网络控制系统与应用课件

网络控制系统与应用东北大学信息学院周玮zhouwei@ise.neu.edu.cn信息学院自动化所一、绪论1.1网络控制系统基本概念1、常规控制系统结构控制器被控对象+_r(t)e(t)u(t)y(t)执行器传感器图1（a）信息学院自动化所图1（b）控制器被控对象+_r(k)e(k)u(k)y(t)执行器传感器D/AA/Du(t)y(k)计算机控制对象信息学院自动化所控制器被控对象+_r(k)e(k)u(k)y(t)接收器+执行器发送器+传感器图2（a）输入通道延迟反馈通道延迟接收器：通讯控制器，D/A发送器：通讯控制器，A/Du(t)y(k)网络通道2、网络控制系统结构信息学院自动化所r(k)T执行器被控对象传感器控制器网络通道图2（b）--反馈通道时延--输入通道时延信息学院自动化所��������3、网络控制系统定义通过网络形成闭环的反馈控制系统，称为网络控制系统（NCS:NetworkedControlSystem），即控制系统中的控制器、传感器和执行器通过网络来交换控制及传感等信息。分布式系统（DCS）、工业现场总线系统（FCS）、工业以太网（Ethernet）都属于网络控制系统的范畴。NCS体现了控制系统向网络化、集成化、分布化以及节点智能化的方向发展趋势，在工业控制、运动体控制、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。信息学院自动化所图3(a)直接结构的网络控制系统4、网络控制系统抽象结构信息学院自动化所������������������������������������������������������图3(b)分层结构的网络控制系统信息学院自动化所�����������������������������������������������������������������+�-�5、网络控制系统特点(1)结构网络化：NCS最显著的特点体现在网络体系结构上，它支持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与传统分层控制系统的递阶结构相比显得更加扁平和稳定；(2)节点智能化：带有CPU的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调，每个节点都是组成网络的一个细胞，且具有各自相对独立的功能；(3)控制现场化和功能分散化：网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场设备上执行，使危险得到了分散，从而提高了系统的可靠性和安全性；(4)系统开放化和产品集成化：NCS的开发遵循一定标准进行，是一个开放的系统。只要不同厂家根据统一标准来开发自己的产品，这些产品之间便能实现互操作和集成。信息学院自动化所6、网络控制系统复杂性(1)网络环境下，多用户共享通信线路且流量变化不规则，这必然导致网络时延，同时采用不同的网络 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 会使时延具有不同的性质；(2)传输数据流经众多的计算机和通讯设备且路径不唯一，这会导致网络时延和网络数据包的时序错乱；(3)在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这又会导致网络数据包的时序错乱和数据包丢失。信息学院自动化所7、与传统点对点结构系统比较 可以实现资源共享 实现远程操作与控制 具有高的诊断能力 安装与维护方便 能有效减少系统的重量与体积 增加系统的灵活性与可靠性 使用无线网络技术，可以实现使用大量广泛分布的廉价传感器与远距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的NCS，这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的。信息学院自动化所8、网络控制系统评价标准(1)网络服务质量（QoS,QualityofService）：包括网络吞吐量，传输效率，误码率，时延可预测性和任务的可调度性。(2)系统控制性能（QoP,QualityofPerformance）：包括稳定性，快速性，准确性，超调和震荡等。信息学院自动化所9、网络控制系统技术基础(1)控制技术：构建了网络控制系统的功能和算法结构，是其内在灵魂与核心。(2)计算机技术：各个节点和控制功能模块的实现方式,它是形成控制网络的软、硬件基础，是控制网络系统的血肉。(3)网络与通信技术：网络通讯技术连接了网络控制系统的各个组成部分，是系统的连接架构，它构成了网络控制系统的躯干。信息学院自动化所信息学院自动化所组合式模拟控制系统集中式数字控制系统集散控制系统现场总线控制系统开放嵌入式网络化控制系统集中式主从式分布式1.2、NCS的产生和发展信息学院自动化所设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行控制计算机集中控制系统（DDC）信息学院自动化所设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行CPUCPUCPU上位机集散控制系统（DCS）控制室信息学院自动化所设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行上位机总线控制系统（FCS）控制装置控制装置控制装置总线信息学院自动化所设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行控制机2计算机网络控制机1控制机n网络化控制系统（NCS）信息学院自动化所1.3NCS的应用1、基于校园网络的实时控制系统2、温室控制系统3、数控车床网络控制系统4、遥控操作的机器人控制系统信息学院自动化所基于校园网络的实时控制系统：客户机/服务器模式。