种系统都离不开控制 和网络，但侧重点不同。前者是指对网络路由、两络数据流量等的调度与控制，是对网络 自身的控制，可以利用运筹学和控制理论的方法来实现i s , 6 ；后者是指控制系统的各节点 ( 传感器、控制器、执行器等) 之间的数据不是传统的点对点式的，而是通过网络来传输 的，是一种分布式控制系统，可通过建立其数学模型用控制理论的方法进行研究。 西安工业大学硬士学位论文 据此定义我们可知，从广义上讲，集散控制系统、现场总线控制系统和基于e t h e m e t ( 以太网) 控制系统都属于网络控制系统的范畴。 1 3 网络控制系统的发展 计算机控制系统的发展，先后经历了集中式直接数字( d d c ) 控制系统、中小型计 算机共同作用的分层递阶控制系统、七十年代中期发展起来的集散控制系统( d c s ) ，以 及八十年代末发展起来的现场总线控制系统( f c s ) 。九十年代开始了以太网在工业控制 上的广泛研究。集散控制( d c s ) 系统体现了控制系统的网络化发展趋势，现场总线控制 系统( f c s ) 的产生使这种趋势变得更加明显和具体，以太网在工业上应用的研究使得控 制结构进一步网络化和集成化。 1 3 1 集中式数字控制系统( d d c ) 集中式数字控制系统( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 于2 0 世纪七八十年代占主导地 位。当微机控制系统用于工业控制领域时大多使用以单板机组成的微机控制装置，与上位 机系统连接多采用串行通信方式，所有模块集中布置在一个或几个机柜中。由这些装置构 成的系统多为集中式控制系统或分层控制系统。这种系统目前技术上己经落后，不符合控 制系统分布、开放的发展趋势。 1 3 2 集散控制系统( d c s ) 集散控制系统又称为分布式控制系统( d c s ，d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) ，于2 0 世纪 八九十年代占主导地位，在我国工业控制系统中得到了广泛的应用。传统的集散控制系统 主要有4 层结构：第l 层是工业层；第2 层是控制器层：第3 层是人机接口层；第4 层是 企业信息系统层。但除在第3 层、第4 层之间采用以太网外，其他都是专用网络，控制设 备及软件也是专用的，开放程度不够，给系统维护及升级带来不便。集散控制系统在设备 配置上还要求网络、控制器、电源甚至模块等都采用冗余结构，支持无扰切换和带电插拔， 由于设计上的高要求，导致集散控制系统成本太高。我国广大的小型生产企业还没有集散 控制系统，只有大中型企业使用集散控制系统。 1 3 3 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线( f i e l d b u s ) 是上世纪8 0 年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今网 络通信与管理的观念带入工业控制领域。根据i e c 标准及现场总线基金会的定义，现场 西安工业大学硕士学位论文 总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。基于 现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统( f c s - - f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总 线用数字信号取代4 - 2 0 m a 的标准信号，使现场管理与控制统一，并使一些基本过程控制 在现场完成 7 刖。 1 3 4 基于以太网的网络控制系统 以太网( e t h e m e t ) 及t c p i p 通信技术在i t 行业获得了很大的成功。它在没有任何 标准化组织支持的情况下却发展得非常迅速。成为r r 行业应用中首选的网络通信技术。 近年来，由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果。