網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延補償與控制器設(shè)計

1、華北電力大學碩士學位論文摘要摘 要隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的集成成為控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱點，為此提出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）。本文介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的工業(yè)背景和研究現(xiàn)狀，重點介紹了網(wǎng)絡(luò)時延問題的研究進展。分析了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延產(chǎn)生原因及特性，根據(jù)采樣時間的不同和驅(qū)動方式的不同進行了建模分析。根據(jù)不同的模型分析了固定時延、隨機時延的補償控制器設(shè)計。本文重點介紹了針對不確定時延采用Fuzzy-PID控制器的設(shè)計和仿真研究。在最后，介紹了一種Matlab環(huán)境下的實時控制系統(tǒng)仿真工具箱Truetime，給出了具有時延特征的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)時延

2、，時延補償，F(xiàn)uzzy-PID控制器ABSTRACTWith the development of computer technology, some considerable attentions have been directed to the integrated control systems and network communication control system. So Network Control System（NCS） is proposed. In this thesis ，the paper introduces the engineering backgrou

3、nd and research achievements, and focuses on the progress of network delay. The causes and the characteristic of network-induced delay are analyzed. According to the different of sampling time and drive way, model is built and analyzed. Depending on the different models, the controller with the comp

4、ensation about the fixed time delay and random delay controller are designed. This paper focuses on using Fuzzy - PID controller against uncertainty delay to design and simulation testing. In conclusion，Simulink toolbox，named by Truetime，based on Matlab has been introduced in this paper. And the cha

5、racteristics of the NCS simulation results are given.Liu Jian (Control Theory and Control Engineering)Directed by prof. Ma YongguangKEY WORDS：Networked control systems, Network-induced delay, Delay compensation, Fuzzy-PID controller50 華北電力大學碩士學位論文目錄目 錄中文摘要英文摘要第一章 緒 論11.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展與基本概念11.1.1 計算機控制系統(tǒng)

6、的發(fā)展11.1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的描述31.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延研究現(xiàn)狀41.2.1 NCS的數(shù)學模型的建立41.2.2 NCS控制器設(shè)計方法51.3 本文研究的出發(fā)點與主要工作71.3.1 目的和意義71.3.2 研究內(nèi)容8第二章具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的NCS分析92.1 引言92.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣技術(shù)102.2.1 同步采樣和非同步采樣102.2.2 時間驅(qū)動方式和事件驅(qū)動方式112.2.3 多速率采樣122.3 控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延分析122.3.1 控制網(wǎng)絡(luò)132.3.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延分析162.4 小結(jié)18第三章 具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的NCS建模與控制193.1 引言193

7、.2 具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的NCS的數(shù)學建模193.3 具有固定時延的NCS的控制器設(shè)計213.4 具有隨機時延的NCS的控制器設(shè)計223.4.1 基于時延統(tǒng)計規(guī)律的隨機控制器設(shè)計233.4.2 基于時變、有界時延的隨機時延的補償243.5小結(jié)26第四章Fuzzy-PID網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計274.1引言274.2模糊控制理論基礎(chǔ)274.2.1模糊控制系統(tǒng)的組成274.2.2模糊控制器原理284.2.3模糊控制器的輸入輸出變量304.2.4模糊控制器設(shè)計的基本方法314.3帶PID的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)314.4模糊補償PID控制器設(shè)計324.5 fuzzy-PID復(fù)合控制器設(shè)計334.6小結(jié)34第五章 基于

8、matlab/simulink的NCS仿真環(huán)境研究355.1引言355.2 Truetime 工具箱結(jié)構(gòu)與功能355.2.1計算機模塊365.2.2網(wǎng)絡(luò)模塊365.3初始化375.4網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究385.5仿真說明395.5.1 PID控制器設(shè)計仿真405.5.2 Fuzzy-PID控制系統(tǒng)設(shè)計仿真425.6小結(jié)44第六章 總結(jié)與展望456.1 總結(jié)456.2 研究展望45參考文獻46致 謝49在學期間發(fā)表的學術(shù)論文和參加科研情況50華北電力大學碩士學位論文第一章 緒 論1.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展與基本概念隨著控制、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備

9、層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場，因此迫切要求工業(yè)自動化水平也提高到了一個嶄新的高度。從歷史上看，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的通訊方式是點對點的，包括早期的DCS，目前這種方式已經(jīng)越來越不能適應(yīng)某些新的需求，比如模塊化、集散分布、綜合診斷、快捷方便的維護及低成本化等。從整體上看，計算機控制系統(tǒng)己呈現(xiàn)出向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、節(jié)點智能化、分布化的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)，順應(yīng)了這一趨勢，是完全網(wǎng)絡(luò)化、分布化的控制系統(tǒng)。1.1.1 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展計算機控制系統(tǒng)發(fā)展至今先后主要經(jīng)歷了以下幾個階段：傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（

10、FCS）、以及基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)的廣泛研究。傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)一般采用一個中央控制單元（CPU）完成控制計算、信息處理等所有工作，控制器和對象之間的連接采用的是點對點的連接方式，其典型結(jié)構(gòu)如圖1-1。圖1-1 集中式控制系統(tǒng)示意圖隨著現(xiàn)場采集信息量的增加，集中式控制對中央控制單元的硬件性能要求越來越高，軟件編程也越來越復(fù)雜。因此，產(chǎn)生了集散式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）來代替集中式控制系統(tǒng)，如圖1-2所示。圖1-2 DCS示意圖DCS，又稱分布或分散控制系統(tǒng)，它以微處理機為核心，實現(xiàn)地理上和功能上的控制，同時通過高速數(shù)據(jù)通道把各個分散點的信息集中

