計算機網(wǎng)絡(luò)化控制

1、1 1、網(wǎng)絡(luò)化控制基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)化控制基礎(chǔ)2 2、主從式控制網(wǎng)絡(luò)、主從式控制網(wǎng)絡(luò) 3 3、集散控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)4 4、現(xiàn)場總線技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)第九章第九章 計算機網(wǎng)絡(luò)化控制計算機網(wǎng)絡(luò)化控制9.1 9.1 網(wǎng)絡(luò)化控制基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)化控制基礎(chǔ)1 1、概述、概述 2 2、網(wǎng)絡(luò)化控制的特殊問題、網(wǎng)絡(luò)化控制的特殊問題3 3、網(wǎng)絡(luò)化控制的時延分析、網(wǎng)絡(luò)化控制的時延分析 4 4、網(wǎng)絡(luò)化控制的時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)化控制的時鐘同步5 5、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)模型、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)模型1 1、概述、概述網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（Network based Control SystemsNetwork based Contr

2、ol Systems）廣義上）廣義上定義為利用傳輸媒體把不同地點的多個獨立的自動控制裝置、定義為利用傳輸媒體把不同地點的多個獨立的自動控制裝置、計算機系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備等按照不同的拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用各種通計算機系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備等按照不同的拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用各種通信方式連接起來的在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。從這個意信方式連接起來的在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。從這個意義上說，集散控制系統(tǒng)（義上說，集散控制系統(tǒng)（DCSDCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FBSFBS）、）、PLCPLC以及工業(yè)以太網(wǎng)等都屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。以及工業(yè)以太網(wǎng)等都屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)狹義上定義控制系統(tǒng)通過計算機通信

3、網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)狹義上定義控制系統(tǒng)通過計算機通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)系在一起構(gòu)成反饋控制的控制傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)系在一起構(gòu)成反饋控制的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)?？刂破鲌?zhí)行機構(gòu)控制對象傳感器通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過程，用于控制網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過程，用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的測量與控制信息傳輸，產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的測量與控制信息傳輸，產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運動和轉(zhuǎn)換，因此與一般的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相比有起能量的運動和轉(zhuǎn)換，因此與一般的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相比有起特殊的要求。特殊的要求。（1 1）具有較好的響應(yīng)實時性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速

4、）具有較好的響應(yīng)實時性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實時性要好，一般為時性要好，一般為10ms10ms1s 1s 級；級；（2 2）高可靠性。即能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場，具有耐沖擊、）高可靠性。即能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場，具有耐沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及較好的電磁兼容性，在耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及較好的電磁兼容性，在現(xiàn)場設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的現(xiàn)場設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路；時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路；（3 3）簡潔實用。以減小

5、軟硬件開銷，從而減低設(shè)備成本，）簡潔實用。以減小軟硬件開銷，從而減低設(shè)備成本，同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性；同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性；（4 4）具有好的開放性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)盡量不采用專用網(wǎng)絡(luò)。）具有好的開放性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)盡量不采用專用網(wǎng)絡(luò)。 為了實現(xiàn)計算機系統(tǒng)之間的互連，為了實現(xiàn)計算機系統(tǒng)之間的互連，19771977年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)(ISO)提出了開放系統(tǒng)互連參考模型提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI ( Open System OSI ( Open System Interconnection Interconnection Reference Model )Referen

6、ce Model )。 OSIOSI參考模型將數(shù)據(jù)傳輸過程分解為一系列功能元素，把參考模型將數(shù)據(jù)傳輸過程分解為一系列功能元素，把相關(guān)的功能組合在一起稱為層，每一層完成一項通信子功相關(guān)的功能組合在一起稱為層，每一層完成一項通信子功能，并且下層為上層提供服務(wù)。能，并且下層為上層提供服務(wù)。 OSIOSI參考模型規(guī)定了七個參考模型規(guī)定了七個功能層，每層都使用它自己的協(xié)議。功能層，每層都使用它自己的協(xié)議。應(yīng)用層(7)應(yīng)用程序，如Email、FTP、Telnet、WWW表示層(6)數(shù)據(jù)的表示，如編碼、壓縮、加密等會話層(5)對話的控制、同步傳輸層(4)分組排序、重裝、確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)層(3)尋址、協(xié)議變換、擁塞避

7、免和恢復(fù)鏈路層(2)LLC子層裝幀、流量控制、檢錯糾錯MAC子層介質(zhì)訪問控制物理層(1)傳輸信號和介質(zhì)的電氣規(guī)范在計算機控制系統(tǒng)中有多種通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括目前應(yīng)用最在計算機控制系統(tǒng)中有多種通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括目前應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)廣的局域網(wǎng)LANLAN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、各種的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、各種DCSDCS的通信協(xié)議、各種的通信協(xié)議、各種FCSFCS的通信協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)以及串行通信總線的通信協(xié)議的通信協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)以及串行通信總線的通信協(xié)議等。等。一般而言，控制網(wǎng)絡(luò)為了提高實時性只采用了一般而言，控制網(wǎng)絡(luò)為了提高實時性只采用了ISO/OSIISO/OSI七層七層參考模型中的最低兩層參考模型中的最低兩層物理

8、層、數(shù)據(jù)鏈路層，以及應(yīng)用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，以及應(yīng)用層。層。物理層主要涉及傳輸介質(zhì)的電氣特性、機械特性等一些物理物理層主要涉及傳輸介質(zhì)的電氣特性、機械特性等一些物理性質(zhì)。性質(zhì)。數(shù)據(jù)鏈路層包括了兩個子層：介質(zhì)訪問控制層（數(shù)據(jù)鏈路層包括了兩個子層：介質(zhì)訪問控制層（MACMAC）和邏）和邏輯鏈路控制層（輯鏈路控制層（LLCLLC）。）。 介質(zhì)訪問控制層主要功能包括：控介質(zhì)訪問控制層主要功能包括：控制各主機訪問通信介質(zhì)，提供通信介質(zhì)的復(fù)用機制；發(fā)送和制各主機訪問通信介質(zhì)，提供通信介質(zhì)的復(fù)用機制；發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀；比特流差錯檢測；尋址。邏輯鏈路控制層主要接收數(shù)據(jù)幀；比特流差錯檢測；尋址。邏輯鏈路控制層主

9、要功能包括：建立、維持和拆除鏈路連接；實現(xiàn)無差錯傳輸。功能包括：建立、維持和拆除鏈路連接；實現(xiàn)無差錯傳輸。 響應(yīng)時間和時延的確定性對控制網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的。由于網(wǎng)絡(luò)化響應(yīng)時間和時延的確定性對控制網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的。由于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的各個節(jié)點共用傳輸線路，在同一時間可能有多個設(shè)控制系統(tǒng)中的各個節(jié)點共用傳輸線路，在同一時間可能有多個設(shè)備同時請求數(shù)據(jù)傳輸，因此就必須采用某種介質(zhì)訪問控制方式來備同時請求數(shù)據(jù)傳輸，因此就必須采用某種介質(zhì)訪問控制方式來協(xié)調(diào)設(shè)備訪問介質(zhì)的順序。協(xié)調(diào)設(shè)備訪問介質(zhì)的順序。節(jié)點對于網(wǎng)絡(luò)的訪問是由介質(zhì)訪問控制（節(jié)點對于網(wǎng)絡(luò)的訪問是由介質(zhì)訪問控制（MACMAC）協(xié)議來決定，）協(xié)議來決

