（模式识别与智能系统专业论文）基于丢包和多包传输的网络控制系统研究.pdf

摘要 分布式控制系统的发展趋势是采州串行通讯网络作为控制器、传感器利执行器间信息的 交换通道，这种通过控制网络实现闭环控制同路的反馈控制系统称为网络控制系统。网络控 制系统贝有系统造线少、可靠性高、结构灵活、易丁系统扩展和维护以及能够实现信息资源 共享等优点。在贝有多重优点的同时，网络控制系统 1 身的缺 也是明显的。由丁控制网络 是分时复州的信息只有等刮网络空闲时才能发送出去这样就不可避免地将网络传输时王正 引入剑控制系统中。而且不同的网络协议，时延可能是恒定或者时变的，使得网络控制系统 的分析雨i 敬计变得十分复杂。 对控制网络的坍议和i 时延的组成及性质进行分析，讨论了影响时延的闪素。在此基础之 上，研究了多输入多输山的线性网络控制系统的连续时间模型，此模型中包含有多个网络时 延。另一方面，利州离散控制系统理论，分析了控制系统中的各信号关系，提出了控制器i ， 点l ：作在时间触发方式r 的 = | 环网络控制系统的离散数学模型，其系数矩阵依赖丁时延。当 时延为常数时，系统的状态方秽是时不变的。 此外，一方面由丁网络传输的不可靠性，时常发生信息冲撞或连接中断，导致数据包丢 火；另一方面由r 数据分组人小的限制平网络设备空间距离的不断扩人， 艮难将数据放入一 个包中进行传输，这就使得数量人的数据不得不分成多个包进行传输。针对这两种情况，借 助异步动态系统对其进行数学建模，给山了基t - k y a p u n o v 理论的稳定性分析，最后将问题 转化为求解线性矩阵不等式( 或烈线性矩阵不等式) ，并通过仿真实验证明了定理的有效性。 为了便1 ：研究网络控制系统，使_ l | j 了荩丁n a “a b 的t r u e t i 1 l c * i ：具箱，它包括计算机平| l 网络两个模块。计算机模块按照刚户定义的任务执行，代码采j 【_ l jm a t l a b 或c + + 编写；网络模 块采用事件驱动方式，当有消息进出网络时，网络模块就执行工作。 最后，对本文的研究内容作了总结，并且讨论了网络控制系统中亟待解决的问题。 关键词：网络控制系统，时五正，异步动态系统，数据包丢火多包传输，线性矩阵不等式 t r u e t i m el 具箱 a b s t r a c t am a j o rt r e n do fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m si st h a tm e s s a g e sa r ee x c h a n g e dt h r o u g has e r i a l c o l n m u n l c a t l o nn e t w o r kb yw h i c hc o n t r o l l e r s 、s e n s o r sa n da c t u a t o r sa r ei n t e r c o n n e c t e d t h i st y p e o ff e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m sw h e r e i nt h ec o n t r o ll o o p sa r ec l o s e dt h r o u g hac o n t r o ln e t w o r ka r e c a l l e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sh a v et h ea d v a n t a g e so fl e s sw i r e s h i 曲r e l i a b i l i t y 、i n c r e a s e ds y s t e ma g i l i t y ，g o o df l e x i b i l i t ya n ds h a r eo fi n f o r m a t i o nr e s o u r c e s ，e t c b u tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sh a v et h e i ro w nd r a w b a c k s ，t o ot h em e d i u mo fc o n t r o ln e t w o r ki s t i m es h a r i n gm u l t i p l e x i n g s ot h em e s s a g e sc a nn o tb et r a n s m i t l e dt m t i lt h en e t w o r km e d i u mi sf r e e g i v e nt h ep o i n ta b o v e ，t h en e t w o r ki n d u c e dt i m ed e l a yi si n t r o d u c e di n t ot h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m