11、起來，進行集中的監(jiān)視和操作，并實現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化。DCS的設(shè)計原則是分散控制，集中操作，分級管理，分而自治和綜合協(xié)調(diào)。對各個現(xiàn)場設(shè)備的任務(wù)由現(xiàn)場級的控制單元（PLC，單片機等）完成，總體的控制任務(wù)和操作監(jiān)視等其他任務(wù)由中央控制單元完成，從而實現(xiàn)了控制功能和管理信息的分離。雖然提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，但集散控制系統(tǒng)和集中式控制系統(tǒng)都有一些共同的缺點，就是隨著現(xiàn)場設(shè)備的增加，系統(tǒng)復(fù)雜，成本大大提高，以及系統(tǒng)的抗干擾性、靈活性不夠、擴展不方便等1。為了從根本上解決這些問題，新型的分布式控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control Systems，F(xiàn)CS）應(yīng)運而生，如圖1-3所示。

12、圖1-3 FCS示意圖目前現(xiàn)場總線的主要種類有：基金會現(xiàn)場總線FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN。與傳統(tǒng)的DCS相比，F(xiàn)CS具有如下一些技術(shù)特點2：（1）FCS是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)：把通信線路一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場中的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)了全數(shù)字化傳輸，極大地提高了信號轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，有效地避免了模擬信號在傳輸過程中存在的信號衰減、精度下降和信號干擾等問題。（2）FCS能進行現(xiàn)場設(shè)備互連：傳感器、變送器、執(zhí)行器的等設(shè)備在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中已成為由微處理機為控制核心的智能設(shè)備，可以通過一對雙

13、絞線、同軸電纜、光纖、或電源線互連，具有較強的抗干擾能力。（3）FCS具有良好的互操作性：實現(xiàn)“即插即用”，并且用戶可以對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備進行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。（4）FCS具有分散的功能塊，便于用戶組態(tài)：將功能塊分散到多臺現(xiàn)場儀表中并進行統(tǒng)一組態(tài)，有助于用戶根據(jù)需要靈活的選用各功能塊，構(gòu)成需要的控制回路，實現(xiàn)徹底的分散控制。（5）FCS具有開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以與同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)又可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，既可以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)又可以與企業(yè)外部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。（6）FCS對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性強。由上可見，控制系統(tǒng)隨著計算機的應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備的智能化、數(shù)字化發(fā)展

14、，也在不斷的提高自身對現(xiàn)場的適應(yīng)力和可靠性，使得控制系統(tǒng)更加網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化。1.1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的描述隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，越來越多的控制系統(tǒng)采用分布式控制的方式。分布式控制的形式多種多樣，很多復(fù)雜的控制系統(tǒng)例如制造業(yè)設(shè)備、運輸工具、機器人等采用串行通訊網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控計算機、控制器、現(xiàn)場傳感器及執(zhí)行器間信息和控制信號的交換通道，這種通過串行通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)閉環(huán)控制回路的控制系統(tǒng)被稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems，NCS)，有的文獻用綜合通訊和控制系統(tǒng) (Integrated Communication and ControlSystems，ICC

15、S)或者基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng) (Network-based Control Systems)來稱呼具有這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)3?！癗etwork Control Systems”最早于1998年出現(xiàn)在馬里蘭大學G.C.Walsh的論著中，但未給出明確的定義。只是用圖示說明了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，指出在該系統(tǒng)中控制器與傳感器通過串行通信形成閉環(huán)。而同濟大學的于之訓等用了“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”；重慶大學的張結(jié)斌等用了“分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”這樣的術(shù)語。清華大學的顧洪軍給出了明確的定義4：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS，Network Control Systems），又稱網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。是指

16、在各區(qū)域內(nèi)一些現(xiàn)場檢測、控制及操作設(shè)備和通信線路的集合，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使該區(qū)域內(nèi)不同地點的設(shè)備和用戶實現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作。其本質(zhì)是信息（參考輸入、對象輸出和控制輸入等）在控制系統(tǒng)各部件間（傳感器、控制器和執(zhí)行器等）通過網(wǎng)絡(luò)進行交換。NCS典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-4所示。圖1-4 NCS示意圖NCS中的網(wǎng)絡(luò)是一個廣義的范疇，包含了FCS、工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、甚至Internet，這也是與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的。視其回路中所嵌入的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分為廣義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和狹義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。一般認為通過FCS和工業(yè)以太網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是狹義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，而由通過計算機網(wǎng)

17、絡(luò)比如計算機廣域網(wǎng)、Internet等網(wǎng)絡(luò)組成的控制系統(tǒng)則被視為廣義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本文主要針對狹義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行研究和分析。1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延研究現(xiàn)狀工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于一般的計算機通信網(wǎng)絡(luò)，它傳遞信息是以引起物質(zhì)或能量的運動為最終目的，分析的對象不再是孤立的控制過程，而是整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、調(diào)度管理和魯棒性問題等。其通信網(wǎng)絡(luò)特別強調(diào)實時性、可靠性、穩(wěn)定性5。實時性向來是控制系統(tǒng)面臨的重要問題，由于連接到通訊介質(zhì)上的每個設(shè)備都是一個信息源，而通訊介質(zhì)是分時復(fù)用的，待發(fā)送信息只有等到網(wǎng)絡(luò)空閑時才能被發(fā)送出去，這就不可避免地導(dǎo)致了傳輸延遲的發(fā)生。而閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的，

18、相應(yīng)地就把延遲環(huán)節(jié)引入到這些系統(tǒng)。不但會降低系統(tǒng)的控制性能，而且還是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的一個潛在因素6。因此，在研究NCS存在的許多新問題時，如：網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的時延、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、數(shù)據(jù)包的多包傳輸及丟失等，主要還是集中在對NCS的時延補償這個熱點問題上。1.2.1 NCS的數(shù)學模型的建立目前，NCS的建模是NCS分析、仿真和設(shè)計的基礎(chǔ)，因此NCS的建模問題在NCS的研究中具有重要意義雖然NCS的概念早已被提出并取得了一系列成果，但其建模問題依然沒有很好地解決。以下為幾種有條件的模型建立：針對NCS的建模問題，Halevi和Ray考慮了傳感器-控制器和控制器-執(zhí)行器單時延的情況，而且在傳感器和控制器的采樣時

