（检测技术与自动化装置专业论文）基于以太网的预测控制系统研究.pdf

摘要 随着互联网技术的发展，以太网逐渐被引入到工业控制领域，基于 网络的控制系统结构日益普及，而网络带来的控制系统时滞问题对控 制性能的影响不容忽视，因此本文以基于以太网的控制系统设计作为 研究课题。 首先，对于网络控制系统做了简要阐述。概述了网络控制系统的总 体的结构、层次；指出了网络控制系统的三种控制模式：简要介绍了 嵌入式网关的设计及其子网数据访问的方式；展望了网络控制系统模 式的几种发展方向；并设想了一种基于控制策略服务器模式的网络控 制系统。 然后，指出网络特性与控制策略问的关联关系。并分析了网络的时 滞及对于控制策略、控制性能的影响；从网络控制的角度分析了t c p i p 协议族中j - i a 中典型的协议，指出其优缺点；简略介绍了网络的安全特 性和网络控制系统的性能评估的一些问题。 在论文第四、五章，提出了基于模型预测控制的网络控制器设计方 法，通过模型匹配和多步预测输出策略来补偿不确定时滞对控制性能 造成的影响，该算法并不针对某种特殊的协议，并适用于大时滞的情 况。通过闭环系统仿真和基于倒立摆对象的网络实验平台验证了算法 的有效性。并介绍了一种嵌入式w e b 服务器的设计方法。 关键词：网络控制系统，t c p f l p 协议，模型预测控制，时滞补偿 a b s t r a c t t h ee t h e r n e th a sb e e n g r a d u a l l yi n t r o d u c e di n t oi n d u s t r i a lc o n t r o l f i e l d s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , a n dw h i c hi s b e e n e x p e c t e d t o u n i f y t h e m u l t i - i n c o m p a t i b l e f i e l db u s e s m o r e o v e l n e t w o r k e d i n d u c e dt i m ed e l a yh a sb e e nm o l ec o n s i d e r e d s ot h ea f f e c tt o t h ec o n t r o l s y s t e m s m u s tb e e n s t u d y d u et ot h ei n t r o d u c t i o n o ft h e n e t w o r k s f i r s t ，t h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( n c s s ) a r eb r i e f l ye x p l a i n e d 。 s u m m a r i z i n gt h eh o l i s t i cs t r u c t u r e sa n dl e v e l si nn c s ；p o i n t i n go u tt h r e e c o n t r o lm o d e si nn c s s ；b r i e f l yi n t r o d u c i n gt h ed e s i g n so f t h ee m b e d d e d g m e w a ya n dt h es u b n e td a t aa c c e s sm o d e s ；s e v e r a lt r e n d so fn c s sf i r ei n p r o s p e c t ，t h e nan e wm o d eo fn c s si sp r o p o s e dw h i c hb a s e do nc o n t r o l s t r a t e g ys e r v e r s t h e n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en e t w o r kc h a r a c t e r s a n dc o n t r 0 1 s t r a t e g i e si sp r o p o s e d t h ee f f e c to ft h ed e l a yo nt h ec o n t r o l s t r a t e g ya n d p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d ；s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v ep r o t o c o l sa r ee x p l a i n e do n t h ev i e wo fc o n t r o lf i e l d ，a n dp o i n t i n go u tv i r t u e sa n df l a w s ；t h en e t w o r k s a f e t ya n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f