si n e v i t a b l y d e p e n d i n go nt h en e t w o r kp r o t o c o lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m ed e l a yc o u l db e c o n s t a n to rl i m e v a r y i n g ，w h i c hm a k e si th a r dt oa n a l y z ea n dd e s i g nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o nh a sa n a l y z e dt h en e t w o r kp r o t o c o l s ，t i m i n gc o m p o n e n t sa n dt h e i r c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd i s c u s s e dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et i m ed e l a y s o nt h eb a s i so ft h a t ，a c o n t i n u o u s - t i m em o d e lo fm u l t i - i n p u ta n dm u l t i o u t p u tl i n e a rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si sd e r i v e d w h i c hi n c l u d e ss e v e r a ln e t w o r ki n d u c e dt i m ed e l a y s o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e l a t i o no fs i g n a l si n t h ec o n t r o ls y s t e m si sa n a l y z e du s i n gd i s c r e t e - t i m ec o n t r o ls y s t e mt h e o r y ad i s c r e t e - t i m em o d e lo f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si sp r o p o s e dw h e nt h ec o n t r o l l e rn o d ei st i m et r i g g e r e dw h o s e c o e f f i c i e n tm a t r i c e sd e p e n do nt i m ed e l a y s t i l es t a t e - s p a c em o d e lo ft h es y s t e mi st i m e - i n v a r i a n t w h e nt i m e d e l a y sa r ec o n s t a n t i nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 。s o m ep a c k e t sn o to n l ys u f f e rt r a n s m i s s i o nd e l a yb u t ，e v e n w o r s e ，c a nb el o s td u et on e t w o r kc o n g e s t i o no rc o n n e c t i o nf a i l e d o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sv e r y d i f f i c u l tt op u ta l ld a t at oo n ep a c k e td u et ot h ec o n s t r a i n to fp a c k e ts i z ea n dt h em a g n i f i c a t i o no f s p a c ea m o n gn e t w o r kd e v i c e s s os o m el a r g ed a t ai sd i v i d e di n t om u l t i p l ep a c k e t sf o rt r a n s m i s s i o n o nt h eb a s i so ft h et w op r o b l e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sa n a l y z e dt h es y s t e m s s t a b i l i t yb a s e do n l y a p u n o