網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與應(yīng)用準(zhǔn)備總結(jié)

1、控制系統(tǒng)中的控制器、傳感器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).(直接結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)) 網(wǎng)絡(luò)控制的特點：結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)點智能化、控制現(xiàn)場畫和功能分散化、系統(tǒng)開放化和產(chǎn)品集成化網(wǎng)控的復(fù)雜性：(1) 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多用戶共享通信線路且流量變化不規(guī)則，這必然導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延，同時采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議會使時延具有不同的性質(zhì)；(2) 傳輸數(shù)據(jù)流經(jīng)眾多的計算機(jī)和通訊設(shè)備且路徑不唯一，這會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的時序錯亂；(3) 在網(wǎng)絡(luò)中由于不可避免地存在網(wǎng)絡(luò)阻塞和連接中斷，這又會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的時序錯亂和數(shù)據(jù)包丟失。與傳統(tǒng)點對點結(jié)構(gòu)系統(tǒng)比較: 可以實現(xiàn)資源共享實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與控制具有高的診斷能

2、力安裝與維護(hù)方便能有效減少系統(tǒng)的重量與體積增加系統(tǒng)的靈活性與可靠性使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實現(xiàn)使用大量廣泛分布的廉價傳感器與遠(yuǎn)距離的控制器、執(zhí)行器構(gòu)成某些特殊用途的NCS，這是傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的。NCS研究內(nèi)容一、對網(wǎng)絡(luò)的控制（Control of Network）：圍繞網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、任務(wù)調(diào)度算法和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議等不同的角度提出解決方案，滿足系統(tǒng)對實時性的要求，減小網(wǎng)絡(luò)時延、時序錯亂、數(shù)據(jù)包丟失等一系列問題?？梢赃\用運籌學(xué)和控制理論的方法來實現(xiàn)。二、通過網(wǎng)絡(luò)的控制（Control through Network）：指在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下，設(shè)計相適應(yīng)的NCS控制

3、器，保證NCS良好的控制性能和穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^建立NCS數(shù)學(xué)模型用控制理論的方法進(jìn)行研究。三、NCS整體性能的優(yōu)化與提高（綜合控制）：綜合考慮提高網(wǎng)絡(luò)性能和控制性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化和提高整個NCS的性能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量：包括網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸效率、誤碼率、時延可預(yù)測性和任務(wù)的可調(diào)度性。系統(tǒng)控制性能：包括穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性、超調(diào)和振蕩。面臨的基本問題：1、時變傳輸周期2、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度3、網(wǎng)絡(luò)時延4、單包傳輸和多包傳輸5、數(shù)據(jù)包時序錯亂6、數(shù)據(jù)包丟失7、節(jié)點驅(qū)動方式8、時鐘同步所謂數(shù)據(jù)通信，就是指采用某種特定的方法，通過某種介質(zhì)（如傳輸線）或渠道將信息從一處傳送到另一處的過程。通信的類型：模擬通信、數(shù)字

4、通信、數(shù)據(jù)通信計算機(jī)網(wǎng)絡(luò):利用通信設(shè)備和線路把地理上分散的多臺自主計算機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)系起來，在相應(yīng)軟件的支持下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享為目標(biāo)的系統(tǒng)。功能：信息交換、資源共享均衡使用網(wǎng)絡(luò)資源、分布處理、數(shù)據(jù)信息綜合處理、提高計算機(jī)安全可靠性。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線型、星型、環(huán)型、混合型。通信：信息：傳送的內(nèi)容，包括數(shù)字、文字、語言、圖形和圖像等。數(shù)據(jù)：網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼。與信息的區(qū)別：數(shù)據(jù)僅涉及事物的表示形式，信息涉及數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。信道：信號傳輸?shù)耐ǖ?，包括通信設(shè)備和傳輸媒體。（傳輸媒體-有線無線、信號類型-模擬數(shù)字、使用權(quán)限-專用公用）。碼元和碼字：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送每一位二進(jìn)制數(shù)字稱為碼元或碼位。7