n c s sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d i nt h e4a n d5 c h a p t e r s t h em e t h o dh o wt od e s i g nn c s sc o n t r o l l e r b a s e do nm p ci s p r e s e n t e d ，w h i c hc o m p e n s a t et h ei n d e t e r m i n a t ed e l a v t h r o u g ht h e m o d em a t c h i n ga n d m u l t i - s t e pp r e d i c t i v eo u t p u t a n dt h e m e t h o d o l o g yi s n o to n l ys u i t e do n es p e c i a lp r o t o c o l ，f u r t h e r m o r e ，w h i c h c a nb eu s e dt ol o n gd e l a ys y s t e m s t h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o d o l o g yi s v e r i f i e dt h r o u g ht h ec l o s e d l o o ps y s t e ms i m u l a t i o na n dt h ea c t u a ln e t w o r k e x p e r i m e n t f l a tb a s e do ni n v e r t e d p e n d u l u m a n dam e t h o dt o d e s i g n e m b e d d e dw e bs e r v e ri si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m ，t c p i p p r o t o c o l ，m o d e l p r e d i c t i v ec o n t r o l ，d e l a yc o m p e n s a t i n g 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：兹刍色 日期：m 拜r 月，厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：彳。立正日期：妒l ，年j 7 月j 日 导师签名：松鸟罴 日期：坤f 年5 ，月日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 伴随着网络技术的飞速发展，控制系统经历了组合式模拟控制、集中式数字控 制、集散式控制三个阶段，发展到当前现场总线控制和嵌入式设备网络控制阶段。 控制系统发展总体上呈现出集中化向分散化、网络化、智能化发展的方向。特别 是在生产过程自动化、楼宇智能自动化和家庭智能化控制等方面，控制网络化的 趋势最为显著。随着管理要求的提高和控制技术的不断发展，传统集中式控制系 统已经无法满足要求。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， 向网络化转变。这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连线数目大大减 少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性、灵活等优点。但同时由于网络中 的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而网络的承载能力和通信 带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得信息在传输过程中不 可避免地存在时延。根据网络所采用的通信协议、网络当时的负荷状况、网络的 传输速率和信息包的大小等诸多因素的不同，网络传输时延呈现出固定、随机、 有界、无界等不同的特征，导致控制系统性能的下降甚至不稳定，同时也给控制 系统的分析、设计带来了很大的困难。传统的控制理论在对系统进行分析和设计 时，往往做了很多理想化的假定，如单频率采样、同步控制、无延时传感和调节。 而在网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s s ) 中由于控制回路中存在网 络，t 述假定通常是不成立的，因此传统的控制理论都要重新评估后才能应用到 n c s s 中。已有大量的文献从不同的角度对网络控制系统的分析和设计进行了研究 吐u d 圳。本章将对网络控制系统的特性和控制策略做一些综述和简要的分析。 1 2 控制系统网络化的进程 在一个控制系统中，必然存在控制信息交流和共享的问题。由于技术上的限制， 自动控制系统发展的早期采取的是一种封闭的结构，系统内部资源以及系统间资 源不能共享，直到集散控制系统( d c s ) 才具有网络控制系统的雏形。