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网络化控制技术的综述


网络化控制技术的综述
姓名: 学号: 姓名:王旭闽 学号:预科
网络化控制系统 NCS(Networked Control Systems),又称集成通讯与控制系统 ICCS (Integrated Communication and Control System) 。一般认为 ICCS 是一种全分布式、网络化 实时反馈控制系统,是将控制系统的传感器、控制器、

执行器等单元通过通讯网络连接起来 形成闭环的分布式控制系统。 其涵盖了两方面的内容: 系统节点的分布化和控制回路的网络 化。这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维 护等优点,但由于网络中的信息源很多,信息的传送药分时占用网络通讯资源,而网络的承 载能力和通讯带宽有限,必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生,使得数据在传输过程中 不可避免地存在时延。时延由于受到网络所采用的通讯协议、负载状况、网络速率以及数据 包大小等情况到影响,呈现出或固定或随机,或有界或无界的特征,从而导致控制系统性能 下降甚至不稳定, 也给控制系统的分析和设计带来困难。网络给 NCS 带来的主要问题包括: 时延采样时刻和执行器响应时刻间出现了不可忽略的滞后;在某时间间隔内存在于时间相关 的抖动;由于数据包在网络中传输发生丢失或冲突,导致时延增大甚至系统失稳。NCS 的性 能不仅依赖于控制策略及控制律器的设计, 而且受到网络通讯和网路资源的限制。 信息调度 应尽可能避免网络中信息的冲突和拥塞现象的发生, 从而大大提高网络化控制系统的服务性 能。 网络化控制系统是综合自动化技术发展的必然趋势, 是控制技术、 计算机技术和通信技 术相结合的产物。 本书基于现场总线技术及自动化北京市重点实验室的科研成果, 系统地介 绍了网络化控制系统的组成原理、控制结构、建模方法,网络拥塞闭环控制机理,网络时延 闭环控制方法,现场总线控制技术及应用,基于工业以太网的控制系统设计,基于 Internet 和 Web 的网络远程控制系统设计。网络化控制系统软件开发技术,以及网络化控制技术在 工业加热炉、工业锅炉和电厂锅炉湿法烟气脱硫中的应用。 在传统的计算机控制系统中, 传感器和执行器都是与计算机实现点对点的连接, 传递信 号一般采用电压和电流等模拟信号。在这种结构模式下,控制系统往往布线复杂,从而增加 了系统成本, 降低了系统的可靠性、 抗干扰性、 灵活性和扩展性, 特别在地域分散的情况下, 传统控制系统的高成本、 低可靠性等弊端更加突出。 随着计算机技术和网络通信技术的不断 发展,工业控制系统也发生了巨大的技术变革,网络化控制系统(NetworkedControlSystem, NCS) 应运而生, 其主要标志就是在控制系统中引入了计算机网络, 从而使得众多的传感器、 执行器、 控制器等主要功能部件能够通过网络相连接, 相关的信号和数据通过通信网络进行 传输和交换,避免了点对点专线的铺设,而且可以实现资源共享、远程操作和控制,增加了 系统的灵活性和可靠性。 在控制系统中使用网络并不是一个新的想法, 它可以追溯到 20 世纪 70 年代末期集散控 制系统(DistributedControlSystem,DCS)的诞生。在 DCS 出现之前,早期的计算机控制系 统是直接数字控制(DirectDigitalControl,DDC) ,在这种控制结构中,所有传感器和执行器 都与同一台计算机点对点的连接。由于当时计算机昂贵,系统一般采用集中式的体系结构, 整个生产过程和控制策略都由一台计算机完成, 即使是计算机一个单一的故障也会使整个系 统及其所有回路失效。伴随着计算机成本的下降和网络技术的发展, (计算机)控制网络被 首次引入到了控制系统,导致了 DCS 的产生。DCS 将控制任务分散到若干小型的计算机控 制器(也叫做现场控制站)中,每个控制器采用 DDC 控制结构处理部分控制回路,而在控 制器与控制器、控制器与上位机(操作员站或工程师站)之问建立了计算机控制网络,这种 控制结构使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控, 某个控制回路的