10、定，分析各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的MACMAC協(xié)議，可以定性和定量的分析網(wǎng)協(xié)議，可以定性和定量的分析網(wǎng)絡(luò)的時延和效率。絡(luò)的時延和效率。 在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，常用的介質(zhì)訪問控制協(xié)議主要有在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，常用的介質(zhì)訪問控制協(xié)議主要有4 4種：令牌種：令牌訪問（包括令牌總線和令牌環(huán)）、載波監(jiān)聽多路訪問（訪問（包括令牌總線和令牌環(huán)）、載波監(jiān)聽多路訪問（CSMACSMA）及其改進協(xié)議、及其改進協(xié)議、TDMTDM協(xié)議，以及主從式訪問。主從式介質(zhì)訪問協(xié)議，以及主從式訪問。主從式介質(zhì)訪問是在一個主設(shè)備和多個從設(shè)備之間通過循環(huán)查詢、應(yīng)答方式通信，是在一個主設(shè)備和多個從設(shè)備之間通過循環(huán)查詢、應(yīng)答方式

11、通信，不存在通信的沖突，所以通信的時延是確定的，主要由通信速率不存在通信的沖突，所以通信的時延是確定的，主要由通信速率和節(jié)點個數(shù)決定。和節(jié)點個數(shù)決定。（1 1）令牌協(xié)議）令牌協(xié)議(Token Passing)(Token Passing)基于令牌的傳遞協(xié)議有令牌環(huán)（基于令牌的傳遞協(xié)議有令牌環(huán)（802.3802.3）和令牌總線（）和令牌總線（802.4802.4）。）。令牌環(huán)適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲。令牌總線適用于總線網(wǎng)絡(luò)拓撲，令牌環(huán)適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲。令牌總線適用于總線網(wǎng)絡(luò)拓撲，其中的各節(jié)點按一定的邏輯順序構(gòu)成邏輯環(huán)。其中的各節(jié)點按一定的邏輯順序構(gòu)成邏輯環(huán)。令牌協(xié)議中令牌是控制標(biāo)志，網(wǎng)絡(luò)中只設(shè)一張令

12、牌，并依次沿令牌協(xié)議中令牌是控制標(biāo)志，網(wǎng)絡(luò)中只設(shè)一張令牌，并依次沿各結(jié)點傳送。只有擁有令牌的節(jié)點才可得到網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，向各結(jié)點傳送。只有擁有令牌的節(jié)點才可得到網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息。當(dāng)該節(jié)點發(fā)送完成或時間到時，將令牌傳給下網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息。當(dāng)該節(jié)點發(fā)送完成或時間到時，將令牌傳給下一個節(jié)點。一個節(jié)點。令牌網(wǎng)絡(luò)工作時，令牌依次沿每個節(jié)點傳送，使每個節(jié)點都有令牌網(wǎng)絡(luò)工作時，令牌依次沿每個節(jié)點傳送，使每個節(jié)點都有平等發(fā)送信息的機會。當(dāng)一個節(jié)點占令牌期間，發(fā)送該節(jié)點信平等發(fā)送信息的機會。當(dāng)一個節(jié)點占令牌期間，發(fā)送該節(jié)點信息并置令牌為息并置令牌為“忙忙”狀態(tài)，其它節(jié)點只能處于接收狀態(tài)。當(dāng)所狀態(tài)，其它節(jié)點

13、只能處于接收狀態(tài)。當(dāng)所發(fā)信息繞環(huán)一周后，由發(fā)送節(jié)點清除，發(fā)信息繞環(huán)一周后，由發(fā)送節(jié)點清除，“忙忙”令牌被置為令牌被置為“空空”狀態(tài)，繞環(huán)傳送令牌。當(dāng)下一結(jié)點要發(fā)送信息時，則得到該令狀態(tài)，繞環(huán)傳送令牌。當(dāng)下一結(jié)點要發(fā)送信息時，則得到該令牌，同時將令牌由牌，同時將令牌由“空空”狀態(tài)置為狀態(tài)置為“忙忙”狀態(tài)，并發(fā)送信息。狀態(tài)，并發(fā)送信息。前同步碼起始界符目的地址源地址數(shù)據(jù)單元結(jié)束界符幀檢測序列Bytes 11664115 Bytes5 Bytes幀控制100對于令牌環(huán)而言，依賴于網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)來傳遞令牌是一個很對于令牌環(huán)而言，依賴于網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)來傳遞令牌是一個很大的優(yōu)點，可以省去在令牌中攜帶地址信

14、息，更重要的是每個大的優(yōu)點，可以省去在令牌中攜帶地址信息，更重要的是每個站點無需知道環(huán)上下一個站點的地址。當(dāng)站點離開或加入環(huán)時，站點無需知道環(huán)上下一個站點的地址。當(dāng)站點離開或加入環(huán)時，環(huán)上現(xiàn)已存在的站點不需要更改任何配置。但同時這種依賴拓環(huán)上現(xiàn)已存在的站點不需要更改任何配置。但同時這種依賴拓撲結(jié)構(gòu)傳遞令牌的機制無法使用一些拓撲結(jié)構(gòu)不能控制的物理撲結(jié)構(gòu)傳遞令牌的機制無法使用一些拓撲結(jié)構(gòu)不能控制的物理傳輸介質(zhì)，如微波、電力傳輸線等。傳輸介質(zhì)，如微波、電力傳輸線等。在令牌總線中，確定接收空令牌的下一個站點比較復(fù)雜。同時，在令牌總線中，確定接收空令牌的下一個站點比較復(fù)雜。同時，在通信節(jié)點進入或離開令牌

15、總線時，整個總線必須自動重新進在通信節(jié)點進入或離開令牌總線時，整個總線必須自動重新進行配置以確定總線上的節(jié)點地址序列，使令牌有序地在總線上行配置以確定總線上的節(jié)點地址序列，使令牌有序地在總線上傳遞。傳遞。 令牌協(xié)議的能提供優(yōu)先權(quán)服務(wù)、無須沖突檢測、有較好的實令牌協(xié)議的能提供優(yōu)先權(quán)服務(wù)、無須沖突檢測、有較好的實時性。在理論上每個節(jié)點訪問網(wǎng)絡(luò)的最大時延便被限定在一個時性。在理論上每個節(jié)點訪問網(wǎng)絡(luò)的最大時延便被限定在一個最大范圍之內(nèi)。所以令牌訪問協(xié)議是一種確定性訪問協(xié)議，傳最大范圍之內(nèi)。所以令牌訪問協(xié)議是一種確定性訪問協(xié)議，傳送效率高、信息吞吐量大，實時性好。送效率高、信息吞吐量大，實時性好。（2

16、2）載波偵聽多路訪問）載波偵聽多路訪問(CSMA(CSMA）IEEE802.3IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)協(xié)議的MACMAC層采用載波監(jiān)聽多路訪問層采用載波監(jiān)聽多路訪問（ Carrier Sense Multiple AccessCarrier Sense Multiple Access）方式。）方式。其工作原理是當(dāng)某一結(jié)點要發(fā)送信息時，首先要偵聽網(wǎng)絡(luò)中有其工作原理是當(dāng)某一結(jié)點要發(fā)送信息時，首先要偵聽網(wǎng)絡(luò)中有無其它結(jié)點正在發(fā)送信息，若沒有則立即發(fā)送；否則，等待一無其它結(jié)點正在發(fā)送信息，若沒有則立即發(fā)送；否則，等待一段時間，直至信道空閑，開始發(fā)送。段時間，直至信道空閑，開始發(fā)送。 由于傳

