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网络控制系统（NCS）,大连理工大学,概 述,绪论第一节 网络控制系统的概念第二节 网络控制系统的基本问题第三节 网络控制系统研究的问题、方法与现状,概 述,通信与控制系统ICCS（Integrated Communication and Control Systems），又称网络控制系统NCS ( Net-worked 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。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、电广、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。,绪 论,一、网络控制系统按照结构分类集中控制系统分散控制系统分布式控制系统（集散控制系统）二、分布式控制系统的产生,一、网络控制系统按照结构分类1、集中控制系统（Centralized Control System，CCS）2、分散控制系统（Decentralized Control System，DCS）3、分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）（集散控制系统）,1、集中控制系统,集中控制系统的概念,单机系统，用一台计算机对多个对象或设备进行集中管理和集中控制，有时称为“群控”。,2、分散控制系统,多机系统，多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互联的关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成核心的控制系统都是分散式系统。,自动控制在机械加工中的应用,3、分 布 式 控 制 系 统,将微处理器作为核心的集中分散控制系统。 、利用控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和阴极射线管（CRT）显示技术4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（Total Distributed Control System，TDCS） 。主要特点：集中管理、分散控制。,分布控制系统典型结构,比较分散控制系统和分布控制系统,结构相似：分层、子系统、联系不同：（1）采用的技术不同； （2）各子系统有密切联系和信息交换，系统对各子系统的总体目标和任务进行协调和分配。分布控制系统也是多机系统，严格地说是分散控制系统的一种。,1. 30年代初期：分散控制方式直接作用式气动控制器；控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；运行人员分布在全厂各处；适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。,二、分布式控制系统的产生,控制系统的发展史,2. 30年代末期：集中控制中央控制室，信息远距离传输问题；变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室；优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制；注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大运行管理的集中，仍然分散控制；采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。,控制系统的发展史,控制系统的发展史,控制系统的发展史,3. 50年代末60年代初：集中控制方式计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中。特点：控制集中、管理集中缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。,集中控制系统,4. 