以太网及t c p i p 技术逐步在自动化行业中得到应用，以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特 点，不但基本垄断了商业领域的网络市场，而且在工业控制领域( 主要在企业管理层) 也 得到了大规模的应用【9 】。目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层的 通信，而且各种现场总线也开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工业控制领域 的主要通信标准。 以太网在自动化行业中的应用研究分为两个方面，或者说两个层次。一是工厂自动化 技术与i t 技术结合，与互联网i n t e m e t 技术结合，成为来来可能的制造业电子商务技术、 网络制造技术雏形。另一个方面，即研究以太网应用在工业过程控制底层，也就是设备层 或称为现场层。使得以太网在工业现场层广泛应用，取代现有的现场总线技术成为统一的 工业网络标准。 1 4 现代控制网络的性能特征与比较 1 4 1 控制网络的一般性能特征 现代工业用计算机网络通常被划分为控制网络和数据网络。在控制网络上有数不清 的控制信号，它们很频繁地来回于数量相对较大的节点之间，用来满足实时控制系统的实 时性要求。相反，数据网络在广域范围上使用数据包和相对不是很频繁地碎发式传输来实 现数据通讯，利用高的数据传输率传输大量的数据包。把数据网络和控制网络区分开的关 键因素就在于支持实时应用的能力。显然控制网络的实时性要求要比数据网络高得多。控 制网络分析包括三个主要的方面：网络结构分析、网络协议分析和网络性能分析。 网络系统性能的度量，包括访问延迟、传输时间、响应时间、消息延迟和消息冲突 ( 冲突率) 、消息吞吐量( 数据包的丢弃率) 、数据包的大小、网络的利用率和确定性的时 间延迟上界，这些度量值组成网络的性能矩阵。这些度量值也在不同程度上影响着网络控 西安工业大学硕士学位论文 制系统的性能。用于连接成控制系统的网络通常应满足两个主要的原则：消息在网上传输 的时间延迟是有界的；消息在网上的传输是可靠的。将这两个主要的原则综合起来讲就是， 一个消息的成功传输整个延迟的时间必须是有界。如果从传感器到执行机构的信息传输时 间延迟很大或者传输失败，控制系统的性能将严重下降甚至会导致系统不稳定。对于控制 系统人们提出了很多协议来满足控制系统的需要。上述的网络性能度量就可以用来确定网 络介质的能力，以及对控制参数( 如采样时间) 和网络参数( 如通信速率) 的选择设计提 供必要的参考。 1 4 2 网络结构与协议 现代制造系统中典型的网络结构包含了三个不同的层次：信息系统( i s ) 网络，离 散事件单元( d e c ) 网络和连续量器件( c v d ) 网络 1 0 l 。这种分类是根据工业中典型功 能和信号特征划分的，如图1 3 所示。 信息系统网络 图1 3 现代制造系统网络层次 顶层信息系统网络用于传输对时间没有严格要求的非实时信息，例如日产量数据。 信息系统网络上的信息的特点主要是数据量较大但数据传输频率较低。中间层离散事件单 元网络主要传输控制命令或者更新不同设备单元或子系统的设置。通常在离散事件单元网 络上传输的信息都是离散的信息或者是基于事件的信息，这些信息一般也都具有周期性， 数据量相对较小，对实时性有一定的要求。当离散事件单元网络层的信息传输时间延迟较 大或出现数据丢失，可能导致不同子系统间的协调性出现问题。以上两层网络通常认为是 用于管理的，管理是一个开环过程而控制是一个闭环过程。因此，这两层网络并不直接加 入到控制过程中。最底层的网络是连续量器件网络，通过网络编码和解码用于传输如位置、 西安工业大学硕士学位论文 速度和温度这样的物理信号量。传感器、被控对象和控制器通过连续量器件网络连接起来， 传输的信息具有周期性，对实时性要求很高，而且信息的数据量小但传输频率很高。该层 的信息传输的时间延迟或数据包的丢失都会降低系统的性能甚至导致系统不稳定。