17、輸線上不可避免的有時間的延遲，有可能多個站同時監(jiān)由于傳輸線上不可避免的有時間的延遲，有可能多個站同時監(jiān)聽到線上空閑并開始發(fā)送，從而導(dǎo)致沖突。因此，當(dāng)結(jié)點開始聽到線上空閑并開始發(fā)送，從而導(dǎo)致沖突。因此，當(dāng)結(jié)點開始發(fā)送信息時，該結(jié)點繼續(xù)對網(wǎng)絡(luò)檢測一段時間，且把收到的信發(fā)送信息時，該結(jié)點繼續(xù)對網(wǎng)絡(luò)檢測一段時間，且把收到的信息和自己發(fā)送的信息進行比較，若相同，則發(fā)送正常進行；若息和自己發(fā)送的信息進行比較，若相同，則發(fā)送正常進行；若不同，說明由其它結(jié)點發(fā)送信息，引起混亂，應(yīng)立即停止，等不同，說明由其它結(jié)點發(fā)送信息，引起混亂，應(yīng)立即停止，等待一個隨機時間，再重復(fù)上述過程。待一個隨機時間，再重復(fù)上述過程。C

18、SMACSMA協(xié)議的沖突退避算法采用了二進制指數(shù)算法，即根協(xié)議的沖突退避算法采用了二進制指數(shù)算法，即根據(jù)沖突的歷史估計網(wǎng)上信息量而決定本次應(yīng)等待的時間。據(jù)沖突的歷史估計網(wǎng)上信息量而決定本次應(yīng)等待的時間。當(dāng)發(fā)生沖突時，控制器延遲一個隨機長度的間隔時間后當(dāng)發(fā)生沖突時，控制器延遲一個隨機長度的間隔時間后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，即：重新發(fā)送數(shù)據(jù)，即：其中，其中，NN為沖突次數(shù)，為沖突次數(shù)，R R為隨機數(shù)，為隨機數(shù)，A A為計時單位（一般為計時單位（一般選用總線循環(huán)一周時間）。這種算法的基本思想是：等選用總線循環(huán)一周時間）。這種算法的基本思想是：等待時間的長短和沖突的歷史有關(guān)。一個數(shù)據(jù)幀遭遇的沖待時間的長短和沖突

19、的歷史有關(guān)。一個數(shù)據(jù)幀遭遇的沖突次數(shù)越多，說明網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，等待重發(fā)時突次數(shù)越多，說明網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，等待重發(fā)時間就越長。間就越長。 CSMACSMACDCD方式原理較簡單，且技術(shù)上較易實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)方式原理較簡單，且技術(shù)上較易實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點處于同等地位，無需集中控制，但不能提供優(yōu)中各結(jié)點處于同等地位，無需集中控制，但不能提供優(yōu)先級控制，所有結(jié)點都有平等競爭的能力，在網(wǎng)絡(luò)負載先級控制，所有結(jié)點都有平等競爭的能力，在網(wǎng)絡(luò)負載不重情況下，有較高的效率，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載增大時，發(fā)不重情況下，有較高的效率，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載增大時，發(fā)送信息的等待時間加長，效率顯著降低。送信息的等待時間加長，效率顯

20、著降低。NAR2IEEE802.3IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)協(xié)議的MACMAC層采用的是層采用的是CSMACSMA方式，其數(shù)方式，其數(shù)據(jù)格式主要部分由五個字段組成，前兩個字段分別為目的地據(jù)格式主要部分由五個字段組成，前兩個字段分別為目的地址和源地址，各占址和源地址，各占6 6個字節(jié)；第三個字段為數(shù)據(jù)長度，表明個字節(jié)；第三個字段為數(shù)據(jù)長度，表明后面的數(shù)據(jù)字段的字節(jié)長度，占后面的數(shù)據(jù)字段的字節(jié)長度，占2 2個字節(jié)；數(shù)據(jù)字段是個字節(jié)；數(shù)據(jù)字段是LLCLLC層層傳送下來的傳送下來的LLCLLC幀數(shù)據(jù)，最后一個字段為幀校驗序列幀數(shù)據(jù)，最后一個字段為幀校驗序列FCSFCS，它，它是對前面四個字段

21、進行是對前面四個字段進行CRCCRC校驗。校驗。 對于數(shù)據(jù)字段，有最小長度的要求。當(dāng)對于數(shù)據(jù)字段，有最小長度的要求。當(dāng)LLCLLC層傳下來的層傳下來的LLCLLC幀幀數(shù)據(jù)不夠時，需要在數(shù)據(jù)不夠時，需要在PADPAD數(shù)據(jù)段進行數(shù)據(jù)填充。數(shù)據(jù)段進行數(shù)據(jù)填充。CSMA/CDCSMA/CD協(xié)議的核心是當(dāng)發(fā)送站正在發(fā)送時，若檢測到?jīng)_突則立即終協(xié)議的核心是當(dāng)發(fā)送站正在發(fā)送時，若檢測到?jīng)_突則立即終止發(fā)送，推遲一段時間后再發(fā)送。如果所發(fā)送的幀太短，有止發(fā)送，推遲一段時間后再發(fā)送。如果所發(fā)送的幀太短，有可能還沒有來得及檢測到?jīng)_突就已經(jīng)發(fā)送完了，從而檢測不可能還沒有來得及檢測到?jīng)_突就已經(jīng)發(fā)送完了，從而檢測不到?jīng)_突

22、到?jīng)_突 。前同步碼起始界符目的地址源地址數(shù)據(jù)長度LLC數(shù)據(jù)PAD幀檢測序列Bytes 71660-15000-462422 Bytes46-1500 Bytes4 Bytes發(fā)送的幀的最短長度應(yīng)當(dāng)要保證在發(fā)送完畢之前，必須能發(fā)送的幀的最短長度應(yīng)當(dāng)要保證在發(fā)送完畢之前，必須能夠檢測到可能最晚到來的沖突信號，這段時間一般取夠檢測到可能最晚到來的沖突信號，這段時間一般取51.2us51.2us（對于（對于10Mb/s10Mb/s基帶），相當(dāng)于發(fā)送基帶），相當(dāng)于發(fā)送512512比特，因此，比特，因此，MACMAC幀的最短長度為幀的最短長度為512512比特，既比特，既6464字節(jié)，這樣得到數(shù)據(jù)字段的字

23、節(jié)，這樣得到數(shù)據(jù)字段的最小長度為最小長度為4646字節(jié)。此外，數(shù)據(jù)字段也不能太長，目前規(guī)字節(jié)。此外，數(shù)據(jù)字段也不能太長，目前規(guī)定的最大長度為定的最大長度為15001500字節(jié)。字節(jié)。MACMAC幀傳到物理層時還必須加上一個前同步碼，即幀傳到物理層時還必須加上一個前同步碼，即7 7個字節(jié)個字節(jié)的的1010交替序列，供接收方進行比特同步。同步碼后有交替序列，供接收方進行比特同步。同步碼后有1 1個字個字節(jié)的起始界符，固定的位序列為節(jié)的起始界符，固定的位序列為1010101110101011，接收方一旦接收，接收方一旦接收到兩個連續(xù)的到兩個連續(xù)的“1”1”后，后面的數(shù)據(jù)可確定為后，后面的數(shù)據(jù)可確定為