70年代:分布控制方式分析集中控制的失败，提出了分布式控制系统的概念；把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调特点：控制分散、管理集中,控制系统的发展史,分 布 式 控 制 系 统,以微处理器作为核心的集中分散控制系统，利用4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（Total Distributed Control System，TDCS） 。主要特点：集中管理、分散控制。,总结： 控制系统的发展历史 (循环)1. 30年代初期：分散控制 (控制分散、 管理分散) 2. 30年代末期：集中控制 (控制分散、管理集中) 3. 50年代末60年代初：集中控制 (控制集中、控制集中) 4. 70年代:分布控制 (控制分散、管理集中),第一节 网络控制系统的概念,一、网络控制系统的发展历史四个历史阶段（四代）二、网络控制系统的基本结构三大块三、开放系统第三代的主要特点,网络控制系统产生的原因,模拟仪表难以胜任生产规模的不断扩大；仪表技术应适应工业技术发展的要求；计算机集中控制的风险太大；系统上下及子系统之间的通信联系要求越来越高。,一、 网络控制系统的发展（四个历史阶段）,1. 第一阶段（初创期）（19751980年）DCS的雏形，三大组成部分：过程控制装置操作管理装置数据通信系统基本特点：集中管理、分散控制；融入4C技术，数据通信系统为初级局域网。,分布控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔（Honeywell）公司推出第一代典型产品（公司）： Honeywell公司的TDC2000 Foxboro公司的SPECTRUM 横河公司的CENTEM 西门子(Siemens)公司的TELEPERM M,2. 第二阶段（成熟期）（19801985年）系统硬件和软件技术不断更新，系统功能扩大或增强；数据通信系统：总线网或环网；局域网；通信系统各自为政、不同厂家通信困难“自动化孤岛”。,第二代典型产品（公司）： Honeywell公司的TDC3000 西屋公司的WDPF ABB公司的MASTER,3. 第三阶段（扩展期）（1985年以后）主要特征：开放系统局域网：10兆宽带、5兆载带通信标准符合国际标准组织的ISO的OSI（Open System Interconnect）开放系统互连的参考模型；不同制造厂家的产品可以进行数据通信，克服了 “自动化孤岛”等困难；系统的软件和控制功能也有所增强。,美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标志着集散控制系统进入了第三代其他代表产品: Honeywell公司的带有UCD网的TDC3000 横河公司带有SV-NET网的CENTUM-XL,4. 第四阶段（网络开放期）（1990年以后）管控一体化硬件：开放式的工作站，RISC (Reduced Instruction Set Computing 精简指令集)代替CISC （复杂指令集），客户机/服务器的结构；开放性、可操作性、互相联系、共享资源及运行第三方软件等已成为各制造厂家生产分布式控制系统的标准；,在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形界面，系统的软件更丰富;计算机集成制造(CIMS)系统得到了应用。第四代代表产品： Honeywell公司的TPS控制系统 横河公司的CENTUM-CS Foxboro公司的I/AS50/51控制系统 ABB公司Advant系列OCS开放控制系统,计算机集成制造系统组成框图,二、网络控制系统的基本问题,2.1 通信媒体类型及通信协议,Internet,通信协议,无线局域网,传感器网络,工业以太网,现场总线,按网络类型和媒体访问控制方式划分：,随机访问网络,CSMA协议(载波监听多路访问),CSMA/CD协议(带有冲突检测的载波监听多路访问),CSMA/AMP协议(带有信息优先级仲裁的载波监听多路访问),轮换服务访问网络,令牌总线（IEEE 802.4标准）,令牌环网（IEEE 802.5标准）,采用不同通信协议的通信网络有着不同的通信特征，网络控制系统也会具有不同的特性，如时延特性、节点驱动方式等。这些特性会影响整个控制系统性能。