vt h e o r i e sb ym o d e l i n gt h es y s t e m sa sa s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e m s ，a n dt h e nt h et w o p r o b l e m se n da sl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t ys o l u t i o n ( o rb i l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t ys o l u t i o n ) f i n a l l y ， t h ee f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dm e t h o d si sd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s i no r d e rt of a c i l i t a t et h es t u d yo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s am a t l a b b a s e dt o o l b o x t r u e t i m eisi n t l - o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e sc o m p u t e rb l o c k sa n dn e t w o r kb l o c k st h ec o m p u t e r b l o c k s ，w r i t t e ni nm a t l a bo rc p pl a n g u a g e ，a r eu s e dt oe x e c u t et h et a s k sd e f i n e db yu s e r s t h e n e t w o r kb l o c k s ，d r i v e nb ye x t e r ne v e n t s ，s t a r tt ow o r kw h e nt h e r ei sm e s s a g eg e e i n gi n t oo ro u to f n e t w o r k s a sac o n c l n s l o n t h em a i np o i n to ft h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ep r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e di n n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r eg i v e ni nt h ee n d k e yw o r d s ： n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，t i m e - d e l a y ，a s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e m s ， p a c k e tl o s s e s ，m u l t i p l e - p a c k e tt r a n s m i s s i o n ，l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y , t r u e t i m et o o l b o x 中田科学披术人学坝i ：论义 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 八十年代，特别是八十年代中期以来，l 业白动控制系统已经向着c i m s c i p s ( 计算机 集成制造系统计算机集成过群控制系统) 方向发展，其目标是实现生产管理的全局优化最 人限度地提高生产力。作为c i m s 系统重要绸成的i 。业控制系统，也随着企业管理模式的变 化而不断得到发展。r 业控制仪器、仪表已经从模拟苗向数字苗、智能化以及单台独立l ：作 向网络化转化。近年来，随着计算机网络技术的迅速发展，现在过程控制系统已从d c s ( 集 散控制系统) 向f c s ( 现场控制系统) 转化。 进入九十年代后，随着计算机网络技术的迅猛发展以及控制和管理要求的不断提高，使 得控制系统由封闭的集中体系向开放的分布式体系加述发展。引起了控制领域的深刻变化 并逐步形成网络化、全分布、全开放的白动控制体系结构。目前流行的现场总线技术，就是 这场深刻变革中的重要产物，它使得现场仪表z 问 i l 控制室设备之间构成网络联系统。实 现全数字化、以向、多变鼙数字通信，借助网络化的特点把实现先进控制算法中雉以处理的 系统复女 性处理为信息交换方式，形成集优化设计雨l 精确控制为一体的自动化集成控制系统。 