控制策略的设计也可以在上位机中组态完成,通过控制网络下载到对应的控制器中实时运 行。DCS 大大提高了控制系统的可靠性,并实现了集中管理和分散控制。 尽管在 DCS 中已经引入了控制网络,但由于当时传感器和执行器只能发送和接收模拟 量信号,所以在传感器与控制器、控制器与执行器之间仍然采用点对点连接的 DDC 控制结 构。采用模拟量信号进行信息传输,只是在控制器的输入、输出端进行信号的模拟量/数字 量(A/D)和数字量/模拟量(D/A)转换。 通讯网络给 NCS 系统带来的问题为: 1) 控制时延是某个采样时刻和对应的执行期响应时刻之差。从控制的角度看,时延将导致 向卫滞后, 恶化系统性能, 从信息调度的角度看, 时延将使信息不能准时到达, 丢失截止期, 甚至带来不可预料的通讯多米诺效应。 2) 抖动是在任何特定的时间间隔,与时间相关的、突然的、乱真的变化,可以看成一种突 发性的故障;表现为控制周期的抖动,时延抖动,采样抖动;从调度的角度看,抖动表现为输 出抖动,队列抖动,截止期抖动等。 3) 瞬态误差是控制信号在网络中传输时发生丢失或冲突而产生的, 会使数据和通讯时延加 剧,时序采样值不能准时到达,产生空采样问题以及样本数据拒绝问题。 针对网络的可变因素,目前的假设主要集中在以下方面: 1) 驱动方式的假设 传感器都是采用时间驱动,采样周期为 ,执行器和控制器存在时间驱动和事件驱动两 种方式的组合。 2) 传输时延 τ 的假设 通常假设 τ 为常数、随机分布,或有界或无界。τ 和 T 满足0#lt;τ#gt;T 或 。 3) NCS 数据传输假设 传输的每一数据包都是一个完整的数据, 或者是数据被分成多个数据包, 即单包和多包 传输问题。 4) NCS 数据丢包 数据单元在传输中由于网络拥塞、 中断等原因会导致数据包的时序错乱或数据包丢失等 问题。 NCS 的研究涉及控制和通讯网络两个方面,对同一个问题既可以从控制角度来研究, 也可以从信息调度角度来研究,或者综合两方面进行研究。针对时间驱动的 NCS,绝大多

数的文献对 NCS 进行分析时,都假定传感器、控制器和执行器的采样速率是一致的,即研 究的是单率采样系统下的情形。然而,对于 NCS,由于节点的分散化,单一的采样速率不 符合实际情况。多率采样是符合实际系统真实情形的,Salt 等人针对多率采样的控制问题进 行了研究,传感器和控制器启动时又很小的时间偏差,新的传感器值到达控制器的概率 假定是已知的。若 ,则说明是在新的测量数据未知的情况下对

控制信号进行计算。 但是对多率采样系统来说, 采用时间驱动的采样方式常常会出现很多问 题,如过多的冗余信号将使系统的时延、空采样、报文丢失扥变得更加严重,从而导致系统 性能恶化。 在 NCS 中网络传输的信息可以分为两类:实时性信息和非实时性信息。实时性信息对 时间要求非常苛刻,如果在规定时间的上限内信息未能起作用,则该信息将被丢弃,而使用 最新的信息。NCS 信息调度策略中主要调度两类数据信息:周期信息和非周期信息。周期 信息是一种实时性信息, 也被称为时间出发信息或者同步信息。 非周期信息主要是指节点间 的请求服务等信息,其发生时刻是随机的,也被称为事件触发信息、异步信息或者随机性信 息。在 NCS 中,信息调度发生在应用层,信息调度规定节点的优先发送次序、发送时刻和 时间间隔,以避免网络冲突。如果网络化控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成, 则称传输是可调度的。 网络化控制系统中信息调度的研究可分为调度与控制分开设计和调度 和控制协同设计两类。 在目前的 NCS 研究中, 一类研究是针对通讯网络, 研究提高网络服务质量的信息调度方 法;另一类是在给定的网络信息调度方法基础上,研究提高 NCS 性能的控制方法。根据信息 对实时性的要求,信息调度分为静态调度(离线调度) 、动态调度(在线调度)以及混合调 度。 1) 静态优先即调度 速率单调静态优先级调度(Rate Monotonic Scheduling Model)的调度优先级由任务 周期确定, 在任务周期等于时限得同步实时任务系统中是最佳静态调度算法。 但该算法调度 判定时间复杂度是指数增长的, 而且对任务的执行周期限制得过于严格, 只能处理具有固定 周期任务。 2)动态优先级调度 在动态优先即调度中, 任务的时间约束关系并没有完全确定, 新任务的到达时间是未知 的。Liu 和 Layland 提出时限最早的任务调度(Earliest Deadline First Scheduling) , 指出任务优先级是任务时限与任务执行时刻的差, 该算法对同步周期任务组是最佳的动态调 度算法。 目前, 针对时延和丢包情况下 NCS 的稳定性研究以及带随机噪声的 NCS 的最优控制问 题的研究较多, 而针对带有确定性干扰 NCS 的最优扰动抑制问题和故障诊断问题则不多见, 将最优扰动抑制理论应用于带有时延和丢包的 NCS 实现系统的最优扰动抑制是研究的一个 重要方向。在用 Markov 链对 NCS 建模时,都假定状态及其转移概率是已知的,而实际上 还存在 Markov 链中状态未知的情形。 如何通过 HMM (Hidden Markov Model) 来辨识 Markov 状态数及其转移概率是分析和设计 NCS 必须面临的问题。基于 HMM 的估计理论是处理混

杂情况下辨识问题的有力工具, HMM 理论应用于 NCS 也是研究和设计 NCS 的重要方向。 将 NCS 信息调度的研究大多限于单控制回路,对共享网络的多个控制回路的优化调度等问题 需要进一步的研究。考虑网络利用率、数据包丢失率、系统稳定性等多重约束,建立 NCS 多目标优化的数学模型。进而考虑 NCS 的实时性要求,研究 NCS 分级多目标优化问题的求 解方法。


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