5、個碼元稱為碼字。數(shù)據(jù)通信與數(shù)字通信的不同之處是：數(shù)據(jù)-數(shù)字信息，數(shù)字-模擬信號。數(shù)據(jù)通訊方式：數(shù)據(jù)位的傳送方式-并行通信、串行通信。信息傳送方向-單工、半雙工、全雙工。連接方式-總線連接、調(diào)制/解調(diào)連接、過程I/O連接、高速數(shù)據(jù)通道連接。數(shù)據(jù)信息的傳輸有兩種基本形式：1、基帶傳輸，即直接利用基帶信號進(jìn)行傳輸；2、頻帶傳輸，即將基帶信號用交流或脈沖信號調(diào)制后再傳輸?；鶐畔⒈硎痉椒ǎ?單極性波形、雙極性波形、單極性歸零波形。雙極性歸零波形、交替雙極性歸零波形?；鶐鬏?shù)奶攸c：(1)基帶信號傳輸，要求信道具有從直流到高頻的頻率特性。因此，在信息高速傳輸?shù)腘CS中，不能采用常規(guī)的傳輸介質(zhì)，而應(yīng)采用具

6、有很高通頻帶的同軸電纜或光纜。(2)基帶傳輸是按照數(shù)字信號波形的原樣進(jìn)行傳輸?shù)?，它不需要調(diào)制解調(diào)器，因而設(shè)備投資少，維護(hù)費用低。但信號傳輸距離有限，僅適用于較小范圍的數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)制是在發(fā)送端用基帶脈沖信號對載波波形的某個參數(shù)（如振幅、頻率、相位）進(jìn)行控制，使其隨基帶脈沖的變化而變化，即把基帶信號變換成適合于模擬傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)慕涣餍盘?。解調(diào)是在接收端將收到的調(diào)制信號進(jìn)行與調(diào)制相反的轉(zhuǎn)換，使之恢復(fù)到原來的基帶脈沖信號。 未經(jīng)調(diào)制載波振幅調(diào)制又稱振幅鍵控ASK。即用原始基帶脈沖信號控制載波的振幅變化，U（t）=Am*Sin（0+0）數(shù)字(1) U（t）=0 數(shù)字(0)頻率調(diào)制又稱為頻率鍵控FSK。

7、即用原始基帶脈沖信號控制載波的頻率變化。頻率調(diào)制所產(chǎn)生的調(diào)制波稱為“調(diào)頻信號”，頻率調(diào)制可分為兩種形式：相位連續(xù)調(diào)頻信號、相位不連續(xù)調(diào)頻信號U（t）=A0*Sin（1+0）數(shù)字(1) U（t）=A0*Sin（2+0）數(shù)字(0)相位調(diào)制又稱為相位鍵控PSK。 即用原始基帶脈沖信號控制載波的相位變化。相位調(diào)制所產(chǎn)生的調(diào)制波稱為“調(diào)相信號”，它可分為兩種形式：絕對移相調(diào)相信號、相對移相調(diào)相信號。U（t）=A0*Sin0t 數(shù)字(1) U（t）=A0*Sin(0t+) 數(shù)字(0) 數(shù)據(jù)傳輸速率：單位時間內(nèi)傳送的信息量。分三種：（1）數(shù)據(jù)信號速率。 在數(shù)據(jù)通信中，每一位二進(jìn)制符號（1或0）為一個比特（或

8、稱為碼元）。數(shù)據(jù)信號速率表示的是每一秒鐘內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)信息的比特數(shù)，單位為bit/s，國際上用bps表示。數(shù)據(jù)信號速率S的定義為： m并行傳輸?shù)男诺罃?shù)；Ti第i條信道傳輸?shù)姆柕淖钚挝粫r間（秒）（2）調(diào)制速率。 表示每秒鐘內(nèi)調(diào)制信號波的變換次數(shù)，單位為波特（Bd）。若用秒表示一個單位調(diào)制信號波的時間長度為T，則調(diào)制速率為： 數(shù)據(jù)信號速率S與調(diào)制速率B之間的關(guān)系為： （3）數(shù)據(jù)傳輸速率。是單位時間內(nèi)傳送的信息量。信息量的單位可以是比特、字符、數(shù)據(jù)組等；時間的單位可以是秒、分甚至小時等。信道容量信道所具有的最大傳輸能力。信道容量C用極限傳輸速率（香農(nóng)公式）表示 F信道帶寬（Hz）；S信道內(nèi)傳輸?shù)男盘?/p>