24、MACMAC幀。因此幀。因此MACMAC幀效率為：幀效率為：6426422647244622dddddddd其中，其中，d d為數(shù)據(jù)段字節(jié)長度。由于數(shù)據(jù)段有最小字節(jié)要求，為數(shù)據(jù)段字節(jié)長度。由于數(shù)據(jù)段有最小字節(jié)要求，對于數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)通信，特別是只有若干字節(jié)的現(xiàn)場實時對于數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)通信，特別是只有若干字節(jié)的現(xiàn)場實時反饋或控制信號，反饋或控制信號，CSMACSMA的編碼效率很低。例如，若數(shù)據(jù)段的編碼效率很低。例如，若數(shù)據(jù)段為為4 4個字節(jié)，編碼效率為個字節(jié)，編碼效率為6.25%6.25%。對于數(shù)據(jù)量相對較大的數(shù)。對于數(shù)據(jù)量相對較大的數(shù)據(jù)通信，特別是文件傳輸，據(jù)通信，特別是文件傳輸，CSMACS

25、MA比較適合，編碼效率可以比較適合，編碼效率可以達到最大的達到最大的98.3%98.3%。 以以CSMA/CDCSMA/CD為接入?yún)f(xié)議的以太網(wǎng)不是為控制系統(tǒng)設(shè)計的，為接入?yún)f(xié)議的以太網(wǎng)不是為控制系統(tǒng)設(shè)計的，在網(wǎng)絡(luò)重載時的延時大，性能較差；同時作為控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)重載時的延時大，性能較差；同時作為控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編碼效率不高。編碼效率不高。針對以太網(wǎng)的缺陷，出現(xiàn)了很多針對以太網(wǎng)的缺陷，出現(xiàn)了很多CSMACSMA協(xié)議的改進，便于工協(xié)議的改進，便于工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。如業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。如 p-p-堅持型堅持型CSMACSMA協(xié)議、帶優(yōu)先級的協(xié)議、帶優(yōu)先級的CSMACSMA協(xié)議等。協(xié)議等。LonWork

26、sLonWorks控制網(wǎng)絡(luò)所用的介質(zhì)訪問控制協(xié)控制網(wǎng)絡(luò)所用的介質(zhì)訪問控制協(xié)議議LonTalkLonTalk就是在就是在p-p-堅持型堅持型CSMACSMA協(xié)議的基礎(chǔ)上改進而成的協(xié)議的基礎(chǔ)上改進而成的 。CANCAN總線和羅克韋爾總線和羅克韋爾DeviceNetDeviceNet總線介質(zhì)訪問控制協(xié)議采用總線介質(zhì)訪問控制協(xié)議采用的位仲裁協(xié)議本質(zhì)上是帶優(yōu)先級的的位仲裁協(xié)議本質(zhì)上是帶優(yōu)先級的CSMACSMA協(xié)議。協(xié)議。（3 3）位仲裁協(xié)議）位仲裁協(xié)議CANCAN總線以及總線以及Rockwell Rockwell 的的DeviceNetDeviceNet現(xiàn)場總線的現(xiàn)場總線的MACMAC采用采用的是位仲裁

27、協(xié)議。的是位仲裁協(xié)議。CAN2.0CAN2.0數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)格式如圖。幀起始位數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)格式如圖。幀起始位標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的開始；仲裁場由標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的開始；仲裁場由11 11位的標(biāo)識符和遠程發(fā)送請位的標(biāo)識符和遠程發(fā)送請求位組成；控制場標(biāo)識數(shù)據(jù)的長度；數(shù)據(jù)場為要發(fā)送的數(shù)求位組成；控制場標(biāo)識數(shù)據(jù)的長度；數(shù)據(jù)場為要發(fā)送的數(shù)據(jù)，可包括據(jù)，可包括0 08 8個字節(jié)，每個字節(jié)個字節(jié)，每個字節(jié)8 8位。一個完整的位。一個完整的CANCAN數(shù)據(jù)幀除去要發(fā)送的數(shù)據(jù)外，包括了數(shù)據(jù)幀除去要發(fā)送的數(shù)據(jù)外，包括了4747位。因此，位。因此，CANCAN總總線的編碼效率最大為線的編碼效率最大為58%58%。 位仲裁協(xié)議是一種非破壞

28、性仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總位仲裁協(xié)議是一種非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)線發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。仲裁場控制場數(shù)據(jù)場CRC場ACK場幀結(jié)束幀起始非破壞性位仲裁（非破壞性位仲裁（nondestructive bitwise arbitrationnondestructive bitwise arbitration）機制的）機制的原理是在發(fā)送的數(shù)據(jù)前增加了原理是在發(fā)送的數(shù)據(jù)前增加了11 11位標(biāo)識符，通過它們來確定數(shù)位標(biāo)識符，通過它們來確定數(shù)據(jù)

29、的優(yōu)先級，從而達到對總線的使用權(quán)的控制。據(jù)的優(yōu)先級，從而達到對總線的使用權(quán)的控制。非破壞性位仲裁采用非破壞性位仲裁采用NRZ( non-return-to-zeroNRZ( non-return-to-zero，不歸零，不歸零) )數(shù)字?jǐn)?shù)字信號編碼，具有顯性和隱性兩種狀態(tài)，顯性為邏輯信號編碼，具有顯性和隱性兩種狀態(tài)，顯性為邏輯0 0，隱性為，隱性為邏輯邏輯1 1，實行，實行“線與線與”操作。同時發(fā)送顯性位和隱性位時，總操作。同時發(fā)送顯性位和隱性位時，總線呈現(xiàn)為顯性狀態(tài)線呈現(xiàn)為顯性狀態(tài)0 0。當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先進入。當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先進入11 11 位標(biāo)識符即仲裁區(qū)。在此

30、期間，每一個發(fā)送器都監(jiān)視總線位標(biāo)識符即仲裁區(qū)。在此期間，每一個發(fā)送器都監(jiān)視總線上當(dāng)前的電平，并與它發(fā)送的位電平進行比較，如果值相等，上當(dāng)前的電平，并與它發(fā)送的位電平進行比較，如果值相等，這個節(jié)點繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送一個隱性位這個節(jié)點繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送一個隱性位(1)(1)，而在總線上檢，而在總線上檢測到一個顯性位測到一個顯性位(0)(0)，那么此節(jié)點失去仲裁權(quán)，立即停止下一，那么此節(jié)點失去仲裁權(quán)，立即停止下一位的發(fā)送。位的發(fā)送。11 11位仲裁區(qū)值最小的（即優(yōu)先級最高）將贏得總線位仲裁區(qū)值最小的（即優(yōu)先級最高）將贏得總線使用權(quán)，其數(shù)據(jù)不受影響完整地發(fā)送出去。位仲裁協(xié)議保證使用權(quán)，其數(shù)據(jù)不受影響完