控制系统 的网络化发展从直接数字控制( d d c ) 到网络控制系统( n c s s ) 大致经历了如下 几个阶段。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 1d d g d d c 是数字控制系统的基本控制单元，通常由一台微机( 微控制器) 代替模 拟设备的调节器实施控制，是由模拟控制转向数字控制的标志。其结构简单，一 般不考虑通信上的延时，可以看成是网络控制系统最简单的特殊情况，事实上很 多对于网络控制系统的算法分析也都简化为d d c 的模型来讨论的，它适用于独立、 小规模对象的控制。如果添加对应的通信接口，也可用于构成分布式控制系统 ( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 和网络控制系统( n c s s ) 。 1 2 。2d c s d c s 系统针对集中式控制系统风险集中的弊端，把一个控制系统分解为多个子 系统。由多台计算机协同完成。其结构主要有以下特点：具有现场级的控制单元 ( p l c 、m c u ) 等，现场级控制单元与现场设备用电缆连接，采用标准4 2 0 m a 模拟信号传输；具有中央控制单元( c p u ) ，中央控制单元与现场级控制单元之 间采用r s 一2 3 2 4 8 5 等专用非开放协议通信。蝈 应该说，集散控制系统具有了一定的网络化思想，它与当时的计算机和网络技 术水平相适应，在实际应用中却体现出了其不足。首先，集散系统仍然是模拟数 字混合系统，模拟信号的转换和传输使系统精度受到限制。其次，它结构上遵循 主从式思想，没有完全突破集中控制模式的束缚，一旦主机出现故障，系统可靠 性就无法保障。更重要的是，d c s 系统属非开放式专用网络，各系统互不兼容， 不利于继续提高系统可维护性和组态灵活性。 1 2 3f c s 现场f c s 系统是一种开放的分布式控制系统。它突破了集散控制系统中采用专 用网络的缺陷，把专用封闭协议变成标准开放协议。同时，它使系统具有完全数 字计算和数字通信能力。结构上，它采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放 到现场，提高了系统可靠性和灵活性。因而f c s 系统与d c s 系统比较具有很多优点： 它使现场网络通信设备之间可采用点对点、点对多点或广播的多种方式通信；剥 用统一组态与任务下载，使得如p i d 、数字滤波、补偿处理等简单的控制任务可动 态下载到现场设备：它可减少传输线路与硬件设备数量，节省系统安装维护的成 本；它还增强了不同厂家设备的互操作性和互换性。当前，出现了多种现场总线： 基金会总线( f f ) ，l o n 总线，p r o f i b u s ，h a r t ，c a n 总线等。脚 从目前看，现场总线控制系统主要的不足是：各种现场总线尽管都是开放协议， 浙江工业大学硕士学位论文 遵循同一种协议的不同厂家的产品可以相互兼容，但是，各种协议并没有统一， 不同总线协议的系统不易互连。而且，现场总线通讯协议与上层管理信息系统或 进一步的i n t e r n e t 所广泛采用的t c p i p 协议是不兼容的，也存在协议转换问题。这 些增加了控制和管理信息一体化网络的实现难度。多种现场总线的共存与计算机 网络发展中多种局域网协议共存的时期是相对应的。 1 2 4n c s s 控制系统采用统一的网络协议和结构模型是当今控制界的共识。t c p i p 协议是 一个跨平台的通信协议族，能方便的实现异种机互联，它促使计算机信息网络及 i n t e m e t 近十年的飞速发展。因此，t c p i p 协议由信息网络向底层控制网络延伸和 扩展，形成控制与信息一体化的分布式全开放网络，符合计算机、网络和控制技 术融合的潮流，是逻辑发展的必然。网络和微处理器技术的发展，使得网络的频 带不断加宽，微处理器的体积不断缩小，运算能力不断增加。宽带网和更高性能 处理器的出现使得t c p i p 协议有可能应用于实时测控系统中，从而导致了嵌入式 设备网络控制系统的产生。这种控制系统借助于局域网和互连网使得遥感、遥控 成为可能。借鉴了计算机软、硬件和网络技术，可以降低系统成本，进一步增加 系统的开放性，但是应该看到，目前绝大多数实时控制还是在隔离或封闭网段上 实现，真正的跨网络远程控制还没有出现；大量设备上网导致的i p 资源不足也将是 一个严重问题。在提高网络速度、增加微处理器的运算能力、完成t c p i p 协议软 件的小型化、尽快以i p v 6 替代i p v 4 9 l 扩展i p 资源等等方面还有很多工作要做。 应该指出，在未来以t c m p 协议为基础的控制网络系统中，控制和管理仍然是 可以分级的，只是各个分层功能结构不再与网络系统的硬件结构相对应。也就是 说，控制和管理的分层功能结构更多的是体现在系统软件结构上，而不是网络系 统的硬件结构上。在协议统一的网络中，可以实现多层的控制和管理，而且，这 种层次结构以及它们间的联系可以灵活、动态地改变。 1 2 5网络系统集成 任何技术的变革都是循序渐进的。由于技术上的特点和市场利益的竞争，控制 系统网络化必然是一个缓慢的过程。