9、平均功率（W）；N信道內(nèi)白噪聲功率（W）誤碼率二進(jìn)制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。 N傳輸二進(jìn)制碼元的總數(shù)；Nc 被傳錯的碼元數(shù)，10-510-9 計算機(jī)之間10-9。異步傳輸方式在被送字符前后加起止位，實現(xiàn)定時的傳輸方式。（設(shè)備簡單費用低，輔助開銷大浪費時間，適用于低速101500字符/秒場合）同步傳輸大的數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送，前后使用一些特殊字符進(jìn)行標(biāo)識，適用于高速場合。多路復(fù)用技術(shù)頻分多路復(fù)用（FDM）技術(shù)是把信道的頻譜分割成若干個互不重疊的小頻段，每條小頻段為一條子信道，相鄰頻段之間留有一空閑頻段以保證數(shù)據(jù)在各自頻段上可靠地傳輸。時分多路復(fù)用（TDM）技術(shù)是把信道的傳輸時間分割成許多時間段。

10、通信網(wǎng)絡(luò)是將地理位置不同，并具有獨立功能的多個計算機(jī)系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路連接起來，以功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及資源共享的系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)使用的信息交換技術(shù)：線路交換：指通過網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在兩個站之間建立一條專用的物理線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)傳送周期結(jié)束后，立即“拆除”專用線路。特點：信息傳送的實時性好，各節(jié)點延時小，但一旦兩站連接建立起來，即使沒有數(shù)據(jù)傳送，其它站也不能使用線路上的任何節(jié)點，故線路的利用率較低。報文交換：在發(fā)送站將發(fā)往目的站的信息分割成一份份報文正文，并在報文正文前加上報頭（由發(fā)送地址、目的地址和其它輔助信息組成），在報文正文后面加上報尾（報文的結(jié)束標(biāo)志），然后把報文交給節(jié)點傳

11、送。整個報文傳送由報頭控制，傳送中節(jié)點接收整個報文并予暫存，然后發(fā)送到下一個節(jié)點，直至目的站。特點：允許多個報文分時共享同一線路，其線路的利用率高；而且只要在報文上附上有關(guān)目的站的站名，可以把一個報文發(fā)送給多個目的站。但是報文要在節(jié)點上排隊等待，使傳輸時間延長。包交換也叫分組交換，它將一個較長報文分解成若干個較短的報文段，這些報文段稱之為“包” 或“報文分組” ，每個包上附加必要的傳送控制信息，并按規(guī)定的格式排列，以一個組合的整體作為一個信息交換單位。特點：綜合了線路交換和報文交換的優(yōu)點，既具有良好的實時性，又具有較高的線路利用率和傳輸效率。隨機(jī)差錯主要是由傳輸介質(zhì)或放大電路中電子熱運動產(chǎn)生的

12、白噪聲所引起的。突發(fā)差錯主要是由外界的沖擊噪聲所致，沖擊噪聲的持續(xù)時間可能相當(dāng)長，幅度可能相當(dāng)大，可以影響相鄰的多位數(shù)據(jù)。（成片出現(xiàn)）降低誤碼率的措施：1通過改善通信網(wǎng)絡(luò)及各站的電氣性能和機(jī)械性能，來降低誤碼率。（經(jīng)濟(jì)技術(shù)制約）2在誤碼率不夠理想的情況下，由接收端檢驗誤碼，然后設(shè)法糾正誤碼。（常用） 差錯檢測奇偶校驗、行列監(jiān)督、循環(huán)冗余。例： 設(shè)需編碼的信息碼為101（k=3），則該信息的對應(yīng)的信息多項式為 m(x)=x2+1；若冗余碼位數(shù)r=4，生成多項式為g(x)=x4+x3+x2+1，求（7，3）循環(huán)碼。解：根據(jù)有碼多項式：上式對應(yīng)的碼字為V=（1，1，0，1，0，0，1），故所求的（7

13、，3）循環(huán)碼為。糾錯方式重發(fā)糾錯方式、自動糾錯方式、混合糾錯方式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有一套所有“成員”（計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)站點）共同遵守的“約定”，以便實現(xiàn)彼此的通信和資源共享（語法語義同步）OSI參考模型：1物理層（Physical）提供通信設(shè)備的電氣、特性、功能、過程等特性，以便建立、維持和折除物理連接（例如，信號的表示方法、傳送方向、所采用的編碼、傳輸速率，以及通信介質(zhì)和連接件的規(guī)格及使用規(guī)則）。負(fù)責(zé)在物理線路上傳輸數(shù)據(jù)的位流(比特流)，為鏈路層服務(wù)2鏈路層（Data Link）用以建立相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路，確立鏈路使用權(quán)的分配，負(fù)責(zé)將被傳送的數(shù)據(jù)按幀結(jié)構(gòu)格式化、傳送數(shù)據(jù)幀、進(jìn)行差錯控制、介質(zhì)方向控制、以