19、刻之間只有一個時間差。他們用增廣狀態(tài)把過去的延遲信號也包括進來，導(dǎo)出一個閉環(huán)模型78。Lian FengLi推導(dǎo)出一個離散的多輸入多輸出NCS模型，在該模型中，有分布式通信延遲。此外，為了得到傳感器和控制器之間真實的時間延遲，還表征了分布式傳感器的異步采樣機制。但是，在該模型中，所有的延遲都是定界在一個采樣周期之內(nèi)的，而且并沒有考慮數(shù)據(jù)丟失的情況9。朱其新、胡壽松在考慮系統(tǒng)噪聲、控制器的動態(tài)特性及輸出反饋的情況下建立了多包傳輸、單保傳輸有數(shù)據(jù)包丟失、多包傳輸有數(shù)據(jù)包丟失時NCS的離散隨機模型的統(tǒng)一建模方法10。樊衛(wèi)華等討論了同時存在傳輸延時和數(shù)據(jù)包丟失的NCS建模問題，并借助ADS的一些結(jié)論，

20、討論了NCS的穩(wěn)定性，給出具有典型雙線形矩陣不等式的結(jié)論，但是他們既沒有考慮控制器-執(zhí)行器之間的延遲，也沒有考慮不同的節(jié)點的分布式異步多時延情況11。以往的建模方法都有一個共同的局限性，即基本上都針對網(wǎng)絡(luò)時延不超過一個采樣周期的情況來研究的。近年來人們開始逐步涉及時延大于一個采樣周期時NCS的建模并取得一定的成果。從目前研究情況看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模逐漸從單變量到多變量，從確定性到不確定性發(fā)展，但是這只是一個開端。1.2.2 NCS控制器設(shè)計方法現(xiàn)階段根據(jù)以上不同的模型，分析和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制器逐漸由單變量到多變量、由確定到隨機、由經(jīng)典控制理論到智能控制理論和高級控制算法發(fā)展。目前所采用的網(wǎng)絡(luò)控制

21、系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法主要有：確定性控制設(shè)計方法、隨機控制設(shè)計方法、智能控制方法、魯棒控制設(shè)計方法。1.2.2.1確定性控制設(shè)計方法應(yīng)用確定性設(shè)計方法應(yīng)首先將隨機時變延遲通過在控制器和執(zhí)行器之間設(shè)置緩沖區(qū)轉(zhuǎn)化為固定延遲，然后針對轉(zhuǎn)化后的固定延遲設(shè)計控制器。Rogelio針對模型(時間驅(qū)動)提出了基于觀測器的分布延遲補償器12。在該補償器算法中，首先在控制器和執(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)，將時變的傳輸延遲轉(zhuǎn)化為固定的傳輸延遲。其優(yōu)點是可用已有的確定性系統(tǒng)設(shè)計和分析方法對閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行設(shè)計和分析，不受延遲特性變化的影響；其缺點是將所有延遲都轉(zhuǎn)化為最大延遲，人為地將傳輸延遲擴大化，因此降低了系統(tǒng)應(yīng)

22、有的控制性能。對于具有隨機傳輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，若按最大傳輸延遲來設(shè)計控制器，則所得閉環(huán)控制系統(tǒng)不一定穩(wěn)定。熊遠生，俞立，徐建明將時間延遲的不確定性通過引入一個信息接收緩沖區(qū)來實現(xiàn)時間延遲的確定化的基礎(chǔ)上，將滑模變結(jié)構(gòu)控制和預(yù)估控制的方法引入控制器的設(shè)計中，得出的結(jié)果的時間延遲可以大于一個采樣周期1314。1.2.2.2隨機控制設(shè)計方法應(yīng)用隨機控制的方法關(guān)鍵在于對網(wǎng)絡(luò)延時的合理建模和估計，可假設(shè)時延符合某種統(tǒng)計規(guī)律并且是相互獨立的，從概率分布的角度將網(wǎng)絡(luò)延時作為系統(tǒng)中的隨機變量或隨機過程，設(shè)計隨機最優(yōu)控制律。Ray對隨機時變分布延遲下的輸出反饋時延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行研究，基于最小方差濾波器和動態(tài)規(guī)

23、劃原理，得到了具有隨機延遲補償?shù)腖QR控制器(DCLQR)，但不滿足確定性等價原理15。于之訓對控制器是事件驅(qū)動的，在第k步傳感器到控制器之間延遲未知的情況下，基于動態(tài)規(guī)劃和最優(yōu)控制理論，得出了使系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定的控制律16。針對控制網(wǎng)絡(luò)中的隨機傳輸延遲，提出控制器節(jié)點采用事件驅(qū)動的方式，同時在傳感器和控制器節(jié)點發(fā)送端設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)，以確保信息按產(chǎn)生的時間先后依次到達接收端，采用這種控制模式，利用傳輸延遲的Markov特性，得到了具有多步隨機傳輸延遲的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。并得到了滿足給定二次型性能指標的最優(yōu)控制律的解析表達式，成功地解決了原來事件驅(qū)動模式下對這類網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無法獲取其解析隨

24、機控制律的難題17。Nillson假設(shè)時延的概率分布已知，不超過一個采樣周期，傳感器采用事件驅(qū)動，控制器和執(zhí)行器采用事件驅(qū)動。并利用Markov鏈對時延的概率分布進行了建模，給出了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的LQG隨機最優(yōu)控制律，該控制律滿足確定性等價原理18。Wei Zhen針對網(wǎng)絡(luò)時延分布未知的情況，改進了Nilsson的LQG控制律，提出時延在線估計方法平均時延窗口(ADW，Average Delays Window)方法。該方法無需網(wǎng)絡(luò)時鐘同步和延時補償，即可獲得延時信息。并在10kbit/s的CAN總線上進行了實驗研究19。Wei Zhang針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中普遍存在的通訊延遲問題，對于控制器是時