,2.2 节点驱动方式,驱动方式,时钟驱动（网络节点在特定的时间启动工作）,事件驱动（网络节点在特定的事件启动工作）,优点：实时性强,缺点：设备多，易出现网络诱导时延、空采样、数据丢包等现象,优点：减少等待时间，避免了空采样、数据丢包等现象,缺点：事件驱动不易实现,2.3 节点时钟同步方式,当传感器时钟驱动，控制器或执行器也为时钟驱动时，则时钟驱动的节点间必须同步。,同步方式,硬件同步（一般是通过实际介质传递同步时钟信号）,软件同步（一般是通过网络广播具有高优先级的同步时钟信号）,优点：实时性强,缺点：造价高,优点：易实现,缺点：编程复杂,2.4 多采样率,多采样率：是指控制系统中两个或两个以上的采样器以不同的采样周期进行采样。,原因：由于网络控制系统具有节点分散化、控制回路复杂化和功能多样化的特点，多个传感器采用相同的采样周期进行采样，已不能满足系统功能的需求。,多采样率,多采样率,2.5 网络诱导时延,网络诱导时延：在网络控制系统中，多个网络节点共享网络信道。由于网络带宽有限且网络中的数据流量变化不规则，当多个节点通过网络交换数据时常常出现数据碰撞，多路径传输、连接中断、网络拥塞等现象。,特点：随机的，有界的，不确定的。,2.6 单包传输和多包传输,单包传输：是在网络控制系统中，传感器或控制器等待传输的单位信息被封装成一个数据包进行传输。,多包传输：是在网络控制系统中，传感器或控制器等待传输的单位信息被封装成多个数据包进行传输。,特点：采用单包传输或多包传输，取决于网络节点的各个传感器所处的地理距离或控制网络中传输的数据包容量。,数据单包传输,数据多包传输,2.7 数据包丢失,数据包丢失的情况,过载：网络带宽有限，负载较大，数据碰撞，网络拥塞和节点失败,主动丢弃：实时控制系统中，往往是将一定时间未到的数据包主动丢弃掉，保证信号有效性。,数据包丢失,数据包丢失,2.8 网络调度,网络调度：是在网络控制系统中，系统节点在共享网络中发送数据出现碰撞时，规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔。目的：尽量避免网络中信息冲突和拥塞现象的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失，提高网络控制性能。,调度方法,静态调度（离线调度）,动态调度（实时调度）,协议，算法等,2.9 网络拥塞,网络拥塞：当网络中存在过多的数据包时，超负荷工作的网络性能就会急剧下降，这种现象称为拥塞。后果：数据包丢失率增加，端到端的数据传输时延增大，严重可使整个系统瘫痪。原因：提供给通信网络的数据负载超过网络资源的容量和处理能力。目标：就是控制网络中的分组，使其维持在一定的水平。,2.10 网络性能指标和服务质量,1、时延。时延表示网络中两个节点间传输一位数据所需要的时间。计算机在网络中所处的位置不同，时延将有所不同。,2、吞吐量。吞吐量是网络容量的度量单位，指单位时间内有多少位数据进入网络，用b/s表示,3、网络服务质量。是衡量网络所提供服务的“良好”程度的一种抽象概念。描述：吞吐量、差错率、端对端的时延、时延的可预测性和时延抖动等。,三、网络控制系统研究的问题、方法与现实状框,网络控制系统研究,源于计算机网络技术提高多媒体信息传输和远程通信服务质量（QoS）为目标，实现的是通过网络对系统的控制（Control through network）.,源于自动控制技术以满足系统稳定性及其他动态特性（QoP）为目标，实现网络对系统的控制。,评价指标：网络吞吐量、数据传输率、误码率、时延可预测性、任务可调度性,研究方案：网络QoS、网络拓扑结构、任务调度算法、网络路由、网络数据量、通信协议等,评价指标：平稳性(超调量）、快速性（调节时间）,研究方案：在现有的通信网络基础上控制性能，针对NCS的问题和特性，建立系统的连续、离散或高质量的模型混合，分析系统稳定的条件，设计控制器，保证系统的稳定性和高质量的控制性能。,研究内容：控制网络体系结构，各种数据传输技术，针对NCS的建模、稳定性分析与控制系统设计，鲁棒控制技术，观测器的设计，网络诱导延时的补偿与控制，数据包丢失的分析与控制等等,3.1 控制网络体系构架,控制网络体系构架,现场总线：应用于生产现场和开放式、数字化、多点通信的底层控制网络,工业以太网：以太网具有传输率高、低耗、易于安装和兼容性好等优势，支持流行的网络协议,无线通信网络,基于TCP/IP的嵌入式系统,现场总线与以太网和Internet的集成,在当前多种控制网络并存的各种状况下，如何扬长避短地开发和利用各种控制网络，实现各种不同控制网络以及信息网络之间的互联和兼容是目前研究的热点,3.2 网络调度方法的研究,在控制网络系统中，系统的性能不仅依赖于控制策略的设计，而且还依赖于网络资源的调度。