在目前控制应用领域中，是多种控制系统并 存的局面，因此，多种形式控制网络的集成是当前控制系统网络化的应用重点。 实现多种控制网络、数据网络间的集成方式如图l 一1 所示。 浙江工业大学硕上学位论文 图l - 1 控制系统网络化集成方式示意图 ( 1 ) 现场总线集成在d c s 的i o 设备层上。 即通过接口卡将现场总线挂接在d c s 的i o 总线上，来完成两者信息的映射。 这种方式优点是结构比较简单，缺点是扩展规模受到接口卡的限制。 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司d e l t a v 集散系统就采用t # l 方式。它开发了专用接口卡，将 符合h 1 规范的f f 总线集成到该系统中。 ( 2 ) 现场总线通过专用网关与d c s 系统集成。 网关实现了通信协议的转换和信息的互访。此方式的优点是系统扩展性较好， 便于采用集散系统的组态监控软件。缺点是结构较复杂，当现场总线系统结构改 变时，网关要进行相应设置。例如，h o n e y w e l l 公司e x c e l5 0 0 0o p e n 系统中m q 7 7 5 0 完成了其专用r s 一4 8 5 协议和l o n 总线的互连。 ( 3 ) 各种现场总线控制系统之间的集成。 为了适应各种不同现场总线协议，也必须实现各种现场总线控制系统的集成。 主要解决方案有：以专用网关实现控制量的对应转换，或者进行协议上的修改， 以尽可能兼容。在现场总线国际标准制定的过程，共有8 种现场总线同时成为i e c 现场总线标准的子集。可见，多种总线共存的局面在一个很长时间内仍是无法避 免的。各个公司顺应这一情况，相继推出能够让多种现场总线协同工作的控制系 统。f f 的s m a r t 公司s y s t e m 3 0 2 系统能够同时包容p r o f i b u s 、f f 、h a r t 、w o r l d f l p 等总线协议；法国a l s t o m 公司a l s p a 8 0 0 0 系统e t h e r n e t 、w o r l d f i p 为主构成，并用 一个g a t e w a y 与h a r t 智能仪表相连。多种现场总线集成，协同完成复杂测控任务， 是目前组成自动化系统的重要方式。 ( 4 ) 控制网络与计算机网络集成。 控制网络发展的结果必然是与计算机信息网络的互连与集成，相互间形成更广 义上的互连网，也被称为i n f r a n e t i n t r a n e t i n t e r n e t 模式。i n f r a n e t ( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k l 是j u n i p e r e x 公司和朗讯科技在2 0 0 3 年l o b 共同提出的，并联合多家网络业务 浙扛工业大学硕士学位论文 供应商成立t i n f r a n e ti n i t i a t i v e ( i i c ) 联盟。i n f r a n e t 足一种结合互联网的普遍连接性 以及专网的可靠性与安全性的公共网络，服务提供商将最终共同连接至l j i n f r a n e t ， 以创建一个能够支持任何类型网络通信的统一全球网络叫。如图1 一l 所示。然而 在当前多种形式控制网络并存情况下，需要将控制网络与信息网络集成，其技术 也呈多样化，可以通过以下几种方法实现： 通过硬件专用网关或者路由器互连。内部采用伸隧道等网络技术，女n l o n 总线 的i l o n 路由器。 通过d d e 技术集成。当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工 作站时，可以采用动态数据交换( d d e ) 实现二者的集成。这种集成方法适合 配置简单的小型系统。在l o n 总线的l o nm a n a g e r 网络管理平台中就具有d d e s e r v e r 。 采用o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术。o p c 的开发目的是要标准化监控或管 理软件与现场设备之间的接口，建立统一的数据存取规范，这个接口规范不但 能够应用于单台计算机，而且可以支持网络上分布式应用程序之间的通信，以 及不同平台上应用程序间的通信。o p cd x 还支持不同类型网络间的服务器数 据交换等功能，是网络控制系统实现网络统一的希望。 采用统一的t c p i p 协议。这种方法主要用于嵌入式设备网络控制系统中。前三 种方式面向不同协议标准，因此网络集成时需要某种形式的数据转换机制。这 将使系统复杂化，降低了数据的实时性，也不能确保数据的完整性。从底层现 场设备到远程监控系统都使用统一的t c p i p 协议，不仅确保了信息准确、快速、 完整的传输，还可极大简化系统设计。分布式组件对象( c o r r a ) ，应用对象代 理体系结构( c o r b a ) 及j 1 n i 等分布式网络数据平台的发展也促进了基于 t c p i p 协议的控制网络和信息网络的无缝集成。 山 1 3 网络控制系统算法简介 到目前已有许多学者针对网络控制系统的访问机制、时滞模型、调度算法、控 制器的设计等等方面提出了许多观点。 