25、間驅(qū)動的，利用在控制器和執(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)的方法，提出了一種延遲補償器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可同時實現(xiàn)對噪聲的濾波處理20。Lian FengLi針對MIMO網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行了時延分析和建模，并設(shè)計了最優(yōu)控制器8。1.2.2.3智能控制設(shè)計方法確定性控制方法和隨機性控制方法都是基于時延和被控對象的精確數(shù)學模型之上的，而在實際的NCS中往往存在著諸多的不確定性，而智能控制對解決變化的問題和情況具有較好的適應(yīng)能力，因此目前多采用智能控制策略來解決時延不確定和時延補償問題，以提高系統(tǒng)的魯棒性。Kyung Chang針對基于ProfibusDP的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，在考慮傳輸遲延的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于遺傳算法(

26、Genetic Algorithm)對PID參數(shù)進行整定的控制器，并對馬達的控制進行了實驗研究21。Suk Lee利用模糊(Fuzzy)控制魯棒性較好的特性，設(shè)計了基于模糊邏輯的控制器，并與傳統(tǒng)的PID控制器和時延補償PID控制器進行了比較，說明了模糊控制的效果優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法22。Almutairi研究了基于IP網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，利用對網(wǎng)絡(luò)延時的補償來提高系統(tǒng)的性能。首先利用Fuzzy理論設(shè)計了模糊補償器，直接對PI控制器的參數(shù)進行整定，并給出了離線和在線的整定算法。進一步又考慮對模糊規(guī)則參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，并對馬達進行了仿真實驗23。任長清對基于互聯(lián)網(wǎng)的液壓遠程控制進行了研究，為了解決不確定性

27、變化的網(wǎng)絡(luò)延時對系統(tǒng)性能的影響，在系統(tǒng)中設(shè)計了補償器結(jié)構(gòu)解決網(wǎng)絡(luò)延時問題，同時采用延時預(yù)測算法解決網(wǎng)絡(luò)延時不確定性變化的問題，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性24。王曉峰研究了基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠程伺服控制系統(tǒng)，提出的動態(tài)模糊控制器可按網(wǎng)絡(luò)中不斷變化的傳輸延時，根據(jù)最佳參數(shù)庫不斷調(diào)整其控制參數(shù)，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定并使輸出達到一定的性能指標要求25。近兩年在已有成果上學者們繼續(xù)研究應(yīng)用遺傳算法26、模糊控制27、預(yù)測控制28對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延控制設(shè)計。1.2.2.4魯棒控制設(shè)計方法魯棒控制理論是針對實際工程中模型不確定性發(fā)展起來的，因此對于此類問題可以直接應(yīng)用魯棒控制器的設(shè)計方法來解決。采

28、用該方法的關(guān)鍵是要將時延環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的一個不確定塊，同時可以考慮被控對象本身的不確定性，然后針對轉(zhuǎn)化后的系統(tǒng)設(shè)計魯棒控制器29。這樣設(shè)計出的控制器能同時保證NCS的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能指標，該性能指標是確定性的性能指標，而不是概率意義上的性能指標。由于NCS實際為采樣控制系統(tǒng)，所以其等價模型為離散形式的，要使用采樣系統(tǒng)魯棒控制器的設(shè)計理論。當然，在系統(tǒng)的采樣時間遠小于系統(tǒng)的時間常數(shù)的情況下，可以近似地將整個采樣系統(tǒng)看作是一個準連續(xù)系統(tǒng)，這樣做得出的結(jié)果可能比較保守。1.3 本文研究的出發(fā)點與主要工作1.3.1 目的和意義目前，NCS中控制理論的研究大大落后于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實際應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

29、的出現(xiàn)發(fā)展推廣應(yīng)用給控制理論提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，針對控制理論的研究首次表現(xiàn)出滯后于控制系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀，網(wǎng)絡(luò)控制理論的研究刻不容緩。1.3.2 研究內(nèi)容本文主要圍繞網(wǎng)絡(luò)性能的研究、網(wǎng)絡(luò)引起時延的補償、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真和實驗，進行了以下幾方面的研究工作。（1）在介紹網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生背景、概念的基礎(chǔ)上，著重介紹網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的幾個主要問題及近年來的研究進展。（2）研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，不同的驅(qū)動方式對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。在網(wǎng)絡(luò)時延分析的基礎(chǔ)上，對事件驅(qū)動和時間驅(qū)動這兩類網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能進行了理論和仿真分析。（3）提出了一種基于模糊控制的時延補償策略。（4）介紹truetime工具箱，并

30、利用其進行仿真實驗。第二章具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的NCS分析2.1 引言網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是指在通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各種現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、控制器、變送器以及執(zhí)行機構(gòu)等連接在一起，互相聯(lián)系、互相作用，共同構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體，協(xié)同完成控制功能。由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中傳感器、控制器、執(zhí)行器都通過共同的通信介質(zhì)相連，各設(shè)備間可以實現(xiàn)點對點的信息傳遞，但是，通信網(wǎng)絡(luò)是分時復(fù)用的，在同一時刻，只能有一個設(shè)備能夠發(fā)送信息。待發(fā)送信息只有等到網(wǎng)絡(luò)空閑時才能發(fā)送出去?，F(xiàn)實中控制網(wǎng)絡(luò)的帶寬和承載能力有限，同時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中設(shè)備較多，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送的信息量很大，因此，信息的沖撞、重發(fā)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，使信息在傳輸過程中不可避免地存在時

31、延。從閉環(huán)控制的角度看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、被控對象、傳感器是通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)閉環(huán)的，因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以表示為圖2-1。圖2-1 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中，表示控制器到執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)時延，表示傳感器到控制器的網(wǎng)絡(luò)時延。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，被控對象一般都是現(xiàn)實中的物理對象，它的輸入和輸出都是模擬量，可以用連續(xù)時間狀態(tài)方程或傳遞函數(shù)來描述，而控制器算法一般由計算機程序來實現(xiàn)，可以用離散時間狀態(tài)方程或脈沖傳遞函數(shù)來描述。考慮到傳感器節(jié)點將被控對象的模擬量輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而執(zhí)行器節(jié)點卻將通信網(wǎng)絡(luò)傳輸來的控制器數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可表示為圖2-2。圖2-

