网络控制系统中的基本问题课件

1、 P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题 A 网络控制系统中的基本问题1.课文内容简介：主要介绍网络控制技术中网络控制系统 的定义、优点、网络控制带来的特殊问题网络延时、通过 通讯协议的特殊设计来解决网络延时的方法和单数据包与多 重数据包传输、丢失网络数据包等问题。2.温习有关网络控制技术与设计方法方面的内容。3.生词与短语agility n. 灵活，便捷jitter n. 抖（颤）动，颠簸destabilize v. 使打破平衡，使不稳定medium access contr

2、ol (MAC) 媒质访问控制CSMA/BA 载波侦听多路访问/位仲裁CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测isochronous n. 同步的，等时的 P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题4. 难句翻译1 Ethernet employs a CSMA with collision detection (CSMA/CD) protocol. When there is a collision, all of the affected nodes will back of

3、f, wait a random time (usually decided by the binary exponential back-off algorithm), and retransmit, as shown in Case 3 of Fig.5-1A-2.以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三种情况。A 网络控制系统中的基本问题控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统叫作网络控制系统。网络控制系统定义的特点是信息（参考输入、系统输出、控制输入等）是使用网络在

4、控制系统组件（传感器、控制器、执行器等等）中进行交换。图5-2A-1给出了网络控制系统的典型结构和信息流。网络控制系统的主要优点是减少系统接线，易于系统诊断和维护，并增加系统灵活性。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题 图 5-2A-1 典型网络控制系统配置和信息流在反馈回路中加入通讯网络使网络控制系统的分析和设计变得复杂。传统控制理论有许多理想的假设，比如同步控制、无信号检测延迟、无激励延迟等， 在将它用于网络控制系统之前必须对其进行重新评估。特别要讨论下面几个问题。第一个

5、问题是网络产生的延迟（传感器到控制器延迟和控制器到执行器延迟），当连接到公共介质上的装置交换数据时，这种延迟发生。这种延迟，或恒定（令人担忧）或随时间变化，会降低设计时没考虑这种延迟的控制系统的性能，甚至使系统不稳定。其次，网络可被看成由不可靠传输通道组成的一张网。一些数据包不仅有传输延迟，甚至会在传输过程中丢失。因此，必须考虑丢失的信息量对网络控制系统性能指标的影响程度。另一个问题是由于网络带宽和信息容量的限制，系统输出可采用多个网络数据包（所谓多重数据包传输）。由于网络平台对网络上其它节点的仲裁，可能性是全部/部分/没有信息包在控制运算时间内到达。 现用于网络控制系统的候选网络有Devic

6、eNet 、Ethernet 和FireWire 等有限几个网络。每个网络有自己为特定应用场合而设计的通讯协议。此外，网络控制系统的特性主要取决于网络本身的性能参数，这些参数包括传输速率，介质访问协议，数据包长度等。 主要有两种方法来解决网络控制系统设计中碰到的这些问题。一种方法是在设计控制系统时不考虑数据包延迟和丢失的问题，而是设计一个使这些事件发生的可能性最小化的通讯协议。例如，当网络交通超过网络管理的极限时，已提出各种堵塞控制和避路算法以获得更好的性能。另一种方法是将网络协议和交通作为已知条件，设计详细考虑上述问题的控制策略。为了管理延迟，可以形成基于延迟微分方程研究的控制策略。这里我们

7、讨论针对网络导致的延迟和数据包丢失的分析和设计策略。取决于控制网络介质访问控制协议， 网络导致的延迟可以是常数，时变，甚至随机的。介质访问控制协议通常分为两种：随机访问和按时序访问。载波侦听多路访问在随机访问网络中用的最多，而令牌和分时多路访问通常用在按时序访问网络中。图 5-2A-2 随机存取网络上两个节点的时序图使用载波侦听多路访问协议的控制网络包括DeviceNet 和Ethernet 。图5-2A-2给出了这种网络各种可能出现的情况。图形描述了连续传递信息（具有固定时间顺序）的两个节点。在载波侦听多路访问网络上的节点在每次传递信息前监视网络情况。当网络时空闲的，它马上开始传递信息，如图

8、5-2A-2中的情况1所示。否则节点在网络空闲前一直等待。当两个以上节点要同时传递信息时，会发生网络冲突。解决冲突的方法依赖于网络协议。DeviceNet 是一种控制器局域网，它使用带有位智能仲裁的载波侦听多路访问协议。由于控制器局域网的信息是划分优先次序的，当传递冲突发生时，具有最高优先级别的信息继续传递，而优先级别较低的信息的传递被中断，当网络空闲时再传递，如图5-2A-2中的情况2所示。使用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议。以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三

9、种情况。这些类型网络上的数据包受到随机延时的影响，在最坏情况下数据包的传递时间是无法限定在某一时间范围内，因此，CSMA 网络通常是一种不确定性网络。但是，如果网络信息被划分优先次序，最高优先级别的信息有更好的机会及时传递信息。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题 图 5-2A-3 按时序访问网络中任一节点的时序图P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题 例如，