1 3 1 访问机制 c e n a 瞻脚等人对几种常用控制网络如f i p 、p r o f i b u s 、s e r c o s 、c a n 的网络控 浙江工业大学硕士学位论文 制品质进行了比较，例如，网络的利用率和效率与静态网络参数( 如消息长度、 数据率) 的关系。这些比较仅限于网络服务品质( q o s ) 。这些结论提供了对时滞 的初步理解，但没有考虑导致时滞变化的其他网络动态参数。 r a y 和h a l e v i 世u 丑分析了m a c 机制列于集中控制访问、分布控制访问、随机 访问的数据等待时问和时滞的影响。对在传感器控制器间和控制器一执行器间，网 络所导致延时的统计模型也进行了研究，如：在所有端口的流量相同以及传感器 和控制器具有不同的采样速率的两种情形下，相应的消息长度、周期、状态响应 时间等等对时滞的影响。统计资料为在随机过程环境下的控制系统稳定性和性能 的进步分析打下了基础。 l i a l l 世噼细给出了三种各选控制网络的m a c 机制：以太总线( 带冲突检测的 载波侦听多路存取，c s m c d ) 、令牌传递总线( 如c o n t r o l n e t ) 、控制器局域网 ( c a n ) 总线( 如d e v i e e n e t ) 。指出m a c 机制负责控制网络访问权，因此也对消 息传输的时间产生了影响。给出了静态网络参数与数据长度关系的几种比较。并 基于控制理论在时域和频域上的研究，分析了时滞对控制系统性能的影响。 e i d s o na n dc o l e 皿建议以太网中每一个信息包发送之前加上时间戳，但要做到 这一点，网络中各个节点时钟必须同步。在实际的以太网中，实现有一定的难度。 k o u b i a sa n dp a p a d o p o u l o sl 嘲提出多种基于冲突包确定性重传时延的方案，以 保证所有信息包的时延具有上界，但这种做法会降低以太网c s m a c d 介质访问 控制协议的工作效率和信道的利用率。 m o y n e 等丑提出在以太网中增加优先级设置，提高网络中实时性要求高的信息 包的响应时间。 1 3 2 时滞模型 指网络的时滞分布特性。迄今为止还没有任何一种网络时延模型可以适用于大 部分的网络情况的分析。目前，针对随机时延，主要有以下两种近似模型幽： 时延之间相互独立的随机时延模型。基于如下假设：任意两次传输时延之间是 相互独立的，这样每一个时延都可以看作独立的随机变量，用相应的随机函数模 型来描述。 马尔可夫链下的随机时延模型。考虑相邻时刻产生的时延之间的相互联系，并 引入马尔可夫链模型来描述这种依赖关系。例如文心将网络负载情况分为三个层 次：低负载( l ) 、中负载( m ) 、高负载( h ) ，并分别定义为马尔可夫链的三个状态。 浙江工业大学硕士学位论文 对应每一种网络负载状况都有相应的概率分布函数来描述此时的时延分布规律。 l ia f 】幽总结了不同访问机制下网络时滞的4 种近似模型，但并没有提出针对该4 种时滞模型的补偿方法。 1 3 3调度算法 任务调度算法是指对网络中的信息传输进行有效的调度，避免信息的阻塞，同 时尽可能地提高网络资源的利用率。 w a l 出等心研究了两种调度策略：t o d ( t r y - o n c e d i s c a r d ) 和t o k e n ，r i n g t y p e 静 态调度策略。w a l s h 假定n c s 中有p 个传感器节点，静态调度意味着每个节点按照 某种顺序在每p 次传输中只能传输一次。在最大允许传输间隔( m a t i ) 范围内， 控制器每r 秒至少接收从一个传感器节点传输过来的数据。因此，在静态调度策略 下，所有传感器数据最多p + f 秒内就会更新一次。而按照t o d 思想，具有最大误 差的信息包首先传输，m a t i 保证每f 秒至少传输一次这样的信息。t o d 不能保 证所有节点在每p 次传输中都能传输。w a l s h 等人在后续的研究文章中腔垒删 对这种方法做了较大改进。 z h a n 2 乜丑利用r m 静态优先调度策略研究了一类半回路网路控制系统n h l s m e t w o r k e dh a l fl i n ks y s t e m ) 在多包传输和丢包情况下的调度问题，给出了在r m 策略下的最优调度和稳定域。在这种闭环网络系统控制结构中，传感器与控制器 之间通过通讯网络进行信息的交换，而控制器与执行器直接相连，因此随机时变 延迟只存在于传感器与控制器之间。 c o u t i n h o 幽基于r m 优先调度策略，运用遗传算法研究t c a n 总线t n c s 采样 周期初相与周期抖动的优化调度算法。 何坚强等必讨论了满足系统稳定性和网络可调度条件下的各个子控制系统采 样周期的求取方法。 1 3 4 控制器设计 l i o u 等皿提出了基于被控对象的一个增广状态空间模型，该模型包含有随 机延迟的信息，在对象状态不能直接获得的情况下，给出了状态观测器的构造方 法，并利用动态规划和最优控制原理，得到了有限时问随机最优状态反馈控制律。 该控制策略中，信息的最大传输延迟被限定为一个采样周期。 l u c k 等乜翌提出了一种基于观测器的时延估计和补偿方法。