客户机校园网服务器对象1对象2对象n信息学院自动化所温室控制系统信息学院自动化所 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 一：基于现场总线LONWORKS网络信息学院自动化所笔记本电脑方案二：EtherNet加CAN总线网络信息学院自动化所数控车床网络控制系统信息学院自动化所基于遥控操作的机器人控制系统信息学院自动化所1.4NCS中的基本问题1、时变传输周期 传统计算机控制系统假设对被控对象进行等周期采样，使对系统分析大大简化; NCS中对采样数据的传输可以是周期的，也可以是非周期的。取决于控制网络的介质存取控制协议（MAC:MediumAccessControlprotocol）。信息学院自动化所2、网络调度 指一个节点多久可以传输一次信息，以及以多高的优先级传递信息，发生在用户层或传输层以上; 调度控制环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络中冲突现象的发生； 至于数据如何更有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应采取何种措施，这些问题在网络层由线路优化和堵塞算法考虑。信息学院自动化所3、网络时延 在NCS中由于信道竞争、物理信号编码和通信协议处理等带来的额外开销，在控制器、执行器和传感器之间不可避免地引入了不同类型的时延，这些时延统称为网络时延。 根据所采用的网络协议和设备的不同，这类时延可能是确定的、有界的或随机的，它们在不同程度上降低了系统的控制性能，甚至造成系统的不稳定。 尤其是当网络上存在多个控制回路时，网络时延会使各回路之间产生耦合，从而使NCS的分析和设计更加复杂。信息学院自动化所4、单包传输和多包传输 单包传输指NCS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发送；而多包传输指待发送的数据被分成多个数据包进行传输。 传统的数字控制系统假设被控对象的输出和控制输入时同时传递的，这在NCS的多包传递中已不再成立。因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。 不同的网络适合不同类型的传输，Ethernet中一个数据包最大可以容纳1500个字节的数据，因此适合于单包传输的方式；DeviceNet中一个数据包最大可以容纳8个字节的数据，因此常常以多包方式进行传输。信息学院自动化所5、数据包时序错乱 在网络环境下，被传输的数据流经众多的计算机和通讯设备且路径不唯一，因此将导致数据包的时序错乱问题。 NCS中的时序错乱分成两种情况：。 单包传输情况下指原来有一定先后次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同； 多包传输情况下指一个完整数据的多个数据包从源节点发到目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。信息学院自动化所6、数据包丢失 在网络中由于存在网络阻塞和连接中断，因此会导致数据包的丢失。尽管多数网络具有重新传输的机制，但也只能在一个有限的时间内传输，超出这个之间后，数据也就会丢失。 数据包丢失相当于网络结构和参数的改变，对于传统的点对点控制系统，将使系统变得不稳定。因为传统系统是同步和定时的系统。信息学院自动化所7、节点驱动方式 NCS的节点有两种驱动方式：时钟驱动和时间驱动。 时钟驱动：网络节点在一个事先确定的时间到时开始动作，事先确定的时间为节点动作的依据，如节点的采样时刻。 事件驱动：网络节点在一个特定的事件发生时开始动作，如网络节点通过数据网络从另外一个节点接受数据。 NCS中的传感器一般采用时钟驱动，而控制器和执行器可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。信息学院自动化所8、时钟同步 在NCS中，当控制器和执行器有一个为时钟驱动时，便存在一个时钟同步问题，其目的是给两个或多个节点的内部时钟以同样的值。NCS中的时钟同步分为硬件同步和软件同步。 硬件同步：在系统的各个节点之间用导线连接，时钟同步信号由导线传递。 软件同步：通过在网络上定时广播具有较高优先权的同步时钟的方式实现。 NCS中多采用软件同步的方式。信息学院自动化所1.5NCS研究内容 一、对网络的控制（ControlofNetwork）：围绕网络的服务质量，从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协议等不同的角度提出解决方案，满足系统对实时性的要求，减小网络时延、时序错乱、数据包丢失等一系列问题。可以运用运筹学和控制理论的方法来实现。 