32、2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從圖2-2可以看出，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個計算機采樣控制系統(tǒng)30，由于前向通道和反饋通道中都有和網(wǎng)絡(luò)延遲有關(guān)的純滯后環(huán)節(jié)，因此控制系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計都是非常困難的。2.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)本質(zhì)是一個具有純滯后環(huán)節(jié)的計算機采樣控制系統(tǒng)，因此，計算機采樣控制系統(tǒng)中的采樣技術(shù)都可用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。2.2.1 同步采樣和非同步采樣2.2.1.1 同步采樣（Synchronous Sampling Mechanisms）同步采樣就是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的所有采樣開關(guān)都等周期同時開閉。圖2-3是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中傳感器節(jié)點、控制器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點都采用同步采樣工作方式的采樣

33、開關(guān)動作時序圖。圖2-3 同步采樣工作方式下采樣開關(guān)動作時序圖2.2.1.2 非同步采樣（Asynchronous Sampling Mechanisms）非同步采樣就是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中所有采樣開關(guān)等周期但不同時閉合。圖2-4是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中r個傳感器節(jié)點采用非同步采樣工作方式，而控制器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點采用同步采樣工作方式的采樣開關(guān)動作時序圖。圖2-4 r個傳感器節(jié)點采用非同步采樣的采樣開關(guān)動作時序圖2.2.2 時間驅(qū)動方式和事件驅(qū)動方式下面以控制器節(jié)點為例說明時間驅(qū)動工作方式和事件驅(qū)動工作方式。2.2.2.1 時間驅(qū)動方式時間驅(qū)動(Time-driven)工作方式，是指控制器節(jié)點在采樣時鐘的作

34、用下定時采樣傳感器測量信號，根據(jù)相應(yīng)的控制器算法計算控制量，然后通過控制網(wǎng)絡(luò)將控制量傳送給相應(yīng)的執(zhí)行器。圖2-5是時間驅(qū)動方式下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息傳輸時序圖。圖2-5 控制器節(jié)點在時間驅(qū)動方式下NCS中信息傳輸時序圖時間驅(qū)動方式下，控制器節(jié)點會出現(xiàn)信息丟棄(Message Rejection)和空采樣(Vacant Sampling)。由于傳感器節(jié)點到控制器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)時延是時變的，控制器有可能使用前一個或者前幾個采樣周期的傳感器測量數(shù)據(jù)。控制器工作在時間驅(qū)動方式下，只在固定的時間間隔上執(zhí)行控制程序，計算控制量，因此當一個采樣周期內(nèi)有兩個或者多個傳感器測量數(shù)據(jù)到達控制器節(jié)點時，只有最近采樣的傳感

35、器數(shù)據(jù)被控制器接受，用于計算控制量，這種現(xiàn)象稱為信息丟棄。圖2-5中，控制器在第k+2采樣周期發(fā)生信息丟棄，控制器采用第k+1周期傳感器的測量數(shù)據(jù)計算控制量，而第k周期的傳感器數(shù)據(jù)卻被丟棄。另一方面，當控制器節(jié)點在一個采樣周期內(nèi)沒有得到新的傳感器數(shù)據(jù)，只能使用過去的傳感器數(shù)據(jù)計算控制量，這種現(xiàn)象稱為空采樣。圖2-5中，控制器節(jié)點在第k采樣周期發(fā)生空采樣，仍然利用第k+2周期傳感器數(shù)據(jù)計算控制量，也就是說，第k采樣周期控制器計算出來的控制量與第k+1周期相同。2.2.2.2 事件驅(qū)動方式事件驅(qū)動(Event-driven)方式是指傳感器的測量信號經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)到達控制器，控制器立即根據(jù)此最新的數(shù)據(jù)計

36、算控制量，然后傳送給執(zhí)行器。也就是說“傳感器測量值到達”這一事件觸發(fā)控制器執(zhí)行相應(yīng)的控制程序計算相應(yīng)的控制量，事件驅(qū)動方式由此得名。圖2-6是事件驅(qū)動方式下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息傳輸時序圖。圖2-6 控制器節(jié)點在事件驅(qū)動方式下NCS中信息傳輸時序圖由圖2-6可以看出，是控制器啟動控制程序計算控制量時刻。2.2.3 多速率采樣多速率采樣就是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中傳感器節(jié)點、控制器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點以不同周期采樣輸入信號。圖2-7表示了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的多速率采樣。由圖2-7可以看出，傳感器節(jié)點和控制器節(jié)點采用時間驅(qū)動工作方式，而執(zhí)行器節(jié)點采用事件驅(qū)動工作方式，并且傳感器節(jié)點的采樣周期與控制器節(jié)點的采樣周期之間滿

37、足。控制器在第k+1采樣周期采用傳感器在周期采樣的數(shù)據(jù)計算控制量而將周期傳感器數(shù)據(jù)丟棄。圖2-7 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的多速率采樣2.3 控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延分析控制網(wǎng)絡(luò)不同于一般的計算機網(wǎng)絡(luò)，由于它本身的結(jié)構(gòu)特點與工業(yè)生產(chǎn)對其要求的不同，決定了時延產(chǎn)生的機理不同。因此，還需研究控制網(wǎng)絡(luò)的特點。2.3.1 控制網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)源于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與一般的信息網(wǎng)絡(luò)有很多共同點，但又有不同之處和獨特的地方。由于工業(yè)控制系統(tǒng)特別強調(diào)可靠性和實時性，所以，應(yīng)用于測量與控制的數(shù)據(jù)通信不同于一般電信網(wǎng)的通信，也不同于信息技術(shù)中一般計算機網(wǎng)絡(luò)的通信?？刂凭W(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的具體不同如下31：（1）控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)