进入2 1 世纪自动化与1 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| ：厂与智能i 殳备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间，其间的通信需要数据通讯 网络来实现，这是网络环境r 典型的控制系统。另一方面，通信网络的管理与控制也要求 更多的采刚控制理论与策略。集中式控制系统干集散式控制系统都有些共同的缺点，即随 着现场设备的增加系统布线十分复杂成本人人提高，抗干扰性较差、灵活性不够、扩展 不方便，维护比较困难等。为了从根本上解决这些问题，必须采刚分布式控制系统来取代独 立控制系统。分布式控制系统就是将控制功能f 放到现场诤点，不需要一个中央控制单元来 集中控制和操作，通过智能现场设备来完成控制雨l 通信任务。由丁它适应了丁业控制系统向 分散化、网络化、智能化发展的方向给白动化系统的晶终埘户带来更人实惠和更多方便， 井促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统i k s 、可编牲控制器p l c 产品面临体系结构、 功能方面的巫人变革，导致i 。业白动化产品的义玖受新换代，冈而网络控制系统己成为1 ：廿= 界瞩目的口控技术热点。 分布式控制系统可以分为现场总线控制系统( f c s ) 和网络控制系统( n c s ) ，前者可以 看佧是后者的初级阶段”l 。从网络结构上来说，n c s 和f c s 并没有区别，都是总线网络，多 个- 1 y 点共享信道传输实时或1 r 实时数据：但从定义l 石，f c s 侧重的是缸点之间实时或1 | 实 时信息的传输和共享，而n c s 则强凋在串行实时总线k 建立环控制同路，从这一点上看 n c s 对丁网络的实时性要求更高，网络结构也更加分散。n c s 中的控制网络是一个j 。义的范峙， 包括了f c s 。但不局限丁f c s ，还可以包括l 啦以太嘲、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。 “n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s ”晶甲丁1 9 9 8 年出现在马里兰人学g c w a l s h 的论著中， 但术给出明确的定义。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刚环。 清华人学的顾洪军给出了明确的定义1 “：网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ) ，义称为网络化的控制系统即住网络环境r 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，圳以提供设备之间的数据传输，使该区 域内不同地点的设备年州户实现资源享和协调操作。j 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 te r n e t 实现对f l - 间、生产线其至现场设备的监视与 控制等。这里的“网络化”一方面体现在将信息网络引入控制系统，连接翘能现场设备雨l 自 动化系统实现了现场l 备控制的分布化平网络化，其拓扑结构参 i 计算机局域网，包含星 中国科学拙术人学坝 论义 第1 章绪论 叩、总线型干| 环即等儿种形式：兄一方面体现住现场控制。上层管理相联系将孤立的自动 化孤岛连接起来形成网络结构( 如幽i1 ) 其中由j t 企业资源计划( e r p ) 在维持和增强 企业竞争力方面的重要作h j ，它已成为lr 自动化系统中不可缺少的绸成部分。这种网络化 的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数人人减少、易丁扩展、易丁维护、高效率、高 可靠性、灵活等优点1 4 i 。 商业战略 幽1 1t 业企业嘲逻辑集成框架 从以上可以看出控制技术和i 控制系统应该与企业的商业战略相联系，不仅需要将控制 系统的再部分集成到一起而且需要将控制系统r 硬什和软什) 集成到整个企业系统之中。 企业的这种组织管理模式客观上便要求信息网络j 0 控制网络的体化( 如图i 2 ) 二者的分 离必将降低企业的生产管理效率。将控制网络融入企业信息网络，可以实现：集中管理、高 层监控和企业的综合自动化，为进一步连入更人的网络系统，如j n t r a n e t 、w a n 、i n t e r n e t 等 打r 基础，从而实现远程监控、远程诊断嗣i 远程维护。而网络控制系统止是在这种背景卜应 运而生的。它的出现，标志着j r 业控制技术领域又一个新时代的开始。 幽12 通过联构成一体化企业i 叫 1 2 网络控制系统的研究内容与现状 “n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”被提山的时问诈刁、k ，但被作为一个系统研究以来已经取 得了一定的成粟。