这三层 网络一般通过网关或网桥连接，如果三层使用同一网络，在信息系统网络上传输的大数据 包将会降低连续量器件和离散事件单元网络的效率，连续量器件网络上的频繁数据传输也 可能会加大离散事件单元或信息系统网络信息传输的延迟。 根据控制网络的时间延迟特性，网络分为三种类型：随机网络、有界网络和常值网络。 顾名思义，在随机网络上传输的信息延迟时间是随机的，有界网络则表示延迟时间有确定 性的上界，而常值网络上的时间延迟保持定值。这样的分类主要从两个器件问介质访问控 制和时间延迟角度划分，这三种控制网络在工业实现上分别以以太网( 随机) 、令牌网( 有 界) 和c a n 网( 常值) 为代表。e t h e m e t ( i e e e8 0 2 3 ) 使用c s m a c d ( 载波监听多路 访问冲突检测) 网络协议。 1 5 网络控制系统的基本问题 尽管网络控制系统有着许多优点，但是由于它在闭环通道中引入了通信网络，这使 得对网络控制系统的分析和设计变得复杂。传统控制理论中许多理想假设( 如时钟同步控 制、采样时延与执行时延忽略不计等) 不能直接应用到网络控制系统中。由于这些因素对 网络控制系统的性能有着不可或缺的影响，所以在分析和设计网络控制系统时必须将网络 传输的不确定性加以考虑。下面简单介绍网络控制系统的基本问题： 1 5 1 网络时延 网络延时又称为网络诱导延时。在网络环境下，当网络控制系统的传感器、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，多种不同性质的时延( 常数、有 界、随机时变等) 使得现有的方法一般不能直接应用。网络诱导时延主要由以下几部分组 成：传感器节点采集数据、处理数据和竞争发送权所花费的时间；传感器数据在网络上传 输的时间；控制器节点计算控制量、处理数据和竞争发送权所花费的时间；控制量在网络 上传输所花费的时间。数据在网络上传输的时间称为通道时延，而节点竞争发送权所花费 的时间称为器件时延。在许多场合，由节点处理数据所花费的时间远小于节点竞争网络使 用权所花费的时间，因此器件时延常常仅指节点竞争网络使用权所花费的时间。 一般来说，当网络中不含网关、路由等中继设备时，通道时延可以认为是固定的， 其大小与网络的速度、数据包的大小有关。而当网络中含有中继设备( 例如网关、路由器、 网桥等) 时，中继设备中的队列机制会增大通道时延，还将使得通道时延也具有时变特性。 6 西安工业大学硕士学位论文 器件时延的大小与网络的协议相关，可能是固定的，也可能是时变的。在令牌网( t o k e n ) 、 令牌环( t o k e np a s s i n g ) 网中，令牌在网络节点间依次传输，节点在获得令牌时才能发送 数据，因此节点等待发送所需要的时间由网络的节点数以及自身的优先级决定，一旦这些 因素确定，节点等待发送数据的时间即可确定。而在以太网、c a n 等采用载波侦听多路 访问( c a r d e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s ，c s m a ) 协议的网络中，网络的实时状况决定节点是 否能够立即发送数据。如果节点需要发送数据时，网络中无其他节点正在传输数据，且无 其余节点参与竞争，则该节点的数据将立即被发送：若网络中有节点正在传输数据，则必 须等待该数据传输完毕，再发送( 非抢占式协议) ；如果同时有多个节点竞争网络使用权， 则其中优先级最高的节点才能获褥网络使用权。而基于t c p i p ，u d p 等协议的无优先级 设置的载波侦听网络情况更加复杂，网络发生冲突时，各节点的退避时间和网络状况决定 了节点需要等待的时间。 1 5 2 节点的驱动方式 网络控制系统的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。时钟驱动是指网络 节点在一个事先确定的时间到时开始它的动作，事先确定的时间到为节点动作的依据，时 钟驱动中的时钟是指节点的采样时刻。事件驱动是指网络节点在一个特定的事件发生时便 开始它的动作，事件驱动中的事件是指网络节点通过数据网络从另外一个网络节点接收到 数据。