網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)的綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)的綜述姓名：王旭閩 學(xué)號(hào)：預(yù)科 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS（Networked Control Systems）,又稱集成通訊與控制系統(tǒng)ICCS（Integrated Communication and Control System）。一般認(rèn)為ICCS是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，是將控制系統(tǒng)的傳感器、控制器、執(zhí)行器等單元通過通訊網(wǎng)絡(luò)連接起來形成閉環(huán)的分布式控制系統(tǒng)。其涵蓋了兩方面的內(nèi)容：系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的分布化和控制回路的網(wǎng)絡(luò)化。這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式具有信息

2、資源能夠共享、連接線數(shù)大大減少、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但由于網(wǎng)絡(luò)中的信息源很多，信息的傳送藥分時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)通訊資源，而網(wǎng)絡(luò)的承載能力和通訊帶寬有限，必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生，使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中不可避免地存在時(shí)延。時(shí)延由于受到網(wǎng)絡(luò)所采用的通訊協(xié)議、負(fù)載狀況、網(wǎng)絡(luò)速率以及數(shù)據(jù)包大小等情況到影響，呈現(xiàn)出或固定或隨機(jī)，或有界或無界的特征，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能下降甚至不穩(wěn)定，也給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來困難。網(wǎng)絡(luò)給NCS帶來的主要問題包括：時(shí)延采樣時(shí)刻和執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)刻間出現(xiàn)了不可忽略的滯后;在某時(shí)間間隔內(nèi)存在于時(shí)間相關(guān)的抖動(dòng);由于數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸發(fā)生丟失或沖突，導(dǎo)致時(shí)延增大甚至系統(tǒng)失穩(wěn)

3、。NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制律器的設(shè)計(jì)，而且受到網(wǎng)絡(luò)通訊和網(wǎng)路資源的限制。信息調(diào)度應(yīng)盡可能避免網(wǎng)絡(luò)中信息的沖突和擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，從而大大提高網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的服務(wù)性能。 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本書基于現(xiàn)場總線技術(shù)及自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研成果，系統(tǒng)地介紹了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的組成原理、控制結(jié)構(gòu)、建模方法，網(wǎng)絡(luò)擁塞閉環(huán)控制機(jī)理，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延閉環(huán)控制方法，現(xiàn)場總線控制技術(shù)及應(yīng)用，基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于Internet和Web的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)在工業(yè)加熱爐、工業(yè)鍋

4、爐和電廠鍋爐濕法煙氣脫硫中的應(yīng)用。 在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器都是與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，傳遞信號(hào)一般采用電壓和電流等模擬信號(hào)。在這種結(jié)構(gòu)模式下，控制系統(tǒng)往往布線復(fù)雜，從而增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、靈活性和擴(kuò)展性，特別在地域分散的情況下，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的高成本、低可靠性等弊端更加突出。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的技術(shù)變革，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（NetworkedControlSystem，NCS）應(yīng)運(yùn)而生，其主要標(biāo)志就是在控制系統(tǒng)中引入了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從而使得眾多的傳感器、執(zhí)行器、控制器等主要功能部件能夠通過網(wǎng)絡(luò)相連接，相關(guān)的信號(hào)

5、和數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換，避免了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線的鋪設(shè)，而且可以實(shí)現(xiàn)資源共享、遠(yuǎn)程操作和控制，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。 在控制系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)并不是一個(gè)新的想法，它可以追溯到20世紀(jì)70年代末期集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）的誕生。在DCS出現(xiàn)之前，早期的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，DDC），在這種控制結(jié)構(gòu)中，所有傳感器和執(zhí)行器都與同一臺(tái)計(jì)算機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)昂貴，系統(tǒng)一般采用集中式的體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)生產(chǎn)過程和控制策略都由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成，即使是計(jì)算機(jī)一個(gè)單一的故障也會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)及其所有回路失效。