10、FireWire 网络有一个可分成小时间空档的传递周期，在传递周期中保证每一个同步传递有一个时间空档进行传递。在时序网络中当等待令牌或时间空档时产生延时。当周期性地传递数据包时，等待令牌或时间空档的时间都是有限的。 另一个原因是网络控制系统中的传感器和执行器分布在巨大的物理空间内，不可能将数据放在一个网络数据包内。传统采样系统认为系统输出和控制输入是同时传递的，但对带有多重数据包传输的网络控制系统而言是不可能的。由于网络访问延时，控制器不可能在作控制运算的时间内收到所有更新的系统输出数据。不同的网络适合不同类型的数据传输。以太网，最初是为传递数据文件而设计的，最多一个数据包可容纳 1,500个

11、字节。因此，将传感器数据集中在一个数据包内进行传输对这种网络来说是更高效的。与以太网不同，以小容量控制数据频繁传输为特点的DeviceNet每个数据包最大容量为8个字节，因此传感器数据经常被装在DeviceNet上的不同数据包中。丢失网络数据包 当出现节点失败或信息冲突时，网络控制系统偶尔会丢失网络数据包。虽然大部分网络协议都有重新传递机制，这些机制仅在有限的时间内有效。这段时间一过，数据包丢失。而且，对诸如传感器测量值、运算后的控制信号这些实时反馈控制数据而言，放弃那些旧的、未被传递的信息，传递新获得的数据包（如果可能）是有益的。用这样的方法，控制器总是得到用于控制计算的最新数据。通常反馈控

12、制系统能容忍丢失一些数据，但确定仅以某一速率传递数据包时系统的稳定性和数据包传递速率的下限是非常有意义的。 P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性 B 带网络延时的网络控制系统的稳定性1.课文内容简介：主要介绍网络控制技术中的带网络延时的网络控制系统的建模、小于一个采样周期的延时、长时间延时、积分器和一般标量系统的稳定区域分析等问题。2.温习离散控制系统关于采样周期、稳定性分析方面的内容。3. 生词与短语clock-driven adj. 时钟驱动的event-driven

13、adj. 事件驱动的lumped adj. 集总的piecewise continuous 分段连续infeasible adj. 不可行的P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性4. 难句翻译1 we can use the stability triangle to explicitly calculate the relation between and .我们可以采用稳定三角形精确地计算出 和 之间的关系。2 It may be analytically infeasi

14、ble to derive the exact stability region for general systems; however, stability regions for such systems can still be determined by simulation.对于一般的系统不太可能推导出精确的稳定区域，然而却可以通过仿真的方法来确定。P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性5. 参考译文 B 带网络延时的网络控制系统的稳定性 带网络延时的网络控制系统

15、的建模 考虑网络延时的网络控制系统的模型如图5-2B-1所示。图 5-2B-1 带网络延时的网络控制系统模型模型由连续系统 P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性和离散控制器组成。这些公式中， 并且具有兼容的维数。 有两种网络延时：传感器到控制器延时 和控制器到执行器延时 。不失问题的一般性可将控制器的各种运算延时归纳为 或 。对固定控制律（时不变控制器）而言，传感器到控制器延时和控制器到执行器延时可集中看 作 以便于分析。P5U2B Stability of NCSs wi

16、th Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性 小于一个采样周期的延时 首先考虑每一次采样延时时间 小于采样周期 的情况。这种情况意味着用得最多的两个控制信号 和 需要在采样周期内使用。系统方程可以写作 公式中 是分段连续的且仅在 时刻数值发生改变。以周期对系统采样我们得到P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性公式中 定义 作为增广状态矢量，增广闭环系统为 公式中 如果延时是常数，即 系统仍是时不变的，这就简化了系统

17、分析。因此我们能想象静态时序安排网络协议，诸如令牌环或令牌总线，它能提供恒定的延时。即使在这种简化的系统分析中，下一个问题是，“系统能承受多大的延时？” P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性公式中 并且增广状态矢量为 对更一般的情况而言，必须完成枯燥、单调的理论推 导，甚至矩阵的结构都是时变的，因为它取决于 所接受 控制信号的时间序列。 从传统观念上说，快速采样速率对采样系统是理想的以便于离散控制设计和性能指标与连续系统近似。但在网络控制系统中，快速采样速率会增加网络负载，

18、反过来网络负载加大会导致信号更长时间的延时。因此在网络控制系统设计中找到既能承受网络延时又能取得预期系统性能指标的采样速率是非常重要的。 绘制网络控制系统关于关于采样速率h、网络延时的稳定区域有助于了解这两个参数之间的关系。注意我们在这儿考虑的是常数延时，这点可通过采用合适的网络协议来实现。P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性 积分器情况 对简单的标量系统和之间的关系可用解析方法推导。例1：讨论积分器像以前那样定义 对这种22的情况，我们可以采用稳定三角形精确地计算出 和 h之间的关系。对一个稳定的网络控制系统而言，延时时间一定满足P5U2B Stability of NCSs