网络控制系统中的传感器、控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。 1 5 3 数据包丢包 网络的阻塞和连接中断是导致数据包丢失的一个因素。其次由于节点竞争数据发送权 需要花费时间，当节点在规定的时间内仍然未能成功发送数据，则该数据将被丢弃。另外 数据在网络传输过程中可能会发生错误而被要求重发，如果该节点的数据在规定的重发时 间内仍然没有成功发送数据，则该数据包被丢弃。这些事件的发生都可被视为数据包丢失。 从系统信息的传输来看，数据包丢失的发生相当予信息传输通道暂时被断开，使得系 统的结构和参数发生较大的变化。闭环控制系统虽然对系统中结构和参数的变化具有定 的鲁棒性，但不可避免的造成性能的下降，严重的将导致系统失稳，需要寻找行之有效的 解决方法。 1 5 4 单包传啊刊多色传输 以数据包形式传输信息是网络控制系统有别于传统控制系统的特点。所谓单包传输 是指网络控制系统中的传感器等系统部件的待发送数据被封装于一个数据包中发送。而多 西安工业大学硕士学位论文 包传输是指传感器等系统部件的待发数据被分成多个数据包，分时发送。当一个系统部件 待发送的数据量超过了数据包容量限制时，则必须采用多包传输。另外，当系统具有多个 传感器和( 或) 执行器，且它们分布在一个很大的物理空间，很难将所有传感器的数据用 单个数据包进行传输时，也须采用多包传输。因此，可以看到采用多包传输的网络控制系 统的被控对象本身不一定是多输入多输出( m i m o ) 系统，而采用单包传输的网络控制系 统的被控对象也可能是多输入多输出的。 采用单包传输还是多包传输方式应根据被控对象和网络的实际情况决定，一般来说， e t h e m e t 的数据包所能容纳的数据量比较大，可以采用单包传输方式：而d e v i c e n e t ( 如 c a n ) 中单个数据包所能容纳的数据量较少( 最多8 个字节) ，因此很可能需要采用多包 传输方式。 常规的多输入多输出控制系统的信息传输也是多通道的，通常假设多个传感器的数 据同时到达控制器。而由于网络的分时复用，网络控制系统的多个数据包不可能同时发送， 也不可能同时到达目标节点。这种不同于传统控制系统的信息传输特性，使得网络控制系 统的模型发生了变化，给系统分析与设计带来新的问题。 1 5 5 网络调度 所谓调度是指确定网络节点发送数据的次序和发送时刻、时间间隔。这里所说的网 络调度发生在网络用户层，或者网络传输层的上层，其目的是尽量避免网络中冲突和阻塞 现象的发生，从而减小网络数据诱导时延，减少数据包丢失等事件的发生。在一定程度上， 网络调度策略的优劣会对闭环控制系统的性能产生影响。 1 5 6 时序错乱 数据包乱序一般发生在具有路由、网关等中继环节的长时延网络控制系统中。由于 路由器( 或带有路由功能的中继设备) 会根据网络的实际情况选择合适的网络途径传输数 据，因而相同节点发送的数据包可能会经过不同的网络路径到达目标节点，另外数据包在 中继环节的队列中等待的时间往往也不相同，因而造成数据包的时序错乱。数据包的乱序 又可分为两种不同的情况： 在单包传输的网络控制系统中，由于数据包中的数据是完整的。乱序使得后发的 数据先到； 在多包传输的网络控制系统中，不仅不同时刻的数据包的时序会发生错乱，而且 同时刻数据的不同数据包的到达时间也会参差不齐。 这两种情况对于系统稳定性和性能的影响也不相同，在网络控制系统的设计和分析 西安工业大学硕士学位论文 中必须分别对待。 除上述的基本问题外，控制系统部件的工作模式，时钟同步等问题始终贯穿于网络 控制系统的分析、设计以及实现过程中，有时还影响到上述基本问题的特性，因而在网络 控制系统的研究中也需加以关注。 1 6 时延补偿控制方法 将计算机网络系统应用于控制系统中代替传统的点对点( p o i n tt op o i n t ) 式的连线， 具有简单、 快捷、连线减少、可靠性提高、容易实现信息共享、易于维护和扩展、降低 费用等优点【l ”。正因为如此，近几年来网络控制系统得到了前所未有的快速发展和广泛 应用。