31、整地發(fā)送出去。位仲裁協(xié)議保證每次只有一個節(jié)點能夠贏得仲裁，其它節(jié)點必須等到此次傳每次只有一個節(jié)點能夠贏得仲裁，其它節(jié)點必須等到此次傳輸結(jié)束后，總線空閑時再嘗試下一次的發(fā)送。通過這種方式輸結(jié)束后，總線空閑時再嘗試下一次的發(fā)送。通過這種方式達到了非破壞，逐位仲裁目的，提高實時性。達到了非破壞，逐位仲裁目的，提高實時性。2 2、網(wǎng)絡(luò)化控制的特殊問題、網(wǎng)絡(luò)化控制的特殊問題由于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)，帶來了一些特殊由于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)，帶來了一些特殊問題：問題：（1 1）網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延）網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多用戶共享通訊線路且流量變化不規(guī)則。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多用戶共享通

32、訊線路且流量變化不規(guī)則。當(dāng)NCS NCS 的傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時必然會導(dǎo)的傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時必然會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延，降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)致網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延，降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的存在使得系統(tǒng)的分析變得非常復(fù)雜。誘導(dǎo)時延的存在使得系統(tǒng)的分析變得非常復(fù)雜。NCSNCS中存在多中存在多種不同性質(zhì)的時延種不同性質(zhì)的時延( (常數(shù)、有界、隨機時變等常數(shù)、有界、隨機時變等) )。（2 2）網(wǎng)絡(luò)調(diào)度）網(wǎng)絡(luò)調(diào)度在在NCSNCS中，控制環(huán)的性能不僅依賴于控制算法，中，控制環(huán)的性能不僅依賴于控制算法， 而且也依賴于而且也依賴于對共享

33、的網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度。這里所說的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度指網(wǎng)絡(luò)用戶層對共享的網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度。這里所說的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度指網(wǎng)絡(luò)用戶層的調(diào)度，調(diào)度算法對節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的快慢和被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)所具的調(diào)度，調(diào)度算法對節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的快慢和被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)所具有的優(yōu)先權(quán)進行調(diào)度，同時還可以調(diào)度控制環(huán)的采樣周期和采有的優(yōu)先權(quán)進行調(diào)度，同時還可以調(diào)度控制環(huán)的采樣周期和采樣時刻，以盡量避免網(wǎng)絡(luò)中沖突現(xiàn)象的發(fā)生，從而最大限度地樣時刻，以盡量避免網(wǎng)絡(luò)中沖突現(xiàn)象的發(fā)生，從而最大限度地減少數(shù)據(jù)的傳輸時延。減少數(shù)據(jù)的傳輸時延。（3 3）單包傳輸和多包傳輸）單包傳輸和多包傳輸單包傳輸是指單包傳輸是指NCSNCS中的傳感器、控制器的一個待發(fā)送數(shù)據(jù)被中的傳感器、控

34、制器的一個待發(fā)送數(shù)據(jù)被捆在一個數(shù)據(jù)包中一起發(fā)送。而多包傳輸是指捆在一個數(shù)據(jù)包中一起發(fā)送。而多包傳輸是指NCSNCS中的傳感中的傳感器、控制器的一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)被分成多個數(shù)據(jù)包進行傳輸。器、控制器的一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)被分成多個數(shù)據(jù)包進行傳輸。在包交換網(wǎng)絡(luò)在包交換網(wǎng)絡(luò)(packet - switched network) (packet - switched network) 中一般要進行多中一般要進行多包傳輸，一方面原因是單包字節(jié)大小的限制，一個數(shù)據(jù)包只包傳輸，一方面原因是單包字節(jié)大小的限制，一個數(shù)據(jù)包只能裝載有限的信息；另一方面原因是能裝載有限的信息；另一方面原因是NCS NCS 的傳感器和執(zhí)行

35、的傳感器和執(zhí)行器常常分布在一個很大的物理空間，要將這些數(shù)據(jù)放在一個器常常分布在一個很大的物理空間，要將這些數(shù)據(jù)放在一個數(shù)據(jù)包中往往是不可能的。傳統(tǒng)的采樣控制系統(tǒng)都是假設(shè)被數(shù)據(jù)包中往往是不可能的。傳統(tǒng)的采樣控制系統(tǒng)都是假設(shè)被控對象的輸出和控制輸入是同時傳遞的，而這在具有多包傳控對象的輸出和控制輸入是同時傳遞的，而這在具有多包傳輸?shù)妮數(shù)腘CS NCS 中不再成立。因為一個數(shù)據(jù)要分成多個數(shù)據(jù)包多中不再成立。因為一個數(shù)據(jù)要分成多個數(shù)據(jù)包多次傳輸，這些數(shù)據(jù)包不可能同時傳遞，也不可能同時到達。次傳輸，這些數(shù)據(jù)包不可能同時傳遞，也不可能同時到達。（4 4） 數(shù)據(jù)包的時序錯亂數(shù)據(jù)包的時序錯亂在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，在網(wǎng)

36、絡(luò)環(huán)境下， 被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流經(jīng)眾多計算機和通訊被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流經(jīng)眾多計算機和通訊設(shè)備且路徑不唯一，設(shè)備且路徑不唯一， 這必然會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的時序錯亂。這必然會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的時序錯亂。（5 5） 數(shù)據(jù)包丟失數(shù)據(jù)包丟失在網(wǎng)絡(luò)中由于不可避免地存在網(wǎng)絡(luò)阻塞和連接中斷，在網(wǎng)絡(luò)中由于不可避免地存在網(wǎng)絡(luò)阻塞和連接中斷，這又必然會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失。雖然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都具這又必然會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失。雖然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都具有重新傳輸?shù)臋C制，但它們也只能在一個有限的時間有重新傳輸?shù)臋C制，但它們也只能在一個有限的時間內(nèi)傳輸，當(dāng)超出這個時間后，數(shù)據(jù)也就會丟失。因此內(nèi)傳輸，當(dāng)超出這個時間后，數(shù)據(jù)也就會丟失。因此在在NCS NCS 的設(shè)計

37、中，對數(shù)據(jù)包的丟失問題必須尋找相應(yīng)的設(shè)計中，對數(shù)據(jù)包的丟失問題必須尋找相應(yīng)的解決方法。的解決方法。（6 6）節(jié)點的驅(qū)動方式）節(jié)點的驅(qū)動方式NCS NCS 的節(jié)點有兩種驅(qū)動方式，即時鐘驅(qū)動和事件驅(qū)動。的節(jié)點有兩種驅(qū)動方式，即時鐘驅(qū)動和事件驅(qū)動。NCS NCS 的傳感器一般采用時鐘驅(qū)動，傳感器的時鐘即為系統(tǒng)的時鐘，的傳感器一般采用時鐘驅(qū)動，傳感器的時鐘即為系統(tǒng)的時鐘，而控制器和執(zhí)行器既可以是時鐘驅(qū)動，也可以是事件驅(qū)動。事而控制器和執(zhí)行器既可以是時鐘驅(qū)動，也可以是事件驅(qū)動。事件驅(qū)動相比于時鐘驅(qū)動具有以下優(yōu)點：件驅(qū)動相比于時鐘驅(qū)動具有以下優(yōu)點：1) 1) 控制器為事件驅(qū)動時，傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)到達控制器

