一、文 献 综 述 （一）网络控制系统的概念 自从1969年世界上第一个网络APPANET网络建立以来的几十年期间，,网络逐渐成为世界上信息资源最丰富的地方,网络为个人、家庭、社会、学校等机构和个人提供了各种各样的服务,如网络聊天、网上购物、文件传输、网页服务等。21世纪更是被称为信息技术时代,随着计算机网络在社会生活各方面的广泛应用,人们的生活和工作方式正悄悄的发生着变化, 网络使全球真正进入了信息化时代,现代计算机信息处理与新一代通信技术的结合将会成为人类第五次信息技术革命的开端。随着计算机信息技术的发展,自动化控制系统也越来越深入地依赖于网络,一方面现代工厂控制系统的大多数是现场传感器、控制器、执行器越来越多的分布在不同的地方,这就导致需要通过网络进行信息的传输;另一方面现代网络通信与管理也更加依赖控制理论与策略。这就催生并推动了网络控制系统的产生与发展。NCS不仅给工业控制系统引入了一种新的控制方式,同时也推动了控制理论的新发展。 NCS又称为网络化控制系统、基于网络的控制系统,其概念最早是1998年由马里兰大学的G.C.Walsh的论著中,但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构,指出NCS指的是系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。网络控制系统是以网络作为传输介质,实现传感器、控制器、执行器等系统各部件之间的信息交换,从而实现用网络作为资源共享、远程检测与控制的控制系统。 顾洪军在其博士论文中给出了 NCS的明确定义,描述如下: 网络控制系统又称为网络化的控制系统,即在网络环境下实现的控制系统。是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合,用以提供设备之间的数据传输,使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统包括狭义的在内,而且还包括通过企业信息网络以及Internet实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制等[1]。 网络控制系统典型结构如下图所示, 系统利用网络进行数据的传输,传感器通过网络将数据传送给控制器控制器将计算过的数据又通过网络传送给执行器，完成对被控对象的控制。 （二）网络控制系统的特点与要求： 特点：网络控制系统的发展依赖于网络通信技术、计算机技术与控制理论的发展,因此网络控制系统也兼具有网络通信技术、计算机技术和控制理论的很多特点。相比于传统的控制系统,网络控制系统有着明显的优点,具有可以实现资源共享、远程操作与控制、较高的诊断能力、安装与维护简便、能有效减少系统的重量和体积、增加系统的灵活性和可靠性等诸多优点[4-6,7]。 (1)网络控制系统实现了现场智能设备与控制系统的分布化与网络化,使得各个节点很方便地进行信息交换与资源共享,将原来分布在不同地点的现场设备连接成网络, 打破了原来自动化系统原有的信息孤岛现象。 (2)网络控制系统实现了信息传输的数字化,相比于传递模拟信号而言,数字信号的抗干扰能力强,传输精度高,传输的内容更加丰富,也减少了布线的复杂性。 (3)网络产品的互操作性。对于不同生产商制造的产品只要遵循相同的协议就可以混合使用,组成一个开放的系统,使它具有互操作性。 (4)网络控制系统实现了现场控制设备的分布化,实现了信息的集中管理。网络使得系统具有高度的分散性,易于实现分散地域信息的集成,实现分布式控制,增加了 系统的可靠性。 要求：实际应用中的网络控制系统不仅要考虑设计中的一些问题,还要考虑一些基本的系统要求。 (1)系统响应的实时性要求。网络控制系统要求能够实时的对数据进行采集、处理、传输,并快速的完成对系统的过程控制。 (2)系统运行的可靠性。要求系统的故障率低,容错能力强和可维护性好。 (3)良好的环境适应能力。要求系统具有良好的环境适应能力,即使在恶劣的环境下也能够完成控制任务。 (4)严格的网络安全性。现在信息技术飞速发展的同时也带来了很多的安全隐患, 网络安全性指的是网络信息的保密性、完整性以及信息的来源与去向等都是NCS 设计时要考虑的问题。 研究意义： 对于网络控制系统的理解有两种,一种是对网络的控制，另一种是通过网络传输信息的控制系统[3]。 网络控制系统是网络技术与工业应用结合的产物,它的出现解决了控制系统发展中出现的很多问题,进一步提高了企业的生产效率,发展了生产力。现在,已经有很多的网络控制系统已经投入实际生产生活应用中,正在为社会的发展做着贡献,并且在未来还会有越来越多的网络控制系统投入使用。 但是由于网络上资源非常多,信息的传送需要占用通信线路、存在资源冲突、网络带宽有限以及网络的承载能力等因素的影响,将会导致出现信息传输冲撞、信息重传等问题,这些问题影响了网络控制系统的稳定性,使系统稳定性下降,甚至导致系统不稳定。同时这些问题也导致了研究、设计控制系统方面的困难。因此,针对这些问题的研究显得尤为重要,对于网络控制系统的发展也意义重大。 