但控制网络在具备多重优点的同时，也具有很明显的缺点和急待解决的问题1 1 2 1 5 。 其中端对端( e n dt oe n d ) 的网络时延、由于时延产生的丢包问题和误码等问题是非常常 普遍的。同时在工业生产过程中，具有时延特性的控制对象是非常普遍的。在各种时延系 统中，由于时延对控制对象产生了时延时间f ，这种时延时间f 对控制系统的控制性能极 为不利，不仅使得系统的稳定性降低，过渡过程的特性变坏，而且，时延的时间占挨个动 态过程的时间越长，难控的程度越大，因而时延系统的控制问题已成为了困扰着网络控系 统领域的一大难题。为解决这一难题，长期以来，许多学者在理论和实践上做了大量的研 究工作，相继提出了很多行之有效的控制方法，主要有自适应控制、预测控制、鲁棒控制、 变结构控制、智能控制及各种复合控制等策略。 1 6 2 自适应控制 2 0 世纪7 0 年代初期，由于空间技术和过程控制发展的需要，自适应控制技术发展很 快。自适应控制建立在系统数学模型参数未知的基础上，随着系统行为的变化，控制器会 相应地改变其控制参数，以适应系统特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令人满意 的结果。自适应控制在时延系统中的应用主要分为模型参考自适应控制和自校正调节器两 大类，文献 1 6 1 提出了一类时延系统的模型参考自适应控制的设计方法，首先将复杂生产 过程简化为一阶加纯对延或二阶加纯对延系统来描述，利用在线整定或系统辨识的方法获 得参考模型的系统增益、时间常数和时延时间后，再利用局部参数最优化的方法设计自适 应律，仿真结果验证了当控制对象参数发生变化时系统有较好的鲁棒性。文献【1 7 】中介绍 了一种针对时变大时延系统的极点配置最优预报自校正p i d 控制器设计，首先也需要对 时延系统进行时延时间和对象参数的辨识，在此基础上利用最小方差法预报得出系统的无 9 西安工业大学硕士学位论文 时延最优输出，然后再利用极点配置自校正控制算法设计p i d 控制器的控制参数。自适 应控制是一种基于参数模型的控制方法，因此其不足之处是需要先离线或在线辨识模型的 参数，否则将达不到好的控制效果，而模型辨识会增加计算量，影响控制系统的实时性。 为解决这一问题，文献 1 8 ，1 9 提出了一种参数自适应预报递推算法，实现了对时滞非线性 系统的无模型学习自适应控制，该方法不依赖受控系统的数学模型，仅用受控系统的i o 数据来设计，在线计算量很小，系统的实时性也很好，因而对解决实际工程问题有一定指 导意义。 1 6 3 预测控制 预测控制是2 0 世纪7 0 年代后期产生的一类新型的计算机控制算法。由于它采用预测 模型、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于不易建立精确数字模型 且比较复杂的工业生产控制过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、 化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统中得到了成功的应用。 网络控制系统由于时延的存在，给系统的稳定性和控制过程的性能指标带来许多不 利的影响。预估控制可以根据历史数据对网络控制系统的时延进行预先判断和计算，并将 计算结果反映到控制器中。然后对下一步控制做出预先的修订以补偿网络时延带来的影 响。预测控制主要包括基于非参数模型和基于参数模型的两类控制算法，比较流行的控制 算法有：预估模型算法控制( m a c ) 、动态矩阵控制( d m c ) 、广义预测控制( c 融c ) 、广 义预测极点( g p p ) 控制、内模控制( i m c ) 等。由于预测控制具有适应复杂生产过程控 制的特点，所以它在时延特性明显的工业生产过程中得到了广泛的应用。文献 2 0 2 4 1 分别 给出了预估模型算法、变参考轨迹系数m a c 预报控制、动态矩阵控制算法、广义预测控 制算法、零极点配置预测控制器、基于模糊模型的预估控制算法在电热炉温控、纸机控制、 人工肌肉自适应控制、烟草烘丝过程等实际生产过程中的应用实例。 