38、據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應(yīng)的實時性是控制系統(tǒng)最基本的要求。一般來說，過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求為0.010.5s，制造自動化系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求為0.52.0s，信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間要求為2.06.0s。在信息網(wǎng)絡(luò)的大部分使用中實時性是可以忽略的。（2）控制網(wǎng)絡(luò)強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有在高溫、潮濕、振動、腐蝕，特別是電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長時間、連續(xù)、可靠、完整的傳送數(shù)據(jù)的能力，并能抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和劍鋒干擾。在可燃和易爆場合，控制網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有本質(zhì)安全性能。（3）在企業(yè)自動化系統(tǒng)中，由于分散的單一用戶可借助控制網(wǎng)絡(luò)進入某個系統(tǒng)，通信方式多使用廣播或組播方式；在信息

39、網(wǎng)絡(luò)中某個自助系統(tǒng)與另一個自助系統(tǒng)一般都建立一對一通信方式。（4）控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中相互兼容，即互操作性問題。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代制造系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三個層次，即信息管理層、過程監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層32，如圖2-8所示。圖2-8 現(xiàn)代制造系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（1）信息管理層網(wǎng)絡(luò)：主要用于企業(yè)的計劃、銷售、生產(chǎn)、庫存以及企業(yè)經(jīng)營等方面信息的傳輸，在信息管理層上傳輸?shù)男畔⒁话愣际欠菍崟r性的，并且數(shù)據(jù)包較大，信息傳輸頻率較低。數(shù)據(jù)通信的發(fā)起是隨機的、無規(guī)則的，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此要求網(wǎng)絡(luò)必須具有較大的帶寬在。信息管理層網(wǎng)絡(luò)主要由以太網(wǎng)組成。

40、（2）過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)：主要用于將采集到的現(xiàn)場信息置入實時數(shù)據(jù)庫，進行先進控制和優(yōu)化計算，以及傳輸更新現(xiàn)場設(shè)備的工作配置信息或命令。過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒕哂兄芷谛?、實時性特點。過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膶崟r信息出現(xiàn)較大延時或丟失時就會導(dǎo)致多個設(shè)備不能協(xié)調(diào)工作。一般由令牌網(wǎng)和以太網(wǎng)組成。（3）現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)：主要用于控制系統(tǒng)中大量現(xiàn)場設(shè)備之間的測量與控制信息以及其它一些信息(例如狀態(tài)信息、故障信息等)的傳輸。傳感器、控制器和執(zhí)行器通過現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)相連。傳輸?shù)男畔⒕哂兄芷谛院蛯崟r性，數(shù)據(jù)的長度較小但傳輸?shù)念l率較高。對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓?，但通信響?yīng)的實時性和確定性要求較高?，F(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)上傳

41、輸?shù)男畔⑷绻霈F(xiàn)延時或丟失現(xiàn)象就會降低控制系統(tǒng)的性能甚至使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定?，F(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)一般由現(xiàn)場總線例如CAN總線組成。這三層網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋相連，由于在它們上面?zhèn)鬏數(shù)男畔⒕哂胁煌奶卣?，因此這三層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該獨立組成。在總線或環(huán)形拓撲中，網(wǎng)上設(shè)備共享傳輸線路。為了解決同一時間有幾個設(shè)備爭用傳輸介質(zhì)的問題，需要某種介質(zhì)訪問控制方式，以便協(xié)調(diào)各設(shè)備訪問介質(zhì)的順序，在設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。媒體訪問控制層(Medium Access Control-MAC)負責對媒體的訪問以及通信的可靠性和通信質(zhì)量，因此對信息的傳輸時間有很大的影響。由此可見，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時延受到網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)當時的

42、負載情況、網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和數(shù)據(jù)包的大小等因素的影響。下面從媒體訪問控制方式的角度比較以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和CAN總線三種控制網(wǎng)絡(luò)。2.3.1.1 以太網(wǎng)（Ethernet）以太網(wǎng)33采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Detection-CSMA/CD)的介質(zhì)訪問控制方式。其基本工作原理是：當某節(jié)點要發(fā)送報文時，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑時為止，否則將立即發(fā)送；如果兩個或更多個節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時發(fā)送報文時，它們發(fā)送的報文將發(fā)生沖突，因此每個節(jié)點在發(fā)送時，還必須監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。當檢測到兩個或多個報文發(fā)生碰撞

43、時，節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機長度的時間后重新發(fā)送。該隨機時間由標準二進制指數(shù)補償算法確定。重發(fā)的時間在之間的時間片中隨機選擇（此處代表被節(jié)點檢測到的第次碰撞事件），一個時間片尾重發(fā)循環(huán)所需的最小時間。但是，在10次碰撞發(fā)生后，該間距將被凍結(jié)在最大時間片（即1023）上，16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點微處理器報告失敗信息。有3種CSMA堅持退避算法：（1）不堅持CSMA：假如介質(zhì)是空閑的，則發(fā)送；假如介質(zhì)是忙的，則等待一段隨機時間，重復(fù)第一步。（2）為1堅持CSMA：即如介質(zhì)是空閑的，則發(fā)送；假如介質(zhì)是忙的，則繼續(xù)偵聽，直到介質(zhì)空閑，立即發(fā)送；假如沖突發(fā)生，則等待一段隨機時間，重

44、復(fù)第一步。（3）為P堅持CSMA：假如介質(zhì)空閑，則以P的概率發(fā)送，或以1-P的概率隨機延遲一個時間單位后再聽，這個時間單位等于最大的傳播延遲；假如介質(zhì)是忙的，則繼續(xù)監(jiān)聽知道介質(zhì)空閑，重復(fù)第一步?？梢姡珻SMA/CD是一種隨機性通信協(xié)議，通信延時是隨機的，并且可能無界。但是，在網(wǎng)絡(luò)負載較低時，幾乎沒有網(wǎng)絡(luò)傳輸延時。網(wǎng)絡(luò)負荷較高時，以太網(wǎng)上存在的這種碰撞成了主要問題，因為它極大的影響了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時，并導(dǎo)致以太網(wǎng)實際性能的下降。由于一系列碰撞后，報文可能丟失，因此，節(jié)點與節(jié)點之間的通信將無法得到保障。就是說，以太網(wǎng)的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問機制導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時和通信響應(yīng)的“不確定