网络控制系统一般有两种理解， 种是对刚络的控制( 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 h n e t w o r k ) 1 5 1 。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、网络数据流鼙等的调度与控制，是对网 2 中国科学技术人学 i ! i ! 卜论义 第1 章绪论 络自身的控制，可以利州运筹学和控制理论的方法米实现1 6 7 1 ：后者是指控制系统中各：常点 之间的数据通过网络传输，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r 口方 法进行研究。 n c s 往具备诸多优点的同时，也具有报明显的缺点雨l 急 0 解决的问题 t , g - i ”： 各种通信协议没有统： 和j 泛采j _ l j 的t c p i p 锛议不兼容，其间需要复杂的转换： 端对端( e n d t o e n d ) 的通信延迟： 网络的拥塞现象、误码承l 丢包问题。 网络控制系统作为控制雨i 网络的交义学科涉及的内容相当广泛，r 面将给出网络控制系 统的研究内容及其现状。 1 2 1 网络控制系统的网络体系结构与协议 公用数据网的研究和发展已有一段历史了，比如s l o t t e da l o h a ( s t a l l i n g s ，2 0 0 0 ) ， a r p a - n e t ( m i n o l i s c h m i d t ，1 9 9 9 ) 。现在广泛使用的有以太网和英特网，数据网络的出 现使得远程数据的传输和交换成为可能，而且成本较低迮线简单，维护方便。鉴丁网络具 有的这些特点，一些l 业机构开始考虑将网络刚丁远程i 业控制和l 。厂臼动化，由此产生了 一些r 控专州网络，比如c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 网络，p r o f i b u s 网络。近年来现场 总线迅速发展，为网络控制系统提供了众多的解狄方案。但是由丁现场总线是殴各级的低速 数据总线，随着仪器仪表智能化的进一步提高越米越多的信息需要通过总线传送，尤其是 e r p 和基t - t c p i p 的以太网络的高速发展和r 泛应用，各种现场总线之间以及现场总线和 i n t e r n e t 之间的信息交流平共享越来越多。目前已迫切需要一种新的标准来满足这种需求。 由丁以太网的迅速发展，成本不断降低，速度不断提高，麻川范闱不断扩大，应用软件 的支持率不断上升，再加上它刚有的良蚶的结构，以太网越米越多的被麻用到t 业控制领域 ”“。一般认为以太网的实际负载仅能达到信道带宽的l ，3 ，否则将会因j l 个节点试图同时占 用信道而发生碰撞现象从而引起通信阻塞现象，严重时甚至导致系统无法正常：【：作。因此认 为以太网无法适合对实时性要求比较高的场合，实际上也不可一概而论，对于网络结点较少， 在流量较小的情况f ，发生碰撞的概率就较低，而且，即使发生碰撞，也能在较短的时间内 经协调后来完成通信任务，并不会发生严重的时延现象。况且，实时本身就是一个相对的概 念，在具体的实践中，只要能将时延控制在一个较小的范围并保证不经常发生丢包现象， 并在通信双方采刚一定的纠错确认机制，就不会产生明显的问题”“。o t a n e z 等提出了将基 于t c p i p 的e t h e r n e t 州丁i 业控制网络的构想，并给出了将e t h e m e t 成功应j ；j 于控制网络所 需的必要条什”。k a p l a n 总结了廊埘以太控制网络的诸多好处并介纠了e t h e m e t 应用于工业 控制的实例1 1 2 。将e r p 的数据库通过e t h e m e t 直接删丁| 控制米进行生产制造，所有的设备和 控制器拄在基t - t c p i p 的l o o m b se t h e r n e t 网络上，每个控制1 ，点拥有自己的i p 地址，井 有内置的w e bs e r v e r 。 英特网的使川范罔也越米越_ r ，儿乎是无孔不入，所以我们可以将i 。业控制网络和英特 网相连使得数据的传输距离更远，尽管l 控网和英特网的近接需要进一步的技术支持，但是 由于英特网在实现更远距离的传输上具有成本较低、范围更j 等优势，使得这一连接具有很 大的吸引力。目前，采h jt c p i p 嵌入式网络控制系统已经提出一些解决方案，嵌入式 i n t e m e t i ”j ，片上系统集成( s o c ，s y s t e mo n c h i p ) 已成为当前研究的热点。随着对嵌入式 i n t e r n e t 技术研究的不断深入，必然使得嵌入式i n t e m e t 的麻川 l l p - 品朝着小型化和无线化趋 势发展。前者是闻为要将i n t e r n e t 嵌入到殴备中左所以希望其产品越米越小：后者是冈为 连接电缆相对丁二越米越小的设备而言已经显得过丁沉重，并且嵌入式设备需要移动，所以希 望无线。i e e e8 0 2 11 b 标准和监牙标准作为两项无线通信标准开始受到控制界人+ 的注意。 