1 6 4 鲁棒控制 进入2 0 世纪8 0 年代以来，随着上乙鲁棒控制理论的研究日趋成熟，鲁棒控制已经开 始向着工程应用方面发展。所谓鲁棒控制，就是设计一种控制器，使得当系统存在一定程 度的参数不确定性及一定限度的未建模动态时，闭环系统仍能保持稳定，并具有一定的动 态性能品质的控制。由于利用鲁棒控制来解决时延系统的不确定性恰能发挥其特点，因而 近年来有关时延系统的鲁棒控制研究取得了很大进展。主要研究成果有：时延系统的不确 定性或者满足具有一定物理意义的匹配条件，或者不满足匹配条件，因此可将研究对象分 为两类：一类是满足匹配条件的时延系统鲁棒控制；另一类是不需要满足匹配条件的时滞 1 0 西安】= 业大学硕士学位论文 系统鲁棒控制。文献【2 5 】研究了系统的不确定性满足匹配条件时的鲁棒控制器设计，文献 2 6 贝1 j 针对不满足匹配条件的时延不确定性系统进行鲁棒控制研究。在鲁棒控制器的设计 算法上，采用线性矩阵不等式法( l m i ) 代替解r i c c a t i 方程的方法，可大大简化计算过 程，因而成为了时延系统鲁棒控制研究新的热点【2 l ”】。为解决系统全状态不能完全可测时 的控制问题，文献 2 9 进一步提出了一种不确定性动态时延系统基于状态观测器的鲁棒控 制器设计方法，给出了使鲁棒控制器稳定的充分条件。但上述方法算法都比较复杂，因而 还仅限于理论研究，没有付诸实际应用。文献 3 0 ，3 1 】提出了一种实用性较强的史密斯预估 鲁棒控制方法，将史密斯预估控制与鲁棒控制设计思想结合，既能消除大时滞带来的不良 影响，又有强鲁捧性，能够有效抑制干扰和模型不确定性，且控制器的参数整定过程也比 较简单。 1 6 5 变结构控制 变结构控制系统( v s s ) 的研究是由前苏联学者早在5 0 年代末开始的，但变结构 控制在时延系统中的应用只是在2 0 世纪9 0 年代以后才受到广泛的关注。变结构控制的优 点在于系统分解和系统的滑动模态对某些干扰和参数摄动具有强鲁棒性，因此用它来控制 一些参数变化剧烈、受扰动景响大的生产过程可以取得较好的控制效果。文献1 3 2 是研究 时延系统变结构控制较早的文献，仅仅设计了变结构控制器，未给出切换函数的综合方法， 而变结构控制的难点就在于如何设计切换函数，确保对象参数变化时系统仍然能够达到滑 模运动状态。为解决这一问题。文献 3 3 1 提出传统的切换函数在时延系统中应当是一个切 换泛函，给出了在系统谱能控条件下具有稳定滑动状态的切换泛函的设计方法，并利用趋 近律设计了相应的变结构控制器。变结构控制尽管具有控制速度快、鲁棒性好、对被控对 象的参数变化和外界干扰不敏感等优点，但该控制方法对被控对象的惯性和时延非常敏 感，经常因此原因而造成控制上的振荡和失稳，从而影响了变结构控制技术的推广，将预 估控制引入变结构控制当中是解决此问题的较好方法。文献【3 4 】就此提出了一种变结构预 测控制方法，在变结构控制的基础上引入了参数辨识器和状态预估器设计了一种适合螺杆 挤出机温度控制的方法，参数辨识器用于估计过程模型的参数，状态预估器则依据过程模 型对系统状态进行预估，用来克服系统所存在的时延和惯性，该方法在实际应用中取得了 较好的控制效果。文献【3 5 】就离散时延系统的滑模变结构预估控制问题进行了研究。变结 构控制存在的另一个主要问题就是高频抖动间题，为此文献【3 6 】设计了一种模糊变结构控 制器，用于汽轮发电机组的控制，有效提高了系统的动态品质。 西安工业大学硕士学位论文 1 6 6 智能控制 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着人工智能及机器人技术的快速发展，以模糊控制和 神经网络控制为代表的智能控制技术受到了广泛重视，多在时延系统的控制中得到了大量 的应用。 模糊控制的特点是不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，只需制定相应的 模糊控制规则，设计出具有智能的模糊控制器，即能给出有效的控制，因此非常适合在那 些具有纯时延、大惯性、参数漂移大的非线性不确定复杂系统中应用，且在设计时可以有 效便捷地实现复杂的控制策略，因而模糊控制在实际控制系统中得到了广泛应用【3 8 】。