45、性”34。2.3.1.2 控制網(wǎng)（controlnet）控制網(wǎng)35采用令牌傳遞總線(Token-passing Bus)的介質(zhì)訪問控制方式。此方式采用總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點按一定的順序形成一個邏輯環(huán)，每個節(jié)點在環(huán)中均有一個指定的邏輯位置，末站的后站就是首站，即首尾相連?？偩€上各站的物理位置跟邏輯位置無關(guān)。令牌總線采用稱為令牌的控制幀來調(diào)整對總線的訪問控制權(quán)。收到令牌的節(jié)點在一段規(guī)定的時間內(nèi)被授予對介質(zhì)的控制權(quán)，因而該節(jié)點可以發(fā)送一幀或者多幀信息。當該節(jié)點的傳輸已經(jīng)完成或者規(guī)定的時間已經(jīng)用完時，它將令牌傳遞給邏輯環(huán)中的下一個節(jié)點。由于只有收到令牌的節(jié)點才能將信息幀發(fā)送到總線上，因此令牌傳

46、遞總線訪問方式不可能產(chǎn)生碰撞。假如取得令牌的節(jié)點有報文要發(fā)送，則發(fā)送報文，隨后將令牌送至下一個節(jié)點；否則，若取得令牌的節(jié)點沒有報文要發(fā)送，則立即將令牌送到下一個節(jié)點。由于節(jié)點接收到令牌的過程是順序依次進行的，因此對所有節(jié)點都有公平的訪問權(quán)。最壞的情況下，一個節(jié)點等待取得令牌和發(fā)送報文的時間等于全部節(jié)點令牌傳送時間和報文發(fā)送時間的總和。如果只有一個站點有報文要發(fā)送，則等待時間只是全部令牌傳遞時間的總和，而平均等待時間是它的一半，實際等待時間應(yīng)在這個區(qū)間范圍內(nèi)。令牌傳遞總線訪問方式是一種確定性協(xié)議，可以估算出最大的通信延時，網(wǎng)上每一個節(jié)點都知道信息的來去方向，保證了較高的信息傳輸?shù)拇_定性，并且對網(wǎng)

47、絡(luò)負載的輕重不敏感。但是在負載較輕時，有很多時間浪費在令牌的傳遞上。2.3.1.3 CAN總線（CAN BUS）CAN(Controller Area Network)36即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，最初是為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的，現(xiàn)在已經(jīng)在過程工業(yè)、機械工業(yè)、機器人等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。CAN總線采用載波監(jiān)聽多路訪問/避免碰撞(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance-CSMA/CA)的介質(zhì)訪問控制方式，又稱為非破壞仲裁的CSMA/CD (CSMA/CD with Non-destructive Arbitration-CSMA/NDA)。實

48、質(zhì)上CAN總線采用CSMA/CD協(xié)議并引用非破壞性仲裁機制解決媒體共享問題。CAN總線上的節(jié)點沒有地址，而節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級的編碼被放置在報文的標志字段中。網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。要傳送信息的節(jié)點首先監(jiān)聽總線，如果總線空閑，該節(jié)點就開始發(fā)送信息。如果同時有兩個或者多個節(jié)點發(fā)送信息，就會發(fā)生碰撞。它是采用非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)傳輸信息。這樣大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負載很重地情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。CAN總線上的每個信息都有唯一的標識符，

49、信息幀的發(fā)送是以發(fā)送標識符的高位開始的，當兩個節(jié)點在同一時刻向總線上發(fā)送信息時，它們首先將信息幀從標識符高位開始逐位向總線上發(fā)送，然后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如果其中的一個節(jié)點監(jiān)聽到位數(shù)據(jù)和它發(fā)送出去的位數(shù)據(jù)不相同，它就不再往網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息。另一個節(jié)點贏得仲裁，繼續(xù)發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點是否接收此信息完全取決于其對標識符濾波的設(shè)置情況。CAN總線是面向信息的協(xié)議，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有錯誤檢測和處理功能，保證了信息傳輸出錯率極低。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的信息最大通信延時是可以估算的。這些特點使其適合于工業(yè)實時應(yīng)用場合?？梢酝ㄟ^表2-1對三

50、種控制網(wǎng)絡(luò)作簡單的比較概括：網(wǎng)絡(luò)類型EthernetCAN BusControl Net訪問方式隨機隨機令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CSMA/CDCSMA/CATP數(shù)據(jù)包大小72-1500最大為87-504時延類型隨機、無界隨機、有界確定、周期有界表2-1幾種典型網(wǎng)絡(luò)的延時特性2.3.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延分析上一小節(jié)對以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和CAN總線三種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)進行了詳細的分析，指出它們的特點以及網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的特性，本小節(jié)將討論網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時延的組成，并討論影響時延的一些因素。從圖2-1可知，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在著兩種網(wǎng)絡(luò)時延，它們是傳感器到控制器的網(wǎng)絡(luò)延遲和控制器到執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)延遲。另外，控制器中控制

51、程序根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳送來的傳感器測量數(shù)據(jù)進行計算，得到控制量，這一過程所花費的時間稱為控制器的處理時間。同樣地，傳感器采樣實時信號以及執(zhí)行器對控制信息的響應(yīng)都需要時間，分別稱之為傳感器處理時間和執(zhí)行器的處理時間。因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，時延可以分為網(wǎng)絡(luò)時延和節(jié)點處理時延兩類。下面將從這兩方面詳細分析時延的組成。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，源節(jié)點得到某一信息并將之通過控制網(wǎng)絡(luò)傳送到目標節(jié)點進行處理所經(jīng)歷的所有時間可以分為產(chǎn)生時延、排隊時延、傳輸時延和傳遞時延。圖2-9是網(wǎng)絡(luò)通訊模型37。產(chǎn)生時延就是源節(jié)點根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求得到某一格式的信息所用的時間。例如傳感器節(jié)點采樣物理信號，將之轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且按總線數(shù)據(jù)鏈