14、及物理層的管理。3網(wǎng)絡(luò)層（Network）用于傳輸信息包或報文分組，向上一層的傳輸層提供傳輸類型服務(wù)，負(fù)責(zé)通信網(wǎng)絡(luò)中路徑的選擇和擁擠控制。4傳輸層（Transport）用于建立不同節(jié)點間的通信信道、提供數(shù)據(jù)交換的可靠機(jī)制，完成信息確認(rèn)、誤碼檢測、錯誤恢復(fù)、優(yōu)先級調(diào)度、信息流的控制，確保數(shù)據(jù)無差錯、不丟失、不重復(fù)、按次序地傳送。向會話層提供所要求的傳送服務(wù)及其質(zhì)量。傳輸層是用戶與通信設(shè)施間的聯(lián)系者。5會話層（Session） 用于建立和管理進(jìn)程（程序為某個數(shù)據(jù)集合進(jìn)行的一次執(zhí)行過程）之間的連接，為進(jìn)程之間提供對話服務(wù)，管理它們的數(shù)據(jù)交換，處理某些同步與恢復(fù)問題。會話層完成的主要通信管理和同步功能

15、是針對用戶的。6表達(dá)層（Presentation）用于向應(yīng)用程序和終端管理程序提供一批數(shù)據(jù)變換服務(wù)，實現(xiàn)不同信息格式和編碼之間的轉(zhuǎn)換，以便處理數(shù)據(jù)加密、信息壓縮、數(shù)據(jù)兼容以及信息表達(dá)等問題。通常提供數(shù)據(jù)翻譯（編碼和字符集的轉(zhuǎn)換）、格式化（修改數(shù)據(jù)的格式）、語法選擇（對所用變換的初始選擇和隨后的修改）等服務(wù)項目。7應(yīng)用層（Application）該層為用戶應(yīng)用程序提供訪問OSI環(huán)境的服務(wù)(如，通信服務(wù)、虛擬終端服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)文件傳送、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理等)，該層具有相應(yīng)的管理功能，支持分布應(yīng)用的通用機(jī)制，解決數(shù)據(jù)傳輸完整性或收/發(fā)設(shè)備的速度匹配等問題。工業(yè)對象對網(wǎng)絡(luò)的基本要求:過程工業(yè)連續(xù)控制為主，算法復(fù)

16、雜，速度慢，流程長，對可靠性要求高，有分散化要求 制造工業(yè)邏輯控制為主，算法簡單，速度快，通常不必冗余，CPU不要求太分散 混合工業(yè)采集為主也混合邏輯控制.回路控制，單機(jī)控制多，要求成本低兩種趨勢1是現(xiàn)場有越來越多的信息需要往上送2是計算機(jī)通信技術(shù)越來越向下延伸。 控制網(wǎng)絡(luò)的特點(1) 系統(tǒng)的開放性(2) 互可操作性與互用性(3) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性(4) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性(5) 一對結(jié)構(gòu)(6) 可控狀態(tài)(7) 互換性 (8) 綜合功能 (9) 統(tǒng)一組態(tài)控制網(wǎng)絡(luò)的分類1隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)：延遲時間是隨機(jī)的，如EtherNet 2有界網(wǎng)絡(luò)：延遲時間有確定的上界，如ConrolNet 3常值網(wǎng)絡(luò)：時間延

17、遲應(yīng)保持一定，如DeviceNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。協(xié)議總是指某一層協(xié)議，準(zhǔn)確地說，它是對同等實體之間的通信制定的有關(guān)通信規(guī)則約定的集合。 控制網(wǎng)絡(luò)與一般的信息網(wǎng)絡(luò)的不同點：1控制網(wǎng)絡(luò)中最基本的要求是數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間要求不強(qiáng)烈，大部分時間忽略實時性（本質(zhì)性的不同）2控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?大多數(shù)企業(yè)自動化系統(tǒng)中，由于分散的單一用戶要借助控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入某個系統(tǒng)，通信方式多使用廣播或組播方式。信息網(wǎng)絡(luò)中某個自主系統(tǒng)與另一個自主系統(tǒng)一般都建立一對一通信。4控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計多種總線標(biāo)準(zhǔn)和多家