但 模糊控制的缺点是控制的精度不高，在实际应用中如果单依靠模糊控制器来对系统进行控 制难以取得满意的控制效果，因此很多文献提出了将模糊控制器与其他算法结合应用的思 路，主要有f u z z y p i d 双模控制、模糊自适应控制和史密斯预估控制这三种控制方案。 文献 3 9 1 提出的f u z z y p i d 双模控制方法，在大偏差范围内采用模糊控制取得较好 的动态响应并抑制随机干扰，而在小偏差范围内采用p i d 控制来抑制稳态误差，该方法 实现起来比较简单，实用性较强。文献【4 0 】提出了一种自适应模糊控镥8 器，它能在控制过 程中不断调整和修改控制规则以适应对象和环境的变化，控制性能保持不错，因而具有较 高的应用价值。将模糊控制与史密斯预估器相结合也是模糊控制在纯时延系统应用中较为 成功的一种方式，文献【4 1 】提出的史密斯f u z z y 预估控制，利用史密斯预估器来消除系统 纯时延的影响，而用模糊控制代替原有的p i d 控制，充分利用模糊控制器动态性能好、 鲁棒性强的特点，取得对纯时延系统较好的控制效果，虽可以避免繁琐的p i d 参数整定 过程。 神经网络具有并行计算、分布式信息存储、容错能力强、具有泛化功能和非线性映 射功能及具各自适应学习功能等一系列优点，因而很适合应用于时滞系统的控制中。神经 网络还具有很好的模型辨识能力，实际应用中往往将神经网络的控制和辨识能力结合起 来，采用两个多层神经网络，其中一个神经网络用来对被控对象进行在线辨识，另一个则 用于对系统进行控制，从而实现对纯时延对象的自适应控制【4 2 】。将n n 的自学习机制和 f u z z y 控制相结合构成的模糊神经网络控制器( f n c ) 既揉合了模糊逻辑的推理能力，又 有神经网络很强的学习能力和非线性表述能力，也是一种很好的时滞系统控制方法。王耀 南将f n c 应用于窑炉温度控制系统中，实验仿真和应用结果表明，该方案可改善具有时 变及大纯时延的炉温控制系统，控制效果良好【4 3 l 。但实际控制中最常见的一类控制策略 则是将神经网络与史密斯预估控制相结合，充分发挥二者的优势，构成单神经元史密斯预 估控制器或史密斯预估控制。 西安工业大学硕士学位论文 1 7 本文的研究工作与内容安排 网络控制系统是现代控制系统发展的最新阶段，是当今控制理论界研究的热点，研 究它具有重要的意义。本文在引出了网络控制系统概念的基础上，简要回顾了网络控制系 统的发展和网络控制系统的一般性能特征，随后介绍了网络控制系统的基本问题以及现有 的时延补偿方法。在介绍了以上概念的基础上分析了网络时延产生与分类，着重论述了网 络时延的组成和数据传输技术。在阐明了网络控制系统稳定性与网络时延和采样率的关系 后，仿真了时延对网络控制系统的影响，仿真结果表明时延对网络控制系统阶跃响应的性 能指标有很大影响，严重时甚至造成系统不稳定。 由于时延对网络控制系统的性能指标影响严重，时延补偿就是解决方法之一。本文 在介绍了大林和史密斯两种时延补偿算法后，设计了基于网络控制系统史密斯时延预估器 并仿真了时延补偿的效果。仿真结果表明史密斯时延预估器对网络控制系统有着良好的补 偿效果。然后，详细研究了一种新的时延补偿方法，这种算法通过插入中间件的方法使得 现有菲基于网络时延设计的控制器能够在补偿网络时延的同时进行控制。它是基于增益调 度表算法通过引入的中间件来修改现有的控制器输出，以达到补偿时延和其它性能要求， 由于是在现有的控制器输出端进行修改，使得现有的控制器仍然能够使用，所以这种方法 能节省很多时间和投资费用。通过对比例积分控制器控制的直流电机进行仿真，结果表明 在存在网络延时的情况下，这种时延补偿方法能够有效的改善网络控制系统的性能。 本文最后对一个自动化立体仓库进行了硬件、软件和功能的总体设计，在设备层采 用了当前流行的工业以太网，并且解决了西门予s 7 - - 2 0 0 p l c 的以太网接入问题，并分析 了在多主机条件下的时延补偿解决办法。最后，展望了网络控制系统的发展