38、立即參控制器為事件驅(qū)動時，傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)到達控制器立即參加運算，避免了控制器為時鐘驅(qū)動時的數(shù)據(jù)等待被采樣的時間，加運算，避免了控制器為時鐘驅(qū)動時的數(shù)據(jù)等待被采樣的時間，客觀上減少了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延；客觀上減少了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延；2) 2) 控制器為事件驅(qū)動時，避免了控制器為時鐘驅(qū)動時的控制控制器為事件驅(qū)動時，避免了控制器為時鐘驅(qū)動時的控制器和傳感器時鐘同步的困難；器和傳感器時鐘同步的困難；（7 7）多時鐘同步）多時鐘同步在在NCSNCS中，當(dāng)控制器和作動器有一個為時鐘驅(qū)動時，便存在一中，當(dāng)控制器和作動器有一個為時鐘驅(qū)動時，便存在一個時鐘同步問題。時鐘同步又可分為硬件同步和軟件同步。在個時鐘同步問題。

39、時鐘同步又可分為硬件同步和軟件同步。在NCSNCS中，由于系統(tǒng)的節(jié)點有可能分布在一個較大的物理空間，中，由于系統(tǒng)的節(jié)點有可能分布在一個較大的物理空間，用硬件同步一般比較困難，多采用軟件同步的方式，一般是通用硬件同步一般比較困難，多采用軟件同步的方式，一般是通過在網(wǎng)絡(luò)上定時廣播同步時鐘的方式實現(xiàn)。過在網(wǎng)絡(luò)上定時廣播同步時鐘的方式實現(xiàn)。3 3、網(wǎng)絡(luò)化控制的時延、網(wǎng)絡(luò)化控制的時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時延，主要來自于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時延，主要來自于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時間和控制器的運算時間。傳輸時間和控制器的運算時間。執(zhí)行器控制對象傳感器控制器cacsc通信網(wǎng)絡(luò)（1 1）傳感器到控制器的時延）

40、傳感器到控制器的時延當(dāng)傳感器的測量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制器時，會產(chǎn)生該時當(dāng)傳感器的測量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制器時，會產(chǎn)生該時延。延。式中式中 、 分別為傳感器開始采樣的時刻和控制器開始運算分別為傳感器開始采樣的時刻和控制器開始運算的時刻。的時刻。（2 2）控制器到執(zhí)行器的時延）控制器到執(zhí)行器的時延該時延由控制器發(fā)送控制信號給執(zhí)行器的過程產(chǎn)生。該時延由控制器發(fā)送控制信號給執(zhí)行器的過程產(chǎn)生。式中式中 、 分別為執(zhí)行器接收到控制信號開始動作的時刻和分別為執(zhí)行器接收到控制信號開始動作的時刻和控制器運算完成得到控制信號的時刻?？刂破鬟\算完成得到控制信號的時刻。scksskcsksckttcsktsskt

41、cakcfkaskcakttasktcfkt（3 3）控制器執(zhí)行運算產(chǎn)生的時延）控制器執(zhí)行運算產(chǎn)生的時延控制器開始計算到計算完成得到控制信號這段時間。控制器開始計算到計算完成得到控制信號這段時間。式中式中 為控制器開始計算的時刻。為控制器開始計算的時刻。傳感器到控制器的時延和控制器到執(zhí)行器的時延都是由數(shù)據(jù)傳感器到控制器的時延和控制器到執(zhí)行器的時延都是由數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸造成的，具有相似的特點。通常這兩種時延都在網(wǎng)絡(luò)上傳輸造成的，具有相似的特點。通常這兩種時延都是時變的，但在不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議下又會有不同的特性。是時變的，但在不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議下又會有不同的特性。確定性網(wǎng)絡(luò)訪問方式，其網(wǎng)絡(luò)時延

42、變化通常具有周期性和確確定性網(wǎng)絡(luò)訪問方式，其網(wǎng)絡(luò)時延變化通常具有周期性和確定性。非確定性網(wǎng)絡(luò)訪問方式，其網(wǎng)絡(luò)時延變化都是隨機的，定性。非確定性網(wǎng)絡(luò)訪問方式，其網(wǎng)絡(luò)時延變化都是隨機的，有些非確定性網(wǎng)絡(luò)的最大時延是確定的，而以太網(wǎng)上的時延有些非確定性網(wǎng)絡(luò)的最大時延是確定的，而以太網(wǎng)上的時延變化是隨機的。變化是隨機的。 通常也是時變的，但與通常也是時變的，但與 和和 相比，它的數(shù)值和變化都相比，它的數(shù)值和變化都很小。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計時，通過選擇合適的硬件和進行很小。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計時，通過選擇合適的硬件和進行高效率的軟件編碼，可以使計算時延產(chǎn)生的影響減少到很小。高效率的軟件編碼，可以使計算時延產(chǎn)

43、生的影響減少到很小。因而在分析設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時，可以把因而在分析設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時，可以把 包括在包括在 內(nèi)一起內(nèi)一起考慮。一般將上述三類時延的總和稱為控制時延考慮。一般將上述三類時延的總和稱為控制時延 。ckcskcfkckttcsktcksckcakkckcakcak4 4、網(wǎng)絡(luò)化控制的時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)化控制的時鐘同步各節(jié)點相互之間沒有統(tǒng)一的時鐘是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本特征各節(jié)點相互之間沒有統(tǒng)一的時鐘是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本特征之一。由于各節(jié)點擁有自己的時鐘，系統(tǒng)的采樣周期和控制之一。由于各節(jié)點擁有自己的時鐘，系統(tǒng)的采樣周期和控制周期會發(fā)生偏差而不同步。這給控制器的設(shè)計和實現(xiàn)帶來了周期會發(fā)生偏差而

44、不同步。這給控制器的設(shè)計和實現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)系統(tǒng)是多個節(jié)點的多輸入多輸出系統(tǒng)時。如挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)系統(tǒng)是多個節(jié)點的多輸入多輸出系統(tǒng)時。如果不考慮各節(jié)點之間時鐘異步特征，不能做到精確的時鐘同果不考慮各節(jié)點之間時鐘異步特征，不能做到精確的時鐘同步，系統(tǒng)的控制性能會降低，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。步，系統(tǒng)的控制性能會降低，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 一般而言，為了提高實時性，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議比較一般而言，為了提高實時性，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議比較簡單，數(shù)據(jù)量不大，因而為實現(xiàn)多時鐘同步提供了多種可能。簡單，數(shù)據(jù)量不大，因而為實現(xiàn)多時鐘同步提供了多種可能。從手段上來劃分，時鐘同步有硬件和軟件的方法。硬

45、件時鐘從手段上來劃分，時鐘同步有硬件和軟件的方法。硬件時鐘同步是網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點采用統(tǒng)一的全局時鐘，帶來的問題同步是網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點采用統(tǒng)一的全局時鐘，帶來的問題是硬件資源的開銷，不適用于多節(jié)點、遠距離的網(wǎng)絡(luò)控制系是硬件資源的開銷，不適用于多節(jié)點、遠距離的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。軟件時鐘同步一般是通過對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的通信收發(fā)時統(tǒng)。軟件時鐘同步一般是通過對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的通信收發(fā)時間差的計算，估算出節(jié)點間的時鐘誤差，達到時鐘同步的目間差的計算，估算出節(jié)點間的時鐘誤差，達到時鐘同步的目的。這里僅介紹軟件時鐘同步方法。的。這里僅介紹軟件時鐘同步方法。 （1 1）起始時鐘誤差的多時鐘同步）起始時鐘誤差的多時鐘同步