在该补偿器算法中， 它在闭环控制系统的控制器和执行器前分别加入了一定长度的f i f o 队列作为缓冲 浙江工业大学硕士学位论文 区，通过观测器使用队y 1 q 2 中的历史的采样数据估算被控过程的当前状态，并通 过预估器预估未来的被控过程状态。文中假定系统所有节点均具有同步时钟，并 且即使在通讯时延最坏情况下，缓冲区长度也足够长。这种补偿方法也可以将随 机时延转化为时不变时延，从而可以采用传统方法进行控制系统的设计。它的优 点是不仅可以解决时延小于一个周期的情形，而且可以解决大时延问题；缺点是 由于加入了缓冲区，人为增加了额外的时延。 c h a j l 幽等人针对n h l s 提出了另一种网络时延的补偿办法。文中传感器和控制 器都是时间驱动的，而执行器是事件驱动的。c h a n 等人提出在传感器节点中具有 发送队列，传感器数据首先进入发送队列，然后由发送队列向通讯网络上发送。 在发送的传感器信息后面附加发送队列的长度信息，根据此长度信息，控制器可 以对接收信息的产生时刻做出较为准确的判定，从而可以较为准确地估计无时延 时的被控对象状态。这种方法也可以处理大时延问题。 a s o kr a y 必对随机时变延迟下的输出反馈时延网络系统进行了研究，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 g 控制器 ( d c l q g ) 。尽管该d c l q g 不满足分离定理，但它仍是闭环网络控制系统的个次 优解。在该方法中，传感器、控制器采用的是时间驱动的工作方式，而执行器采 用的是事件驱动的工作方式，并假定最大传输延迟限定为一个采样周期。 t s a i 等3 1 3 1 1 针对随机时变分时延，设计了一种输出反馈控制律，提出了具有随 机时延补偿的l q r d c b 偿器。同样，该补偿器也不满足确定性等价原理，但当网 络中不存在随机时延时，控制器满足该原理。文中同样假定最大传输延迟限定为 一个采样周期。 a r a y 、l w l i o u3 1 1 f i l 等提出了一种随机延迟测量下的状态估计算法，该算法是 对常规最小方差状态估计算法的一种改进。在该估计算法中，也要求信息传输的 最大延迟不超过一个采样周期。文中还对所得状态估计算法的稳定性进行了分析 研究，给出了+ 个判定该算法渐近稳定的猜想条件，但没能给出理论证明。 k r t o l i c a e t a l 四研究的随机时延系统中，f ，和，f 均具有马尔可夫特性，系 统中所有节点均采用时钟驱动方式。文章利用近似跳跃线性系统理论，给出了判 定闭环网络控制系统零状态均方指数稳定的充分必要条件。受到文献拦丑的启发， c h a r t 刨利用跳跃线性理论研究网络中存在发送队列的随机时延网络控制系统的 最优控制问题。 浙江工、大学硕士学位论文 n i l s s o n 凹提出了一种新的控制模式，传感器采用时间驱动的工作方式，而控制 器、执行器采用事件驱动的工作方式，并假定最大传输延时小于一个采样周期。 基于这种控制模式，在相对保守的假设前提下，文献研究了具有马尔可夫特性的 随机时延问题，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，并且给出了在不同时延特征下的闭环系统均方稳定条件。 于之训心在世1 的基础上提出了另一种新的控制模式。传感器节点和执行器节 点采用时间驱动，而控制器节点采用事件驱动的工作方式。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。 通过采用这种控制模式，得到了具有随机时变传输延迟的网络控制系统的数学模 型，并进一步利用m a r k o v 链理论和随机最优控制理论，得到了满足给定二次型性 能指标的最优控制律。 樊卫华怛l 蝴等分析了网络控制系统的稳定性，其中文叫讨论了一类具有数据包 丢失的时延系统的稳定性，该文将网络控制系统建模为具有事件率约束的异步动 态系统，导出了网络控制系统指数稳定的充分条件。但前提条件是假设数据包的 传输成功率为常数且时延小于，。文幽将网络控制系统建模为一类具有不确定性的 线性离散时延系统，利用l y a p u n o v 方法，导出了闭环系统渐近稳定的充分条件， 但只使用与时延小于r 的情况。可见文趾捌对网络条件的假设过高，不适用于一般 的网络状况。 刘玉忠等凹考虑设计多个控制器，通过在线切换来解决一类随机大时滞的网络 控制问题，给出了系统基于控制器切换的稳定的梯度算法，该文不需要提供网络 时滞分布，但需要根据时滞范围设计多个控制器，且算法需要迭代计算，有一定 的算法复杂度。 朱其新等世生刿研究了长时滞的网络控制系统。其中文幽定义了网络控制系统的 均值能控、均方能控、均值能观和均方能观，并得到了网络控制系统的能观能控 的充要条件。该文假设网络时滞有界，而文凹给出了时滞无限长情况下的随机最 优控制。文盟。蛆均考虑了系统噪声和观测噪声的影响。 归纳和总结了上述算法的优缺点，本文针对以太网控制系统的结构、时滞、协 议、控制器设计等开展研究，分析了网络特性与控制性能间的关系；提出了基于 预测控制算法的控制器设计方法，并通过仿真和实验验证了所提出的设计方法的 有效性。 