d e l l 、3 c o m 、c i s c o 、i n t e l 、s o n y 、a p p l e 干朗讯等约7 0 家公司支持i e e e8 0 2 1 1 b 无线 局域网标准。它i 作在2 4 g h z ，直接序列扩频，最人数据传输速率为1i m b s ，无须直线传 播。支持的范围是在室外为3 0 0 m ，在办公环境中最k = 为1 0 0 m 。使j _ | ；与以太网类似的连接协 中国科学技术夫学蝴j 论史第l 章绪论 议和数据包确认，米提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使h 。h o n gy e 对基丁无线局域 网( i e e e8 0 2 i i b 无线l a n 协议采刚c s m a c a 方式述行媒体访问控制) 的n c s 进行了研 究”4 ”1 。基丁i e e e8 0 211 b 的定义和实时监控系统的要求，提出了瑚_ 实时无线控制网络的 新的通信协议一p i o 硼z e dc s m a c a ( 卜_ c s m a ，c a ) 协议，对系统的稳定性和调度算法进 行了讨论，弗给出了仿真实验结果。 监才技术( b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ) 是一种无线个人连网技术，它的发起者包括爱立信、 i b m 、i n t e l 、诺基弧剐尔芝。作为一种开放性的标准，监牙可以提供在短距离内的数字语音 和数据的传输，可以支持在移动设备和桌面殴备之间的对点或者多点盼应川”“。蓝牙技术作 为一项摄有前途的无线个人网络技术之一，方兴朱艾。i 业控制界也对在更多的i ：业麻川中 采用蓝牙技术表现出了浓厚的兴趣。然而，在无线网络庶j 中存在的不可靠的连接和时延问 题成为该项技术应用时不得不考虑的问题。j o h a ne k e r 考虑了在闭环网络控制系统中应用蓝 牙技术所带来的特殊问题”：较k 的时变延迟和误码问题。针对这两种情况给出了解决方案， 并对基于监牙技术的旋转式倒立摆进行了仿真和实验研究。 1 2 2 网络控制系统的时延分析 在分析n c s 的网络时延时人们最关心的有两种时延：传感器到控制器的两络时延和控 制器到执行器的网络时延：另外，控制器中控制程序根据网络上传送来的传感器测量数据进 行计算，得到控制鼙，这一过样所花费盼时间称为控制器的处理时间。同样地，传感器采样 实时信号以及执行器对控制信息的晌应都需要时间，分别称之为传感器处理时间和执行器处 理时间。因此网络控制系统中，时延可以分为网络时延和肖点处理时延两类。关于这两类时 延的具体分析可以参考第三章。 在实际鹿朋中，网络的扰动( j i t l e r ，d e f i n e db yi e e ea s ：t h er e l a t e d ，a b r u p t ，s p u r i o u s v a r i a t i o n s i n t h ed u r a t i o no f a n ys p e c i f i e dr e l a t e d i n t e r v a l ) 是难以避免的i z 0 l 。所谓抖动是指：在 任何特定的时间间隔内与时间相关的、突然的、乱真的变化。抖动依赖丁时钟的精确性、 调度算法和计算机埂中卜结构。从控制的角度看，抖动表现为：控制周期的抖动、延时抖动、 采样抖动；从调度的角度看，抖动表现为：输入抖动、输出抖动、队列抖动，截止期抖动。 网络控制系统是一种分布式时间系统，具有严格的实时性要求，系统中包括周期性通信， 随机性通信和突发性通信，其中周期性通信的实时性对于系统的性能来说是最重要的。一方 面，需要加强网络通信的实时性，采用合适的调度算法是减小网络延时的根本手段：另一方 面，需要研究网络延时的特征并建立相应的时延模型，可以为控制葬法的设计提供支持和 保证。顾洪军基r 数据链路层数据传输策略，从逻辑令牌传递和信道竞争两个角度分析了周 j | 性通信的实时性，给出了实时性的充分条仆，为网络控制系统的殴计提供了理论依据1 2 1 i 。 l i a n 对n c s 中的延时进行了详细的分析和讨论，升对e t h e r n e t c o n t r o l n e t 。d e v i c e n e t 进行 了性能比较，分别指出了它 f j 的优缺点”“j 。b r a n i c k y 研究了传感器是时间驱动，控制器和 执行器均为事件驱动的n c s 模型12 4 1 。文中廊刚稳定区划分对采样时阅和网络时延的芙系进 行了分析。井麻心混台系统稳定性分析技术对n c s 的稳定性进行了分析。 1 2 3 网络控制系统的网络调度 在n c s 中，控制同路的性畿不仅依赖r 控制策略的殴计，还依赖丁网络资源的调皮，尤 其是在目前网络资源十分有限的条什f ，对n c s 进行实时性调度分析更显得尤为重要。 传统的计算机控制理论中，假殴对象输出为等距采样，即周期性的在k t ( k = 0 ，1 ) 时 刻进行采样其中，为采样周期。这样的假设可以得剑l t i 数据采样系统，并可大人简化对 系统稳定性和性能的分析。然而由丁网络传输延时及其不确定性的存在，等距采样在n c s 中不一定能得到保证“”。