46、由于各節(jié)點之間的起始時鐘不一致而導(dǎo)致的時鐘不同由于各節(jié)點之間的起始時鐘不一致而導(dǎo)致的時鐘不同步。這里假定各節(jié)點的時鐘本身記時是準(zhǔn)確的，僅僅步。這里假定各節(jié)點的時鐘本身記時是準(zhǔn)確的，僅僅因起始點不同而產(chǎn)生了誤差。因起始點不同而產(chǎn)生了誤差。 設(shè)在設(shè)在i i時刻絕對時間為時刻絕對時間為 ，節(jié)點，節(jié)點a a的記時時間為的記時時間為 ，節(jié)點，節(jié)點b b的記時時間為的記時時間為 ，則：，則： ，節(jié)點節(jié)點a a對節(jié)點對節(jié)點b b的偏差為：的偏差為： aititaiaittbitbibittbabiaitt標(biāo) 準(zhǔn) 時 間時鐘值標(biāo) 準(zhǔn) 時 鐘節(jié) 點 a時 鐘節(jié) 點 b時 鐘ab假設(shè)節(jié)點假設(shè)節(jié)點a a在在u u時

47、刻向節(jié)點時刻向節(jié)點b b發(fā)送數(shù)據(jù)并記錄此刻的時間發(fā)送數(shù)據(jù)并記錄此刻的時間 ；在在v v時刻節(jié)點時刻節(jié)點b b收到數(shù)據(jù)，立即向節(jié)點收到數(shù)據(jù)，立即向節(jié)點a a發(fā)送此刻的時間發(fā)送此刻的時間 ；在在ww時刻節(jié)點時刻節(jié)點a a收到數(shù)據(jù)并記錄時間收到數(shù)據(jù)并記錄時間 。同時假定從。同時假定從a a到到b b的的通信時間和通信時間和b b到到a a的通信時間的期望值相同。即：的通信時間的期望值相同。即：則：則： 其中算子其中算子E E表示數(shù)學(xué)期望值。這樣就可以估算出兩個節(jié)點表示數(shù)學(xué)期望值。這樣就可以估算出兩個節(jié)點之間的由于起始點不同而造成的時鐘偏差，從而達到各之間的由于起始點不同而造成的時鐘偏差，從而達到各節(jié)

48、點之間的時鐘同步。節(jié)點之間的時鐘同步。 autbvtawtaubvauavabttttTbvawavawbattttT)()(baabTETE)22(awaubvtttE（2 2）時鐘漂移的多時鐘同步）時鐘漂移的多時鐘同步前面的時鐘同步算法前提是各節(jié)點的時鐘發(fā)生器沒有漂移，振蕩前面的時鐘同步算法前提是各節(jié)點的時鐘發(fā)生器沒有漂移，振蕩頻率恒定。但實際的計算機時鐘晶振一般都存在漂移。定義節(jié)點頻率恒定。但實際的計算機時鐘晶振一般都存在漂移。定義節(jié)點a a的時鐘漂移率為的時鐘漂移率為 ：其中，其中， 為節(jié)點為節(jié)點a a的時鐘在的時鐘在 （即（即 到到 時間增量）時間內(nèi)的時間增量。時間增量）時間內(nèi)的時間

49、增量。普通晶振的時鐘漂移率為普通晶振的時鐘漂移率為 。1 1小時的時鐘誤差為小時的時鐘誤差為 。高精度晶振的時鐘漂移率為高精度晶振的時鐘漂移率為 。在實際控制系統(tǒng)的設(shè)計中，。在實際控制系統(tǒng)的設(shè)計中，必須考慮這種誤差到來的影響。如果這種影響是不可忽略的，前必須考慮這種誤差到來的影響。如果這種影響是不可忽略的，前述的時鐘同步算法則不再適用。假定節(jié)點述的時鐘同步算法則不再適用。假定節(jié)點a a和節(jié)點和節(jié)點b b時間起始點相時間起始點相同，時鐘漂移率不同。同，時鐘漂移率不同。標(biāo)準(zhǔn)時間時鐘值標(biāo)準(zhǔn)時鐘節(jié)點b時鐘節(jié)點a時鐘節(jié)點a時間時鐘值節(jié)點a時鐘節(jié)點b時鐘iiaijijaiajttttttttt)()(at

50、ititjt651010msms366 . 3981010設(shè)在設(shè)在i i時刻絕對時間為時刻絕對時間為 ；節(jié)點；節(jié)點a a的記時時間為的記時時間為 ，時間漂移率，時間漂移率為為 ；節(jié)點；節(jié)點b b的記時時間為的記時時間為 ，時間漂移率為，時間漂移率為 ，則：，則：將坐標(biāo)平移，不失一般性可以得到以節(jié)點將坐標(biāo)平移，不失一般性可以得到以節(jié)點a a時鐘為基準(zhǔn)的節(jié)點時鐘為基準(zhǔn)的節(jié)點b b的時鐘表達式為：的時鐘表達式為： ，其中，其中這樣，只須辨識參數(shù)這樣，只須辨識參數(shù) 就可以實現(xiàn)就可以實現(xiàn)a a、b b節(jié)點間的時鐘同步。參節(jié)點間的時鐘同步。參數(shù)的辨識可以通過一系列通信實驗數(shù)據(jù)得到。假設(shè)節(jié)點數(shù)的辨識可以通過

51、一系列通信實驗數(shù)據(jù)得到。假設(shè)節(jié)點a a在在u u時刻時刻 向向b b發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信的延時，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信的延時，節(jié)點b b在在v v時時刻刻 接受到數(shù)據(jù)并立即向節(jié)點接受到數(shù)據(jù)并立即向節(jié)點a a發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信的延時，節(jié)點通信的延時，節(jié)點a a在在ww時刻時刻 收到確認(rèn)數(shù)據(jù)。這里，上收到確認(rèn)數(shù)據(jù)。這里，上標(biāo)標(biāo)a a和和b b表示分別以表示分別以a a和和b b節(jié)點的時鐘記時，節(jié)點的時鐘記時，k k表示第表示第k k次實驗。次實驗。itaitabitbiaaitt)1 (ibbitt)1 (aibittab11nkaukt1)(nkbvkt1)(

52、nkawkt1)(假定節(jié)點假定節(jié)點a a和和b b之間通信時間的期望值是一定的，可以之間通信時間的期望值是一定的，可以得到以節(jié)點得到以節(jié)點a a的時鐘為基準(zhǔn)的的時鐘為基準(zhǔn)的a a和和b b之間通信時間之間通信時間 的估的估計值：計值：而而 ，則有：則有： 利用最小二乘法可以得到的估計值為：利用最小二乘法可以得到的估計值為：nkauawktktn1)()(21)()(ktktauav) )()(ktktaubvnkaunkbvauktktkt121) )()() )(（3 3）一般情況下的多時鐘同步）一般情況下的多時鐘同步在實際的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，存在上述兩種情況的綜合，既在實際的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，