52、路層協(xié)議進行編碼所需的時間就是傳感器節(jié)點的產(chǎn)生時延。產(chǎn)生時延和源節(jié)點的任務(wù)數(shù)、任務(wù)的優(yōu)先級及其處理時間有關(guān)。一般情況下，認為任務(wù)的處理時間是個常數(shù)或者忽略不計，這要視具體任務(wù)而定。圖2-9 CAN總線的通訊模型排隊時延就是信息在源節(jié)點隊列里等待直到其得到總線的使用權(quán)所需的時間。排隊時延和源節(jié)點要傳送的信息數(shù)、網(wǎng)絡(luò)負載、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與調(diào)度方法有關(guān)。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是影響排隊時延的主要因素，因此在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，應(yīng)選擇合適的通訊網(wǎng)絡(luò)，使排隊時延不致太大而影響系統(tǒng)性能。傳輸時延是網(wǎng)絡(luò)傳輸信息所用的時間。它和控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀大小、節(jié)點距離、媒體電氣特性以及網(wǎng)速有關(guān)。傳遞時延就是目標節(jié)點接收到源節(jié)點送來的信息到

53、目標節(jié)點處理此信息所需的時間，例如控制器節(jié)點緩沖區(qū)接收到傳感器節(jié)點送來的測量數(shù)據(jù)到控制器節(jié)點處理此數(shù)據(jù)所需的時間就是傳遞時延。它是將節(jié)點收到的信息傳遞給下一個任務(wù)所必需的等待時間。傳遞時延和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣技術(shù)和緩沖區(qū)的大小等因素有關(guān)。因此，所有有系統(tǒng)的總時延為。從上述分析可以看出，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時延與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負載、信息優(yōu)先級、信息長度、網(wǎng)絡(luò)速率、節(jié)點間距離、采樣技術(shù)和信息調(diào)度算法等諸多因素有關(guān)。在實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮各種因素，使時延符合系統(tǒng)要求。2.4 小結(jié)由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是在計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的控制系統(tǒng)，而計算機對信號的采樣技術(shù)將直接影響后面對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延的建模和補償

54、問題，因此，首先介紹了三種不同的采樣方式和驅(qū)動方式。介于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種控制網(wǎng)絡(luò)，它不同于一般的通信網(wǎng)絡(luò)，從兩者的區(qū)別出發(fā)，分析了三種典型的控制網(wǎng)絡(luò)，并從媒體訪問控制方式的不同，分析了其時延產(chǎn)生的原因和所產(chǎn)生的時延所具有的特性。通過比較以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和CAN總線可以看出，每一種控制網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制層(MAC)采用的協(xié)議都對網(wǎng)絡(luò)延時具有很大的影響，使網(wǎng)絡(luò)延時呈現(xiàn)出或確定(CAN總線和控制網(wǎng))或隨機(以太網(wǎng))，或有界(CAN總線和控制網(wǎng))或無界(以太網(wǎng))的特征。第三章 具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的NCS建模與控制3.1 引言上一章分析和研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延產(chǎn)生的原因及特性，本章將利用模型建立來研究網(wǎng)絡(luò)時

55、延的補償問題。3.2 具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的NCS的數(shù)學建模具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的NCS結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示，被控對象為連續(xù)時間對象，而控制器為離散控制器，控制器輸出通過執(zhí)行器施加到被控對象上。圖3-1 具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延NCS結(jié)構(gòu)圖設(shè)NCS中被控對象的連續(xù)狀態(tài)方程為：根據(jù)第二章對時延產(chǎn)生的分析，針對節(jié)點不同的工作方式，可以得到不同的系統(tǒng)離散時間模型。為了對NCS進行建模，首先對系統(tǒng)作如下假設(shè)：（1）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h；（2）控制器節(jié)點和執(zhí)行起節(jié)點均采用時間驅(qū)動方式；（3）控制器節(jié)點采用時間驅(qū)動方式而執(zhí)行器采用事件驅(qū)動方式；（4）控制器節(jié)點采用時間

56、驅(qū)動方式而執(zhí)行器采用時間驅(qū)動方式；（5）控制器和執(zhí)行器節(jié)點均采用事件驅(qū)動方式；（6）整個控制回路總的時延，且為固定或隨機的；（7）整個控制回路總的時延，且為固定或隨機的?；谝陨霞僭O(shè)的不同組合，我們可以得到NCS的不同數(shù)學模型。例如：基于假設(shè)（1）、（5）、（6）的NCS的各節(jié)點的時序圖為：圖3-2 NCS中控制器和執(zhí)行器均采用事件驅(qū)動方式的時序圖由此假設(shè)可得離散時間模型為38： （3-1）其中，?；诩僭O(shè)（1）、（5）、（7）的NCS的各節(jié)點的時序圖如圖3-3所示。圖3-3 NCS中控制器和執(zhí)行器均采用事件驅(qū)動方式時序圖對于假設(shè)（7），為了避免出現(xiàn)k時刻發(fā)出的信息比k+1時刻發(fā)出的后到的情況，可采用在傳感器和控制器段設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)的方法，這樣可以保證信息按照時間先后順序到達。由圖3-3可知，在執(zhí)行器為時間驅(qū)動的情況下，在一個采樣周期kh,(k+1)h)內(nèi)加到被控對象的控制量分段連續(xù)且最多有個不同值，假設(shè)在采樣周期kh,(k+1)h)內(nèi)各控制信號到達執(zhí)行器端的時間序列為，則可得離散模型為39： （3-2）其中，。以上介紹的兩種模型是NCS的常見的建模形式。此外，還可以基于七種假設(shè)的不同組合可以得到其他的數(shù)學模型?？?/p>