尤其是在网络资源有限的条件下，传感器、控制器和执行器之间共享网络的时间分配是解决NCS性能的关键问题,协议，算法等,Walsh2,Tao B3,He 4,3.3 NCS建模、稳定性与控制器设计,系统模型是分析系统性能、实现计算机仿真、设计控制率的基础。建立既正确（合乎实际运行机理）又简单（便于进行理论研究）的网络控制系统模型具有重要意义。稳定性是系统控制性能的基本要求，关系到系统能否正常工作, 是系统设计中需要首先考虑的问题。,NCS的建模要考虑的要素,节点的驱动方式,控制网络的时延特性,噪声扰动,数据包丢失,3.3 NCS建模、稳定性与控制器设计,NCS的建模要考虑的要素,节点的驱动方式：时钟驱动，事件驱动,控制网络的时延特性：随机时延、恒定时延、时变时延、有界时延、周期时延、不确定时延,噪声扰动,数据包丢失,NCS的建模方法,确定方式：在时延特性难于获取或变化较快时，利用设置节点的接收缓冲区和发送缓冲区，使得随机时变时延转换为固定时延，然后用确定性方法分析和设计系统。,随机方法：在时延特性服从某一概率分布或服从某已知规律时，采用随机控制理论方法对系统进行建模、分析和设计,3.4 网络控制系统的鲁棒控制研究,在控制网络系统中，有许多不确定的因素影响着系统的控制性能，如分布规律不确定的随机时延、不确定的数据包丢失率、随机的测量噪声、过程噪声和外部未知扰动等不确定因素，研究鲁棒控制有着非常重要的意义。,随机时延,数据包丢失率,测量噪声,过程噪声,外部未知扰动,3.4 网络控制系统的鲁棒控制研究,在控制网络系统中，有许多不确定的因素影响着系统的控制性能，如分布规律不确定的随机时延、不确定的数据包丢失率、随机的测量噪声、过程噪声和外部未知扰动等不确定因素，研究鲁棒控制有着非常重要的意义。,4谢林柏等。时延网络控制系统的H2/H控制 2009，26（6）控制理论与应用：1020-1024 5 姜培刚.基于LMI方法的网络化控制系统的H鲁棒控制 2010，27（1） ：17-21,3.5 观测器设计研究,由于网络控制系统结构复杂，一般很难测量到被控对象的全部状态信息。为实现状态反馈或进行故障测量，需要设计观测器。NCS的观测器设计和基于状态观测器的控制问题一个重要的研究领域。,观测器设计,观测器设计,3.6 多包传输、数据包丢失的研究,数据包丢失,NCS通过网络传输数据时，不可避免地存在数据包丢失。因此，数据包丢失一直是学者研究的重要内容之一。研究主要有：数据包丢失模型研究6，不确定时延和数据包丢失的NCS描述成离散开关系统7。随机理论的数据包丢失模型研究8等,3.7 容错控制与故障诊断的研究,通信网络不可靠的数据传输方式所造成的网络控制系统定常性、完整性、因果性和确定性的丧失，极易导致系统结构和参数的改变。同时，网络流量的不规则、网络传输数据包的丢失、网络节点的传感器和执行器失效，诸如此类的因素将大大降低整个系统的鲁棒性，网络化带来的时延也会降低传统基于解析的故障诊断算法。因此，有必要建立重新评估和建立网络化控制的故障诊断理论,3.7 容错控制与故障诊断的研究,3.8 其他问题研究,由于NCS是集通信网络和控制系统于一体的、跨域网络通信技术和控制理论两个研究领域的复杂系统，NCS的控制性能受到多种因素的制约。考虑单一因素的NCS的研究总有一定的局限性，因此，考虑多种因素的NCS研究成果不断问世。,3.9 NCS仿真研究,控制系统的数字仿真是分析、研究和设计控制系统的一种快速而经济的辅助手段。NCS仿真的目的是揭示系统的动态规律、探索各种复杂因素对系统性能的影响、验证分析与设计方法和研究结果的有效性和可行性。 仿真环境：基于Matlab/Simulink的实时网络控制系统的仿真集成环境。,3.9 NCS仿真研究,3.9 NCS仿真研究,3.9 NCS仿真研究,网络控制系统需要研究的问题,1、NCS的反馈方式受着环境和经济因素的制约； 2、系统中的时延往往是分布的、不确定的； 3、传感器、控制器和执行器节点间利用网络传输数据时的数据丢包存在随机性； 4、系统的过程干扰、测量噪声和未知扰动在所难免； 5、实际系统的控制对象往往具有控制输入约束； 6、被控对象不仅仅限于线性/非线性正常系统，还存在广义系统（奇异系统）被控对象。,参考文献,