53、存在上述兩種情況的綜合，既有節(jié)點之間的時間起始點的誤差，也存在節(jié)點之間的時鐘有節(jié)點之間的時間起始點的誤差，也存在節(jié)點之間的時鐘漂移率的不同。假定節(jié)點漂移率的不同。假定節(jié)點a a和節(jié)點和節(jié)點b b的時間起始點不同，時的時間起始點不同，時鐘漂移率不同。鐘漂移率不同。 標(biāo)準(zhǔn)時間時鐘值標(biāo)準(zhǔn)時鐘節(jié)點b時鐘節(jié)點a時鐘節(jié)點a時間時鐘值節(jié)點a時鐘節(jié)點b時鐘i i時刻有：時刻有：以節(jié)點以節(jié)點a a的時鐘為基準(zhǔn)的節(jié)點的時鐘為基準(zhǔn)的節(jié)點b b的時鐘表達式為：的時鐘表達式為： 其中：其中： ，參數(shù)的辨識的方法和前面的方法相同。可以得到數(shù)據(jù)參數(shù)的辨識的方法和前面的方法相同?？梢缘玫綌?shù)據(jù)列列 、 、 ，含義與前面所述相同

54、。同樣，含義與前面所述相同。同樣首先可以得到以節(jié)點首先可以得到以節(jié)點a a的時鐘為基準(zhǔn)的的時鐘為基準(zhǔn)的a a和和b b之間通信時之間通信時間的估計值：間的估計值：則有：則有： aiaaitt)1 (bibbitt)1 (aibittabbb11ab11nkaukt1)(nkbvkt1)(nkawkt1)(nkauawktktn1)()(21) )()(ktktaubv記記 即：即： 利用最小二乘法得到估計值：利用最小二乘法得到估計值：這樣在節(jié)點這樣在節(jié)點a a的時間值和節(jié)點的時間值和節(jié)點b b的時間值可以相互轉(zhuǎn)換，的時間值可以相互轉(zhuǎn)換，從而達到節(jié)點間的時鐘同步的目的。從而達到節(jié)點間的時鐘同步的

55、目的。 TbvbvbvntttB)()2() 1 (1)(1)2(1) 1 (ntttAauauauBABAAATT1)(5、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)模型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的融合，因而對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的融合，因而對它的分析設(shè)計也常常從控制和網(wǎng)絡(luò)兩個角度進行：它的分析設(shè)計也常常從控制和網(wǎng)絡(luò)兩個角度進行：從網(wǎng)絡(luò)的角度設(shè)計一種通信協(xié)議，來減小網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)的角度設(shè)計一種通信協(xié)議，來減小網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟失等這些問題對控制系統(tǒng)的影響；丟失等這些問題對控制系統(tǒng)的影響；從控制的角度，就是把現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議等當(dāng)作既定從控制的角度，就是把現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議等當(dāng)作既定條件

56、，在此基礎(chǔ)上得到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來進行條件，在此基礎(chǔ)上得到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來進行分析和設(shè)計，補償或減少網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟失等問題對控分析和設(shè)計，補償或減少網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟失等問題對控制系統(tǒng)的不良影響，得到滿意的控制效果。制系統(tǒng)的不良影響，得到滿意的控制效果。執(zhí)行器控制對象傳感器控制器cacsc通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的節(jié)點的工作方式可以分為時間網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的節(jié)點的工作方式可以分為時間驅(qū)動驅(qū)動( Time-Driven)( Time-Driven)和事件驅(qū)動和事件驅(qū)動(Event-Driven)(Event-Driven)兩種。兩種。所謂時間驅(qū)動的工作方式，是指節(jié)點在采樣時鐘所謂時

57、間驅(qū)動的工作方式，是指節(jié)點在采樣時鐘的作用下定時采樣信號，然后進行發(fā)送。的作用下定時采樣信號，然后進行發(fā)送。而事件驅(qū)動是指信號一到達節(jié)點，節(jié)點立即被激而事件驅(qū)動是指信號一到達節(jié)點，節(jié)點立即被激活，對數(shù)據(jù)進行處理和發(fā)送，即活，對數(shù)據(jù)進行處理和發(fā)送，即“信號到達信號到達”這這個事件個事件“驅(qū)動驅(qū)動”節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)的動作，因此叫事節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)的動作，因此叫事件驅(qū)動的工作方式。件驅(qū)動的工作方式。設(shè)設(shè)NCS NCS 中被控對象的連續(xù)狀態(tài)方程為：中被控對象的連續(xù)狀態(tài)方程為：根據(jù)節(jié)點不同的工作方式，根據(jù)節(jié)點不同的工作方式， 可以得到不同的系統(tǒng)可以得到不同的系統(tǒng)離散時間模型。離散時間模型。)()()()()(t

58、CxtytButAxtx為了對為了對NCSNCS進行建模，首先對系統(tǒng)作如下假設(shè)（每次取進行建模，首先對系統(tǒng)作如下假設(shè)（每次取其中的幾條假設(shè)來建模）：其中的幾條假設(shè)來建模）：（1 1）傳感器節(jié)點采用時間驅(qū)動方式，對被控對象的輸出）傳感器節(jié)點采用時間驅(qū)動方式，對被控對象的輸出進行等周期采樣，采樣周期為進行等周期采樣，采樣周期為h h ；（2 2）控制器節(jié)點采用時間驅(qū)動方式；）控制器節(jié)點采用時間驅(qū)動方式；（3 3）控制器節(jié)點采用事件驅(qū)動方式，）控制器節(jié)點采用事件驅(qū)動方式， 即信息的到達時即信息的到達時間即為相應(yīng)節(jié)點的動作時間；間即為相應(yīng)節(jié)點的動作時間；（4 4）執(zhí)行器節(jié)點采用時間驅(qū)動方式；）執(zhí)行器節(jié)

59、點采用時間驅(qū)動方式；（5 5）執(zhí)行器節(jié)點采用事件驅(qū)動方式；）執(zhí)行器節(jié)點采用事件驅(qū)動方式；（6 6）整個控制回路總的時間延遲）整個控制回路總的時間延遲( )( )滿足滿足 ，且，且k k為固定的或隨機的；為固定的或隨機的；（7 7）整個控制回路總的時間延遲）整個控制回路總的時間延遲 ， m 1m 1，且且k k 為固定或隨機的。為固定或隨機的。cakcksckkhk0mhk0基于假設(shè)基于假設(shè)(1)(1)、(3)(3)、(4)(4)、(6)(6)的的NCSNCS的各節(jié)點時序如下圖的各節(jié)點時序如下圖所示。所示。由此假設(shè)可得其離散時間模型為：由此假設(shè)可得其離散時間模型為：其中其中 ，) 1()() 1

60、(kukxkxAhehAtdtBe0傳感器輸出控制器輸入執(zhí)行器輸出(k-1)hkh(k+1)h(k+2)h(k+3)hscca基于假設(shè)基于假設(shè)(1) (1) 、(3) (3) 、(5)(5)、 (6)(6) 的的NCS NCS 的各節(jié)點時序如下圖的各節(jié)點時序如下圖所示。所示。傳感器輸出控制器輸入執(zhí)行器輸出(k-1)hkh(k+1)h(k+2)h(k+3)hscca由此假設(shè)可得其離散時間模型為：由此假設(shè)可得其離散時間模型為：其中其中 ， ， 對于上述離散時間模型：對于上述離散時間模型： 當(dāng)當(dāng) 為固定值時，即網(wǎng)絡(luò)時延為固定值時，即網(wǎng)絡(luò)時延固定時，固定時， 狀態(tài)反饋矩陣狀態(tài)反饋矩陣 可以通過設(shè)計合適