18、公司的產(chǎn)品在同一網(wǎng)絡(luò)中相互兼容，即互操作行的問題。而信息網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)單一，產(chǎn)品一般可以實現(xiàn)互操作。層次結(jié)構(gòu)要點1除了在屋里媒體上進(jìn)行的是實通信外，其余各對等實體間進(jìn)行的同時虛通信。2對等層的虛通信必須遵循該層的協(xié)議。3層的虛通信時通過第n層與第n-1層間接口處n-1層提供的服務(wù)及n-1層的通信（通常也是虛通信）來實現(xiàn)的。層次劃分的原則1每層的功能應(yīng)是明確的，并且是相互獨立的。2層間接口必須清晰，跨越接口的信息量應(yīng)盡可能少。3層數(shù)應(yīng)適中。網(wǎng)絡(luò)體系接口的特點1以功能為劃分層次的基礎(chǔ)。2第n層的實體在實現(xiàn)自身定義的功能時，只能使用第n-1層提供的服務(wù)。3第n層在向第n+1層提供服務(wù)時，此服務(wù)不僅包含第n

19、層本身的功能，還包含由下層服務(wù)提供的功能。4僅在相鄰層間有接口，且所提供服務(wù)的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)對上一層完全屏蔽。控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)一般由OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三層模式體系結(jié)構(gòu)和通信媒質(zhì)構(gòu)成，如：CAN、DeviceNet 。/也有在此基礎(chǔ)上加數(shù)據(jù)傳輸層的四層模式體系結(jié)構(gòu)，如：profibus。/Lon Works控制網(wǎng)絡(luò)卻比較特殊，它采用全部OSI七層模式體系結(jié)構(gòu)。/而ErherNet則采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層五層模式體系結(jié)構(gòu)。三層控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)光纖的電信號傳輸過程 1-堅持CSMAa信道一但閑,數(shù)據(jù)以概率為1的原則發(fā)送b信道忙,連續(xù)監(jiān)聽，直至監(jiān)

20、聽到通道閑,返回a。(提高信道利用率)P-堅持CSMAa若信道閑，以0p1的概率發(fā)送，以概率(1-p)延遲一段時間再發(fā)送。b信道忙，則繼續(xù)偵聽到信道閑，返回a。（進(jìn)一步提高利用率）非堅持CSMAa 監(jiān)聽到數(shù)據(jù)閑，則發(fā)送;b監(jiān)聽到數(shù)據(jù)“忙”，按一定退避算法延遲一段時間(這就是。非堅持的含義，返回a。優(yōu)點: 采用隨機(jī)重傳時間減少碰撞概率。缺點: 延遲時間內(nèi)可能會出現(xiàn)通道閑的情況，利用率不高控制網(wǎng)絡(luò)的特殊性：定常性的喪失：數(shù)據(jù)到達(dá)的時刻不再是定常和有規(guī)則的，更不能再用簡單的采樣時間來刻畫/完整性的喪失：由于數(shù)據(jù)在傳輸中可能發(fā)生丟失和出錯，數(shù)據(jù)不再是完整的，雖然數(shù)字控制中也可能有類似的問題，但發(fā)生的可

21、能性是處于不同的量級/因果性的喪失：由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時間的不確定，先產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以遲于后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)到達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，因此，數(shù)據(jù)到達(dá)的次序不再遵守因果關(guān)系/確定性的喪失：由于數(shù)據(jù)到達(dá)的隨機(jī)性，整個控制過程已不再是一個確定性的系統(tǒng)，而是一個隨機(jī)系統(tǒng)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能(QoS)指網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用的不同控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信性能上表現(xiàn)出來的特性或特點。（靜態(tài)服務(wù)性能和動態(tài)服務(wù)性能控制網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞的時序過程1源節(jié)點內(nèi)時序（源節(jié)點內(nèi)處理器時延和源節(jié)點內(nèi)通信等待時延）2網(wǎng)絡(luò)傳輸時序（數(shù)據(jù)幀發(fā)送時間和線路信號時延）3目的節(jié)點內(nèi)時序（目的節(jié)點內(nèi)通信等待時延和處理器時延）網(wǎng)絡(luò)傳輸時延所成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀由發(fā)