6、伴隨著計(jì)算機(jī)成本的下降和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，（計(jì)算機(jī)）控制網(wǎng)絡(luò)被首次引入到了控制系統(tǒng)，導(dǎo)致了DCS的產(chǎn)生。DCS將控制任務(wù)分散到若干小型的計(jì)算機(jī)控制器（也叫做現(xiàn)場控制站）中，每個(gè)控制器采用DDC控制結(jié)構(gòu)處理部分控制回路，而在控制器與控制器、控制器與上位機(jī)（操作員站或工程師站）之問建立了計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，這種控制結(jié)構(gòu)使得操作員在上位機(jī)中能夠?qū)Ρ豢叵到y(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，某個(gè)控制回路的控制策略的設(shè)計(jì)也可以在上位機(jī)中組態(tài)完成，通過控制網(wǎng)絡(luò)下載到對(duì)應(yīng)的控制器中實(shí)時(shí)運(yùn)行。DCS大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性，并實(shí)現(xiàn)了集中管理和分散控制。 盡管在DCS中已經(jīng)引入了控制網(wǎng)絡(luò)，但由于當(dāng)時(shí)傳感器和執(zhí)行器只能發(fā)送和接收

7、模擬量信號(hào)，所以在傳感器與控制器、控制器與執(zhí)行器之間仍然采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的DDC控制結(jié)構(gòu)。采用模擬量信號(hào)進(jìn)行信息傳輸，只是在控制器的輸入、輸出端進(jìn)行信號(hào)的模擬量數(shù)字量（AD）和數(shù)字量模擬量（DA）轉(zhuǎn)換。通訊網(wǎng)絡(luò)給NCS系統(tǒng)帶來的問題為：1） 控制時(shí)延是某個(gè)采樣時(shí)刻和對(duì)應(yīng)的執(zhí)行期響應(yīng)時(shí)刻之差。從控制的角度看，時(shí)延將導(dǎo)致向衛(wèi)滯后，惡化系統(tǒng)性能，從信息調(diào)度的角度看，時(shí)延將使信息不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)，丟失截止期，甚至帶來不可預(yù)料的通訊多米諾效應(yīng)。2） 抖動(dòng)是在任何特定的時(shí)間間隔，與時(shí)間相關(guān)的、突然的、亂真的變化，可以看成一種突發(fā)性的故障;表現(xiàn)為控制周期的抖動(dòng)，時(shí)延抖動(dòng)，采樣抖動(dòng);從調(diào)度的角度看，抖動(dòng)表現(xiàn)為輸出抖

8、動(dòng)，隊(duì)列抖動(dòng)，截止期抖動(dòng)等。3） 瞬態(tài)誤差是控制信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)發(fā)生丟失或沖突而產(chǎn)生的，會(huì)使數(shù)據(jù)和通訊時(shí)延加劇，時(shí)序采樣值不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)，產(chǎn)生空采樣問題以及樣本數(shù)據(jù)拒絕問題。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可變因素，目前的假設(shè)主要集中在以下方面：1） 驅(qū)動(dòng)方式的假設(shè)傳感器都是采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)，采樣周期為 ，執(zhí)行器和控制器存在時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)兩種方式的組合。2） 傳輸時(shí)延的假設(shè)通常假設(shè)為常數(shù)、隨機(jī)分布，或有界或無界。和T滿足0#lt;#gt;T或。3） NCS數(shù)據(jù)傳輸假設(shè)傳輸?shù)拿恳粩?shù)據(jù)包都是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)被分成多個(gè)數(shù)據(jù)包，即單包和多包傳輸問題。4） NCS數(shù)據(jù)丟包數(shù)據(jù)單元在傳輸中由于網(wǎng)絡(luò)擁塞、中斷等原因會(huì)導(dǎo)

9、致數(shù)據(jù)包的時(shí)序錯(cuò)亂或數(shù)據(jù)包丟失等問題。NCS的研究涉及控制和通訊網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面，對(duì)同一個(gè)問題既可以從控制角度來研究，也可以從信息調(diào)度角度來研究，或者綜合兩方面進(jìn)行研究。針對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的NCS，絕大多數(shù)的文獻(xiàn)對(duì)NCS進(jìn)行分析時(shí)，都假定傳感器、控制器和執(zhí)行器的采樣速率是一致的，即研究的是單率采樣系統(tǒng)下的情形。然而，對(duì)于NCS，由于節(jié)點(diǎn)的分散化，單一的采樣速率不符合實(shí)際情況。多率采樣是符合實(shí)際系統(tǒng)真實(shí)情形的，Salt等人針對(duì)多率采樣的控制問題進(jìn)行了研究，傳感器和控制器啟動(dòng)時(shí)又很小的時(shí)間偏差，新的傳感器值到達(dá)控制器的概率假定是已知的。若，則說明是在新的測量數(shù)據(jù)未知的情況下對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。但是對(duì)多率采樣