研究方向及现状： 控制系统的发展经历了人工手动控制、模拟仪表控制、计算机集中监督控制、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)和工业以太网控制等几个阶段[9]。网络控制系统正朝着更加网络化与智能化的方向发展,在航空航天、军事技术、工业、制造业、智能交通、智能家居等领域变化很明显。与传统控制系统相比,网络控制系统在数据传输过程中存在网络诱导时延、数据包错乱、数据包丢失等问题。 数据包丢失： 导致数据包丢失的原因主要有: (1)网络中节点发生通信故障。节点不可能保证无时无刻能够正常工作,并且偶尔的故障发生也是不可避免的。当节点发生故障后重新启动时,数据包所在的缓冲区被清空,这就造成了数据包的丢失现象。 (2)信道的干扰。在实际系统中外界的环境将不可避免的影响到通信信道中数据的传输质量。通信干扰会造成信号的丢失、错位等,使数据到达目的节点后产生失真,无法通过算法恢复有效的数据,数据包就会丢失。因此完善的通信协议通常都有比较有效的错误检查和纠错机制。 (3)通信冲突。在网络中,冲突的发生在本质上是无法避免的。发生冲突后,虽然大多数的网络通信协议都有冲突重传机制,但是重传一般都设有超时时间,一旦达到超时时间则会放弃此次数据包的传输,这也能造成数据包的丢失。 一般而言,一定范围内的数据包丢失,即丢包率控制在一定范围内对于控制系统的性能影响是可以忽略的,但是当丢包率超过一定值时,系统将变得不稳定[22-25]。 一般对于数据包的丢失,采取两种补偿策略。一种是零输入(Zero-Input)补偿方法, 即认为数据包丢失时,节点的输入量为零;另外一种是保持输入(Hold-Input)补偿方法, 即发生数据包丢失时,采用上一时刻的节点输入作为当前的系统输入。 数据包的丢失也分为主动丢失和被动丢失,主动丢失是系统主动丢弃一些没用的数据包以保证通信网络的畅通,例如在一些实时性要求比较高的系统中,一段时间内未达到的数据包通常都会被系统主动放弃,然后接着发送或接收新的数据,在一些网络拥塞控制中也会主动丢弃一些数据包以保证网络的畅通,这种主动丢包对系统是有益的。而通常所说的丢包控制指的是针对被动丢包的控制,被动丢包对系统的稳定性影响较大, 是需要进行控制的。 随机丢包的控制： 考虑网络控制系统设计和使用时,不仅要考虑网络时延的影响,还要考虑数据包丢失的影响。由于网络的存在,网络中存在干扰,通信信道的拥塞等都会导致数据包丢失。数据包的丢失的现象会导致系统稳定性的下降,甚至当丢包率达到一定时将会导致系统的不稳定。因此,对于网络控制系统中数据包丢失对系统稳定性的影响以及对丢包问题控制的研究具有重要的理论意义。 网络控制系统仿真简介： Matlab是一款强大的系统仿真工具,是控制领域仿真的一款十分重要的仿真工具, Simulink更是提供了一种图形化、模块化的仿真方式,应用Matlab/Simulink可以实现控制算法的仿真。但是通信网络的仿真Matlab却没有办法提供,基于Matlab的仿真工具箱可以提供该功能。 二、课题进展计划 2015.1.8-2015.1.23 查文献，撰写开题报告，准备开题。 2015.1.24-2015.3.15 查文献，系统建模，丢包分析等 2015.3.16-2015.4.15 系统稳定性分析 2015.4.16-2015.4.28 整理材料，中期检查 2015.4.29-2015.5.30 控制器设计及仿真 2015.5.31-2015.6.5 论文成稿 2015.6.5-2015.6.9 答辩PPT 三、参考文献 [1]顾洪军.网络控制系统建模及性能分析方法的研究.清华大学,博士学位论文.2001 [2] Walsh G C,Beldiman ?, Bushnell L. Error Encoding Algorithms for Networked Control System. Proceedings of the 38th Conference on Decision Control Phoenix. Arizona USA, 1999: 4933-4938 [3] Walsh G C,Ye H, Bushnell L. Stability Analysis of Networked Control Systems.Proceedings of American Control Conference,Sandiego,CA,1999: 2876-2880 [4] Walsh G C,Ye H, Bushnell L. Scheduling of Networked Control Systems. IEEEControl Systems Magazine 2001,21(1): 57-65 [5] 胡晓娅,朱德森,汪秉文.网络控制系统时延研究综述.中国科技论文在线..http://www.paper.edu.cn [6] Walsh G C. Scheduling of networked control systems. IEEE Control SystemsMagazine.2001,21: 57-65 | |