22、送隊列中產(chǎn)生到他們被目的節(jié)點接受時刻的間隔。它主要由隊列等待實驗、網(wǎng)絡(luò)堵塞時延和數(shù)據(jù)幀發(fā)送時間三部分構(gòu)成。丟包率由于堵塞而丟失的數(shù)據(jù)幀與網(wǎng)絡(luò)生成總數(shù)據(jù)幀數(shù)目之比。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的期望值為： Bframe為數(shù)據(jù)幀位數(shù) s為以太網(wǎng)傳輸速度P-Net網(wǎng)絡(luò)最大傳輸時延為 FIP網(wǎng)絡(luò)最大傳輸時延為網(wǎng)絡(luò)總時延： 網(wǎng)絡(luò)平均時延： 節(jié)點平均丟包數(shù)：隨著采樣周期的不斷減小(網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相應(yīng)地逐漸增加)，三種控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通訊實時和可靠性均逐漸降低。實時性和可靠性下降趨勢來看：TokenBus類型的P-Net性能好于主從Pollins類型FIP協(xié)議，F(xiàn)IP協(xié)議性能又好于以太網(wǎng)CSMA/CD協(xié)議。在相同采樣周期下，按

23、照網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時延和丟包數(shù)由小到大排列，三者依次為：Ethemet、FIP、P-Net。理想控制系統(tǒng)要求采樣周期越小越好；理想網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)要求采樣周期越大越好。在控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，隨著采樣周期的減小，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷雖然增大但網(wǎng)絡(luò)運行性能不變，故系統(tǒng)性能逐漸提高；但是當(dāng)采樣周期減小到一定程度后，更多更頻繁的數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)QoS的降低，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷超過了網(wǎng)絡(luò)有限的承載能力，使網(wǎng)絡(luò)時延增大，甚至引起抖動、丟包等問題，此時不但不能保證原有的系統(tǒng)性能，反而會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降和惡化，從而影響了控制的效果。帶有時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采樣周期的選取范圍為：穩(wěn)定性描述的是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)行為特征的確定性和抗干擾能力，是由控制

24、網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)兩方面來決定的；控制網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定將有可能直接導(dǎo)致整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定最大傳輸間隔執(zhí)行其接受到相鄰兩個控制信號的最大允許時間間隔。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究內(nèi)容 1對網(wǎng)絡(luò)的控制對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量等的調(diào)度與控制，是對網(wǎng)絡(luò)自身的控制, 其目的是為了提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量2通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制指控制系統(tǒng)的各節(jié)點（傳感器、控制器、執(zhí)行器等）之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接并傳輸數(shù)據(jù)，針對網(wǎng)絡(luò)的不確定特性，通過設(shè)計先進(jìn)的控制算法來提高整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度問題指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在共享的網(wǎng)絡(luò)資源中發(fā)送數(shù)據(jù)，并且發(fā)生碰撞時，規(guī)定數(shù)據(jù)包以怎樣的優(yōu)先級（順序）和何時發(fā)送數(shù)據(jù)包的問題。研究層面1設(shè)計介質(zhì)層網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，稱

25、為協(xié)議層調(diào)度（指數(shù)據(jù)鏈路層通過一個鏈路活動調(diào)度器控制現(xiàn)場裝置對總線的訪問，通常是網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備按照特定的協(xié)議規(guī)范來決定那些并發(fā)數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序）缺乏靈活性，少數(shù)用2設(shè)計應(yīng)用層的節(jié)點優(yōu)化調(diào)度算法，稱為應(yīng)用層調(diào)度（指上層（傳輸層以上）的應(yīng)用程序根據(jù)需要來主動地決策數(shù)據(jù)的發(fā)送規(guī)則，該規(guī)則與具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無關(guān)）根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)的時間延遲特性,網(wǎng)絡(luò)可分為三類隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、有界網(wǎng)絡(luò)和常值網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法1借用CPU調(diào)度方法2設(shè)計網(wǎng)絡(luò)調(diào)度協(xié)議3調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計4反饋控制實時調(diào)度1到達(dá)時間（ai）：數(shù)據(jù)包形成，開始加入發(fā)送隊列，準(zhǔn)備發(fā)送。此為一個發(fā)送周期的開始。2開始發(fā)送時刻（si）：數(shù)據(jù)包開始發(fā)送的時刻。3阻塞時