10、系統(tǒng)來說，采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的采樣方式常常會(huì)出現(xiàn)很多問題，如過多的冗余信號(hào)將使系統(tǒng)的時(shí)延、空采樣、報(bào)文丟失扥變得更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。 在NCS中網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒖梢苑譃閮深悾簩?shí)時(shí)性信息和非實(shí)時(shí)性信息。實(shí)時(shí)性信息對(duì)時(shí)間要求非?？量?，如果在規(guī)定時(shí)間的上限內(nèi)信息未能起作用，則該信息將被丟棄，而使用最新的信息。NCS信息調(diào)度策略中主要調(diào)度兩類數(shù)據(jù)信息：周期信息和非周期信息。周期信息是一種實(shí)時(shí)性信息，也被稱為時(shí)間出發(fā)信息或者同步信息。非周期信息主要是指節(jié)點(diǎn)間的請(qǐng)求服務(wù)等信息，其發(fā)生時(shí)刻是隨機(jī)的，也被稱為事件觸發(fā)信息、異步信息或者隨機(jī)性信息。在NCS中，信息調(diào)度發(fā)生在應(yīng)用層，信息調(diào)度規(guī)定節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先發(fā)送

11、次序、發(fā)送時(shí)刻和時(shí)間間隔，以避免網(wǎng)絡(luò)沖突。如果網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務(wù)時(shí)限內(nèi)完成，則稱傳輸是可調(diào)度的。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究可分為調(diào)度與控制分開設(shè)計(jì)和調(diào)度和控制協(xié)同設(shè)計(jì)兩類。 在目前的NCS研究中，一類研究是針對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)，研究提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的信息調(diào)度方法;另一類是在給定的網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度方法基礎(chǔ)上，研究提高NCS性能的控制方法。根據(jù)信息對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，信息調(diào)度分為靜態(tài)調(diào)度（離線調(diào)度）、動(dòng)態(tài)調(diào)度（在線調(diào)度）以及混合調(diào)度。1） 靜態(tài)優(yōu)先即調(diào)度速率單調(diào)靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度（Rate Monotonic Scheduling Model）的調(diào)度優(yōu)先級(jí)由任務(wù)周期確定，在任務(wù)周期等于時(shí)限得同

12、步實(shí)時(shí)任務(wù)系統(tǒng)中是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。但該算法調(diào)度判定時(shí)間復(fù)雜度是指數(shù)增長的，而且對(duì)任務(wù)的執(zhí)行周期限制得過于嚴(yán)格，只能處理具有固定周期任務(wù)。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度 在動(dòng)態(tài)優(yōu)先即調(diào)度中，任務(wù)的時(shí)間約束關(guān)系并沒有完全確定，新任務(wù)的到達(dá)時(shí)間是未知的。Liu和Layland提出時(shí)限最早的任務(wù)調(diào)度（Earliest Deadline First Scheduling），指出任務(wù)優(yōu)先級(jí)是任務(wù)時(shí)限與任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻的差，該算法對(duì)同步周期任務(wù)組是最佳的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。目前，針對(duì)時(shí)延和丟包情況下NCS的穩(wěn)定性研究以及帶隨機(jī)噪聲的NCS的最優(yōu)控制問題的研究較多，而針對(duì)帶有確定性干擾NCS的最優(yōu)擾動(dòng)抑制問題和故障診斷問題則不多見，將最優(yōu)擾動(dòng)抑制理論應(yīng)用于帶有時(shí)延和丟包的NCS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)擾動(dòng)抑制是研究的一個(gè)重要方向。在用Markov鏈對(duì)NCS建模時(shí)，都假定狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移概率是已知的，而實(shí)際上還存在Markov鏈中狀態(tài)未知的情形。如何通過HMM（Hidden Markov Model）來辨識(shí)Markov狀態(tài)數(shù)及其轉(zhuǎn)移概率是