新江t 业大学硕上学位论文 1 4 本文章节安排 第章：概述网络控制系统的发展现状，及其目前控制策略的研究结果。 第二章：对网络控制的结构、控制模式、网关的设计做简要的分析，并着重介绍 基于以太网的网络控制系统，提出基于控制策略服务器模式的网络控制 系统。 第三章：分析网络特性与控制策略间的关联关系，着重分析网络特性对于控制性 能的影响。 第四章：提出基于预测控制算法的网络控制，并仿真验证了该算法的有效性。 第五章：简要介绍了基于倒立摆对象的网络实验平台，并对嵌入式w e b 监控的实 现做初步的探索。针对倒立摆对象，仿真分析了本文所提的算法，并在 该平台上验证了提出的算法。 第六章：对网络控制的发展前景及其未来的研究进行展望。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 2 。1 引言 第二章网络控制系统构架 公共总线式的网络结构是用尽量少的导线，以比点对点式结构更少的维护将传 感器、执行机构、控制器等等设备连接在一起。它也使得将处理功能和运算负荷 分散给一些小单元成为可能。而且，在多处理器间的分布控制使系统更具鲁棒性 和容错能力，而中央处理式的控制某一点的故障对整个系统影响较大。在最近1 0 年，网络被用做简化信息传递的首选途径，因此工业界对网络的兴趣快速增长。 通常，计算机网络可以分为控制网和数据网。控制网在相对较多的节点设备间 传输大量小而频繁的控制信号以满足实时控制系统对时间的严格要求。相对来说， 数据网使用较大的数据包在大区域内进行相对不频繁的数据交换，利用较高的数 据通信率来传送较大的数据包。区分数据网和控制网的关键因素是对实时性支持 的能力有多大。但实时性是相对的，与控制对象以及实现技术有很大关联。从目 的来划分控制网和数据网似乎更直观，即：用于控制系统的网络属于控制网，纯 属于数据交换的网络属于数据网。而且不应从物理介质上将其划分为控制网或数 据网，同一条网络通路上可能同时传送着控制信息和非控制信息，这时的网络就 属于混合型的。 2 2 网络控制系统的典型结构 对于网络的分层结构有许多方案，但都大同小异，如“a n 心提出的五层网络 系统比较全面，如表2 一l 所示，五个层次中每个层都有不同的目的，不同的通信能 力、协议和复杂程度。实际系统并不一定用到所有的层，可根据需要选择合适的 分层结构和网络协议。而且每层所使用的设备、协议和应用范围都不是绝对的， 如以太网可以直接联入传感一执行层，c a n 总线也可用于局域网。在现代制造系 统中，第一层是设备层或者叫传感一执行层，是用来连接控制器、传感器和执行机 构的。第二层是单元控制层，在制造车间里被用在像铣床、车床和控制工作站等 等单元控制器上。通常，第一层和第二层分别被称作“传感器总线”和“现场总 线”。第三层是监督层，用来连接执行不同制造过程的机械单元。第四层是工厂管 理层，用以协调在一个工厂中如制造工程部、产品管理部和资源配置部之间的各 浙江工业大学硕二 学位论立 种执行任务。第五层是公司管理层，用以连接分布在不同城市或国家间的工作站。 表2l ：网络控制系统分层结构 层次设备协议应用范丽 公司管理层工作站，服务器 同下广域网 | 工厂管理层 工作站同下局域网 监督层工作站，微机m a p , t c p i i p , e t h e r n e t 1 p , m o d b u s t c p 局域网 l 单元控制层p l c ，c n c ，微机 c o n t r o l n e t ，p r o i i b u s ，l o n w o r k s ，w o r l d f i p 现场总线 c a n ，s d s ，a s i ，b i t b u s ，p - n e t ，i n t e r b u s ， l 传感一执行层 传感器、执行器 传感器总线 d e v i c e n e t ，s e r i p i e x ，s e r c o si n t e r f a c e 鉴于不同网络层次的应用，提出了很多网络协议。这些协议基于i s o o s i 标准7 层模型并且都使用报头报尾寻址。例如，用基于c a n 协议标准的网络传输1 6 位的 数据包，会有5 0 个额外的位，用以描述相关的信息，以便信息能正确和有效地传 输。除了对每条消息有正确的寻址外，协议还要规定数据传送的规则，如：以太 网的c s m a c d ，以便能准确地传输和避免冲突。 依靠网络协议，一个网络系统根据所采用的不同的通信模式可以体现不同的特 性。它们包括客户朋务器式、主从式( 点对点交换) 、广播式。这些特性满足了 各种过程的不同通讯需求。由于所有的设备被连接在同一公共总线上，由某一传 感器产生的信息可以方便地被某些控制设备获得( 广播式通信模式) ，面不必像传 统控制系统需要重复配置传感器或算法。因此在同一总线上的任何设备的信息可 以方便地被另外设备共享，著且比点对点式的系统需要更少的硬件安装。 如图2 1 为一典型的网络控制系统结构图，如上文所述，根据功能不同分为三 层：第一层为现场子网，主要是现场总线，也包括串口、并口、以太网和t c p i p 等等，这层主要负责现场数据的采集和根据控制量驱动执行器，通过网关与上层 控制器交换数据，每个子网对应着一个相对独立的控制单元，可以是一个单独的 控制对蒙，也可以是一个复杂系统的一部分。