由r 媒体访问控制子层( m a c ，h e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 采用协 议的不同，采样可能是周捌性的或许周期性的。m a c 协议通常可分为两人类：随机访问和 4 中国科学拙术人学坝i 论卫第1 章缔论 凋度访问。载波侦听多路访问( c s m a ，c a r r i e r s e n s em u l t i p l e a c c e s s ) 常用于随机访问网络 中。而令牌传递( t p ，t o k e n p a s s i n g ) 和时分复用多路访问( t d m a ，t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 刚常i _ l j 丁调度网络中。表1 1 列出了常弛控伟4 网络的媒体访问子层的访问方式。 表1 1 挣制州络媒体济问方c 比较 总线f fp r o f i b u s c a n e t h e m e tl o n w o r k sh a r tc o n t r o l n e t 类型 功问令牌令牌 c s m a ，c ac s m a ，c dp p 令牌令牌 方止土从主从 c s m a c d 盘l 佃 采川c s m a 媒体访问方式的控制网络中，在产生冲突后可采州不同的避l 止和重发规则， 故不能保证得到等间距的采样；采埘令牌传递和时分复j = | ；】的调度网络，理论上可以实现信息 的周期性调度，并保证时延的确定性。然而，在实际应用中，网络的扰动又是难以避免的。 虽然人多数网络无法保证信息传输周期的确定性，但通常可以保证信息的传输不超出时 限( t i m ed e a d l i n e ) 。也就是说通过醴置高的优先级或采用有效的调度方法，可以保证信息 的时限。因此，当咧定传输周期不能保证的情况f ，得到时变传输周期的上界就尤为重要。 调度可以是静态的和周期型的，这时网络延时是确定性的、已知的，可以简化对控制系 统的分析羊综合。但却使得网络资源的利用率人人降低，灵活性f 降。相反，动态调度灵活 多变，可有效利用网络资源，但却导致了时变和i 来知的延时，带米整个控制系统性能的降低 甚至不稳定。 在调度型网络中，在等待令牌或时间槽到来时也会导致传送的延迟。一般情况对于周期 性传输的数据包来说这种延时是有界的乖i 闻定的。随机访问方式的网络延时是随机的，甚至 是无界的。冈此，c s m a 网络通常都要考虑其不确定性。如果数据包的传输有优先级的话， 比如c a n 总线的位仲裁策略，则可以保证高优先级数据的及时传送。 目前有不少文献对控制网络的信息调度进行了研究“j ，然而对n c s 实时调度研究相 对来说还是一个有待予进一步研究的领域。w a l s h 针对网络控制系统研究了两种调度算法： t o d ( t r y o n c ed i s c a r d ) 币i t r t ( t o k e n - r i n g - t y p e ) 1 2 s i 。假定有p 个传感器节点连接到n c s ， 静态调度算法简单地认为在每p 个传输中每个肖点按l 司定的优先权只传输一次。在最大允许 时间间隔( m a t i ) 的限制f ，控制器每r 秒必须从传感器竹点接收至少一个传输信号。因此 在静态调度f ，所有的传感器值只能在昂人时间间隔p r 秒内更新。t o d 凋度算法采取的策 略是：具有最人加权误著的i 捧点先传输信息。同样，m a t l 确保每f 秒至少传输一次。w a l s h 计算了不同的调度算法下使系统稳定的最人m a t i 值，然而，t o d 算法并没有保证每p 次传 输中每个节点至少要传输一次。在后续t 作中，w a l s h 等人进一步完善了这一算法1 2 9 , 3 0 , 3 ij 。 1 2 4 网络控制系统的数据包传输问题 单包和多包传输问题 单包传输是指n c s 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n c s 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行传 输。在包交换网络( p a c k e t s w i t c h e dn e t w o r k ) 中要进行多包传输，一方面是冈为单包字1 i 人 小的限制一个数据包只能装载有限的信息；另一方面是冈为n c s 的传感器平l l 执行器常常分 布在一个根人的物理空间，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 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n c s 中已 不再成立。冈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，也不可 能同时到达。 中困料学投术人学倾i 论殳 第1 帝绪论 不同网络适台丁不同类型的传输方式。