网络控制系统的概述.doc

先进控制 网络在普适计算时代的机遇和挑战 姓 名： 万金朋 学 号： 20091302111 专 业： 交通信息工程及控制 学 院： 自动化学院 网络控制系统的概述 万金朋 (重庆大学自动化学院 重庆 400044) 摘 要: 在网络控制系统中,由于网络的通讯带宽的限制、信息(包括传感器信号,控制器信号,等等)的碰撞等诸多原因,不可避免地会使信息在传输过程中存在时延,称之为网络诱导时延。网络诱导时延是导致控制系统的性能降低,甚至使得系统不稳定的主要因素。由复杂大系统控制和远程控制系统对网络化控制的客观需求, 从网络控制系统的特点和要求出发, 介绍了网络控制系统的设计及分析方法, 同时阐述了网络控制系统中存在的主要问题, 即延迟和数据包丢失同时存在, 使读者了解目前网络控制系统研究的现状, 为更进一步的研究探索提供参考。 关键词: 网络控制系统; 延迟；数据包 中图分类号: TP 393 　　　　文献标识码: A 1 引　言 通信与控制系统ICCS ( Integrated Communication and Control Systems) , 又称网络控制系统NCS (Networked Control Systems) 是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统, 是指某个区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合, 用以提供设备之间的数据传输, 使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。网络控制系统中各控制单元通过网络交换信息,以分时复用的方式共享网络资源. 对于空间分布广、复杂程度高的NCS ,网络带宽的限制以及信息调度算法的不当会造成数据包在传输过程中发生时延、丢失和乱序,不仅降低了信息传输的实时性和可靠性,而且恶化了NCS的控制性能. NCS 中的信息调度策略通过在网络用户层或者网络传输层的上层分配网络各节点的发送的优先级、发送时刻以及时间间隔,减少数据传输冲突的发生,提高数据的实时性和可靠性. 现代社会, 网络无处不在,它充满了社会的各个领域, 如管理决策、资源共享、自动化制造工厂、电厂、机器人、高级的航天航空器和电气化运输工具等许多高科技领域和大型企业。NCS 的概念自从20 世纪90 年代初被提出,就立刻引起了人们的关注, 同时对传统的控制系统理论和应用提出了新的挑战。本文从网络控制系统的特点和要求出发, 介绍了网络控制系统的设计及分析方法, 并针对网络控制系统中存在的主要问题, 即延迟和数据包丢失同时存在, 总结了几种较为常用的模型及分析方法。　 网络控制系统的特点 一个典型的网络控制系统的结构框图如下图1所示： 图1 典型网路控制的结构框图 而一个常用的网络控制系统(有延迟时) 的结构如图2 所示： 图2 　网络控制系统结构 NCS 较集中控制系统和分散控制系统在结构上更加网络化, 并且系统中的节点之间数据及信息的传输是通过网络来完成的。每个节点都是一个独立的单元, 具有独立的分析及计算功能, 这样使网络控制系统在结构上显得较为稳定。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, 使网络控制系统的功能分散化, 控制更加现场化, 从而提高了系统的可靠性和安全性。网络控制系统由于网络的介入, 不可避免地带来与其他控制系统不同的问题。首先, 由于传感器, 控制器和执行器之间是由网络来连接的, 加之各个节点的触发方式的不同, 所以在各个部分之间的信息传输是有延时的, 而且这种延时呈现出有界或无界, 固定或随机的的特性。其次, 在传输的过程中信息不可避免地会发生丢失, 重传或冲突的现象, 这样必然会导致信息的多通道传输。这些问题的存在, 势必会影响整个网络控制系统的性能, 同时也给网络控制系统的研究指明了方向。 3 　网络控制系统的基本研究方法 由于数据在网络中的传输时间的不确定性, 以及数据出错和丢失等现象, 研究网络控制系统时必须考虑网络控制的独有特性。目前针对NCS 中时延的特性, 网络控制的研究方向主要有网络体系的构架和控制器设计两大方面。 基本设计方法： ①固定性或有界性延迟控制设计方法　由于数据在网络传输过程中延迟的时变性和数据到达的随机性, 所以网络控制系统是具有随机传输延迟的闭环控制系统, 若按最大传输延迟来设计控制器, 会引起所得闭环控制系统不稳定, 同时给研究也带来一定的难度。因此, 采用确定性方法设计闭环网络控制系统, 首先要将随机的时变延迟转化为固定延迟, 然后针对转化后的固定延迟设计网络控制器,这样就可以用已有的确定性系统的设计方法和分析方法去研究闭环网络控制系统。 ②随机性延迟控制设计方法　由于随