子网主要体现在地理位置上的独立 性，其子网节点所采集的数据并不一定具有相关性。对于子网采集数据的处理是 在第一层一实时管理层实现的，该层要实现对一个较完整的系统的控制，包括 控制策略、调度和实时数据库等等的计算和管理，要保证系统实时性的要求。为 了不影响该层的实时性，对于一些实时性要求不高的服务放在第三层，通过交换 机与第二层交换数据。第三层也就是工厂管理层，负责数据的w e b 发布、历史数 浙江工业人学硕士学位论文 据的检索、代理服务以及防火墙等等，包括一些e r p 服务也在这一层实现，该层 通过路由器接入广域网，实现全球互联。 图2 1 网络控制系统典型结构示意图 2 3 网络控制系统的控制模式 网络控制系统的核心是控制策略，根据控制策略在网络控制系统中的相对位 置，可以将网络控制系统分为三类，如图2 2 所示。 第一类：控制策略、传感器和执行器在同一端，远程端通过网络来监控系统。 控制端为传统的d d c 或是d c s 系统，一般忽略控制器到传感器和执行器的时滞。 在远端也可实现改变设定值、获取历史数据等操作，但没有控制策略。这类系统 其实比传统的控制系统多了远程监控部分，也是目前应用较多的模式。由于监控 的数据般不影响控制端，所以对这类系统的控制器设计没有特别的要求。但仍 需分析远端数据的请求是否会对控制器的执行造成影响。在设计时可将远端数据 请求例程的优先级设为最低，如果还是影响控制性能，则要考虑降低数据请求的 频率。如果对监控端的实时性有要求，那么又要提高数据请求例程的优先级，这 时需要分析该例程的执行时间是否能在一个采样周期内完成。这类系统其实并没 有充分利用网络的优点，传感执行端的空间分布受到约束，不适合大分布复杂系 统的应用。 第二类：控制策略在远端，通过网络实现系统的控制。这是一般认为的网络控 浙江丁业大学硕士学位论文 制模式，也是目前研究较多的，其特点是控制策略和传感一执行端存在不确定的时 滞。智能传感器、智能执行器是指其带有通信接口，可以是现场总线、也可以是 以太网、串行总线等等。对于这类系统的设计必须分析时滞是否会对控制性能造 成影响。传感，执行端没有控制算法，整个系统完全依赖网络整合在一起，所以网 络的性能和状态对控制性能有较大的影响。 第三类：传感一执行端和远端都有控制策略，这种是第一类和第二类的复合， 想结合前两类的优点，克服前两类的缺点。每个传感执行端有代理控制幽，每 个代理控制可以负责整个系统的某一部分的控制策略，当远端的主控制策略由于 网络状况而失效时，起到暂时代替控制的作用。代理控n - 般是一些比较简单的 控制策略，如p i d 等，由于某个代理控制只负责某一部分的控制，所以不能对整 个系统的控制进行优化。而远端的控制策略一般为先进控制策略，负责整个系统 控制性能的优化。当然这类系统的设计相比前两类要复杂，需考虑如何针对整个 系统设计代理控制器、主控和代理控制如何切换等等问题。 n o 1 n 0 2 n 0 3 曰圈 圉 l - n t e 毽e n ts e n s 。， li m e u 追。n ta c t u a t o r 圜国嚣 图2 - 2 网络控制系统的控制模式 2 4 嵌入式网关的设计 网络控制系统中，网关似乎是可有可无的，但就像交换机在网络不可缺少一样， 网关也是构成整个系统的纽带。有关组织已经开始制定有关开放网关的标准，如 o s g i ( o p e n s e r v i c e sg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 幽，这是一个非盈利性的工业组织，该组 织的宗旨是希望把全球的局域网通过网关连接起来，构成一个庞大的广域网，包 括家庭内的智能家电，工厂的智能设备，无线通信设备等等，并制定了网关的初 步规范和框架。 浙江工业大学硕士学位论文 网关可以实现两个相同或不同协议间的数据交换，两个网络间并不一定要有主 从关系，而这里讨论的网络控制系统的嵌入式网关，有一定的主从关系。嵌入式 网关并非一定是独立的，有可能集成在传感一执行端，功能也可能不很明显。当 然网关也可以是一台p c 机，关键是看它完成的功能。如果采用的是上文所述的第 三种模式的话，网关还有可能负责代理控制算法的计算。 如图2 3 所示为一般的嵌入式网关的组成图，包括存储器、显示器件、键盘、 通讯接口、微控制器处理器、以太网接口、调试接口等。存储器般分为r a m 和r o m ，其中有许多各具特色的产品，如f l a s hr o m 、e 2 p o m 、d r a m 等等， 根据速度、大小、用途、成本等因素选择。显示设备可以是l c d 、l e d 、c r t 等 等。如图2 一i 所示，网关的上层网络一般为以太网，所以该嵌入式网关要带以太网 控制器。主芯片为微控制器微处理器，根据该系统应用的领域以及网络处理速度、 带宽等方面的要求，选择不同处理速度的芯片。作为网关，般冯诺依曼结构 的芯片比较适合，但如果网关同时需要处理图像甚至视频等任务时，应该采用双 核的芯片。 网关的核心功能是完成协议转换，由于子网内的通信协议种类繁多，根据不同 的应用场合，很可能会采用不同协议，如1 2 c 、c a n 、p r o f i b u s 等等，所以网关需 提供这些协议的通信接口。网关需要将子网内的数据解析出来，重新封装成以太 网的格式