e t h e m e l 最初的设计是h = | 米传输数据信息文什的， 其单个分组数据的晟人k 度为1 5 0 0 b y t e s ：冈此将传感器数据封装在一个分组一起传输一 一单包传输，将更为高效。d e v i e e n e t 适合丁频繁传输较短的控制数据，其一个分组的最火 数据k 度为8 b y t e s ；因此，在d e v i c e n e t 中传感器数据经常分布在多个分组中传输多包 传输。 2 数据包的时序错乱 在网络环境r ，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，这必然会导致 数据包的时序错乱。在n c s 中，数据包的时序错乱义分为两种情况： 单包传输时，每一包数据便是一完幕数据，此时数据包的时序错乱是指原来有一定 先后次序的多个完整的数据在从源节点发剑目标肖点时，其到达的时序与原来的时序不同。 多包传输时，一个数据被分成多个数据包进行传输当这些数据包从源肯点到达目 标1 ，点时，其到达的时序与原来的时序不同。 3 丢包问题 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这义必然会导致数据包的丢失。虽 然太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，当超出这个 时问后，数据也就会丢失。传统的点对点结构的控制系统基本上都是同步和定时的系统它 可以对系统中参数或者未建模动态具有较强的鲁棒性，但可能完全不能容忍数据网络的结构 和参数的改变( 网络中的数据包丢火可以看成网络结构希i 参数的改变) 。对实时反馈控制信 息( 例如，测域值和控制信号) 来讲丢弃过时的数据，始终发送最新的数据，不进行信息的 重发，这样更有利丁最新信息的利川，保证信息的实时性。 一般说来，| = j 】环系统可以容忍一定数餐的数据包丢失，但研究数据包丢失时系统是否稳 定以及计算系统可以接受的最大丢包率无疑是很有价值的。 n i l s s o n 将丢包问题崩带有两个状态的m a r k o v 链来建模，把丢包看作是空采样”“。q i a n g l i n g 研究了n c s 中丢包问题对系统性能的影响。在文献【3 3 】中，推导了离散时间反馈控制系 统输出的能龄谱密度( p s d p o w e r s p e c t r a ld e n s i t y ) 其中丢包概率川一个已知的概率g 米 描述文中计算山的p s d 是丢包概率的函数，而丢包概率被看作是网络服务质鼙( q o s ) 的 测量值。基丁推导出的p s d 预测了输出的功率、i ，范数( p o w e rs e m i - n o r m ) 。这样就直接将 控制系统性能( 通过输出的功率芈范数进行测鼙) 和网络服务质量( 通过丢包概率进行测 鼙) 联系起来了。在文献( 3 4 】中，q i a n gl i n g 进一步研究了n c s 中丢包的最优补偿问题。 1 2 5 网络控制系统的建模与控制器设计 1 网络控制系统的数学模型 对n c s 的数学建模首先需要了解仃点的驱动方式。在实时系统中，l ，点的触发方式分 为时间驱动( t i m e d r i v e n ) 年l l 事f l 驱动( e v e n t d r i v e n ) 两种1 ”i 。所谓时间驱动的i ：作方式，是指 1 ，点在采样时钟的作h r 定时采样信号，然后进行发送。而事仆驱动是指信号一到达1 ￥点 仙点立即被激活对数据进行处理和发送，即“信号到达”这个事什“驱动”竹点执行相应 的动作，冈此叫事引：驱动的i 作方式。如果环境中存在许多零散的信号以朱知的次数交换， 此时采用事件驱动将取得更好的性能：反之，如果环境中周期信号必须交换，那么采用时间 驱动取得的效果更好。 如幽1 3 所示，被控对象为连续时闻对象而控制器为一数字类玳的控制器，控制器输 山通过一执行器施加剑铍控对象上。其中，r 、表示传感器剑控制器的传输延迟，t 。表示控 制器剑执行器的传输延迟，r ，为控制鼙的计算时间，可将其门并人f 。 殴n c s 中被控对象的连续状态方程为： 6 中固科学技术人学 l ! j ! l 。论文 第l 章绪论 f 量( ，) = a x ( t ) + b u ( t r )、 y ( f ) = c x ( ，) n c s 的传感器股采川时钟驱动，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。根据扭点不同的触发方式，可以得剑不同的系统离散 时间模型。为了对n c s 进行建模，首先对系统作如r 假| 殳( 以r 的分析将每次取其中的儿条 假设来建模) ： ( 1 ) 传感器1 ，点采川时间驱动方式，对被控对象的输出进行等周划采样，采样周期为t ； ( 2 ) 控制器仃点采用时间驱动方式而执行器侮点采刚事什驱动方式； ( 3 ) 控制器和执行器节点均采刑事件驱动方式： ( 4 ) 整个控制同路总的时间延迟满足：0 r + = + + t 。 t ，且“为l 卉| 定的或随 机的： ( 5 ) 整个控制同路总的时闻延迟满足0 t k = r ? + r ：+ t ” l ，且q 为涮定