二、通过网络的控制（ControlthroughNetwork）：指在现有的网络条件下，设计相适应的NCS控制器，保证NCS良好的控制性能和稳定性。可以通过建立NCS数学模型用控制理论的方法进行研究。 三、NCS整体性能的优化与提高（综合控制）：综合考虑提高网络性能和控制性能的基础上，优化和提高整个NCS的性能。信息学院自动化所1.5.1对网络的控制1、NCS体系结构和通信协议的研究结构决定功能，体系结构的每次发展都待来控制系统性能的极大提高。NCS是一种先进的控制系统，它的先进性首先体现在结构上，那么这种体系结构为什么是先进的，有没有更先进更适合控制领域的体系结构？网络技术的应用带来了通讯协议的研究问题，ISO/OSI参考模型、TCP/IP协议、以太网、令牌环网、无线通讯协议等技术在计算机网络领域已经逐渐成熟并被广泛应用，这些技术能否用于控制领域，如何改造才能应用，已成为NCS的研究热点。信息学院自动化所2、NCS时延分析和网络调度实时性向来是控制系统面临的重要问题，对NCS，由于数据传输带来的延迟，实时性的研究就是要保证在特定环境下，各种设备间的通信能保证系统的实时性要求。一方面，加强网络通信的实时性，采用合适的调度算法是减小时延的根本手段；另一方面，研究网络时延的特征，并建立相应的数学模型，可以为控制算法的设计提供支持和保证。信息学院自动化所3、NCS数据包传送的问题单包传输和多包传输出现数据包时序错乱和数据包丢失问题时，NCS系统的稳定性问题，以及克服上述问题的方法。信息学院自动化所4、NCS中带通信约束的控制问题由于网络带宽以及系统节点数目的限制，通信速率是有界的。如何在保证系统稳定或一些其它性能指标的情况下得到每个NCS的通讯速率上界，以及如何在由通信上界的情况下进行状态估计、控制器设计等就构成了带通信约束的控制器问题。信息学院自动化所5、NCS的系统与信息的集成研究不同厂家的产品如何实现设备间和系统间的信息传递与沟通，以及如何制定统一的标准使得这种集成更方便，成本更低。集成技术在实践上能解决远程实时控制中遇到的许多难题，理论上还可大大促进控制、计算机和通信技术等学科的交叉发展。信息学院自动化所1.5.2通过网络的控制1、NCS的数学模型NCS中被控对象的连续工作状态方程为：节点的工作方式分为时间驱动和事件驱动两种。根据节点不同的工作方式，可以得到不同的系统离散事件模型。当时延为随机情况时，此时系统为一随机不确定系统。（1.1）信息学院自动化所2、NCS的极点配置设计方法在NCS中，将随机时变时延转化为固定时延，然后针对转化后的固定时延设计控制器。控制器的设计分为控制规律的设计和状态观测器的设计。根据给定的闭环系统的极点和观测器的极点分别设计控制规律和观测器，控制规律的作用是根据系统的状态产生控制量，而观测器的主要作用是利用带延迟的部分状态信息计算系统的全状态。信息学院自动化所3、NCS的最优化设计方法在NCS中，将网络时延作为系统中的随机变量或随机过程，进而设计最优控制器，即LQG设计问题，包括最优控制规律设计和最优状态估计两个方面。根据二次性能指标设计系统的最优控制规律，由Kalman滤波器得到最优状态估计。控制规律的作用是根据系统的状态产生控制量，而观测器的主要作用是利用带延迟的部分状态信息计算系统的全状态。信息学院自动化所4、NCS的鲁棒控制设计方法鲁棒控制理论是针对实际工程中模型不确定性发展起来的，因此对于此类问题可以直接应用鲁棒控制器的设计方法来解决。将NCS时延环节转化为系统的不确定块，同时可以考虑被控对象的不确定性，然后针对转化后的系统设计鲁棒控制器。该控制器能同时保证NCS的鲁棒稳定性和鲁棒性能指标，此性能指标是确定性的性能指标，而不是概率意义上的性能指标。信息学院自动化所5、NCS的智能控制设计方法高级控制和智能控制对于解决变化的问题和情况有较好的适应能力，因此可以用智能控制和先进控制策略解决时延不确定和时延补偿问题，以提高系统的鲁棒性。常用的智能控制方法有Fuzzy控制方法、遗传算法、神经网络控制方法、专家控制方法等。信息学院自动化所6、NCS的性能分析NCS的性能分析包括系统的能控/能观性分析，稳定性分析，可靠性与安全性分析等。随着控制系统向大型化和复杂化发展，故障诊断和容错控制也成为NCS的一个新的研究课题。信息学院自动化所1.5.3综合控制1、协同考虑控制与调度NCS是网络和控制组成的控制系统，其闭环性能不仅依赖于控制算法的设计，还依赖于对网络资源的调度，因此在NCS中有必要同时考虑网络协议和控制器的设计。合适的传输协议可以保证网络的服务质量（QoS,QualityofService），而先进的控制器设计是为了保证控制的品质（QoP,QualityofPerformance）。因此应该综合这两个方面，设计智能型的可同时优化网络调度与控制器参数的算法。信息学院自动化所2、NCS中的并行计算控制系统中越来越多地应用先进和智能控制策略，因此存在大量费时的计算密集问题。将并行计算技术应用到控制系统中，可以解决控制算法过于复杂而难以在工业现场应用的问题。并行计算需要多处理器协同工作和相互通信，NCS为并行计算提供了必要的硬件环境。如何在NCS中应用并行计算以获得理想的先进控制效果是一个新的研究课题，其核心内容是如何设计适合于控制系统的并行算法。信息学院自动化所本章小结1、NCS基本概念2、NCS的产生和发展3、NCS的应用4、NCS中的基本问题5、NCS研究内容信息学院自动化所