26、間（bi）：數(shù)據(jù)包達(dá)到后，等待直至開發(fā)發(fā)送所需要的時間，即 bi=si-ai 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸中任務(wù)是非搶優(yōu)的，bi由兩部分組成：bh,i：等待所有更高優(yōu)先級的任務(wù)傳輸完畢的時間bl,i：正在發(fā)送的較低優(yōu)先級的任務(wù)發(fā)送完畢所需要的時間，其最大值分別記為： 4傳輸時間（ci）：數(shù)據(jù)包由源地址經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送到目的地址所需要的時間，一般由數(shù)據(jù)包的大小和網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的速率決定。5完成時間（fi）：一次傳輸結(jié)束的時間。6傳輸時延（i）：數(shù)據(jù)包到達(dá)隊列至數(shù)據(jù)包完成數(shù)據(jù)包傳輸完成之間的時間。顯然 7時限（di）：為保證NCS的性能，傳輸必須在某個時間之前完成，該時間就稱為時限。8、網(wǎng)絡(luò)占用率（U）： 其中NCS中N

27、個對象的傳感器按周期 pi 發(fā)送數(shù)據(jù)。9、可調(diào)度性：指網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務(wù)時限內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的幾種基本方法：協(xié)議層調(diào)度、TOD網(wǎng)絡(luò)調(diào)度協(xié)議、反饋控制實時調(diào)度。實時系統(tǒng)在確定的時間內(nèi)執(zhí)行計算或處理事務(wù)并對外部的異步事件做出響應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)。實時系統(tǒng)分類硬實時系統(tǒng)：如果一個系統(tǒng)未能在指定時間內(nèi)就某一事件做出響應(yīng)而失敗，則該失敗被認(rèn)為是一種全面的系統(tǒng)失敗。一般用于航天系統(tǒng)或核反應(yīng)堆系統(tǒng)，系統(tǒng)較復(fù)雜。/軟實時系統(tǒng)：系統(tǒng)對某些任務(wù)的響應(yīng)時間允許一定程度上的超時限，而不會導(dǎo)致系統(tǒng)的失敗。大多數(shù)系統(tǒng)都屬于軟實時系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常是軟實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)區(qū)別于一般系統(tǒng)通用系統(tǒng)一般追求的是系統(tǒng)的

28、平均響應(yīng)時間和用戶使用系統(tǒng)的方便，而實時系統(tǒng)主要考慮的是系統(tǒng)在最壞情況下的紫銅行為。實時系統(tǒng)特點時間約束性、可預(yù)測性、可靠性、與外部環(huán)境的交互作用性 核心實時調(diào)度。實時調(diào)度算法特征硬實時與軟實時、搶優(yōu)與非搶優(yōu)、動態(tài)與靜態(tài)、集中與分布調(diào)度給定一組實時任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個任務(wù)何時何地執(zhí)行的整個過程。實時調(diào)度在確定的時間內(nèi)執(zhí)行計算或處理事務(wù)并對外部的異步事件做出響應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)。也可稱為CPU（處理器）調(diào)度算法，基本上分為兩類：靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與實時調(diào)度比較相同點：都有共享資源的限制。/實時系統(tǒng)：多個任務(wù)不能同時使用CPU的計算資源/網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：多數(shù)據(jù)共用一條網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)/不同點：實時

29、系統(tǒng)：調(diào)度是可以搶優(yōu)的/網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：調(diào)度是可以非搶優(yōu)的RM算法 一組n個相互獨立、可搶優(yōu)的實時周期任務(wù)，用RM算法的可調(diào)度條件為任務(wù)的總占有率U滿足如下不等式： 例子：兩個并發(fā)的周期實時任務(wù)，執(zhí)行時間為c1=c2=3ms，任務(wù)周期為h1=4ms，h2=6ms，任務(wù)時限d1=h1，d2=h2。計算RM算法的可調(diào)度性。解：任務(wù)的占有率為：RM算法的可調(diào)度條件可知用RM算法不可調(diào)度。NCS的RM調(diào)度算法: 一組n個相互獨立、非搶優(yōu)的實時周期任務(wù)（其優(yōu)先級按下標(biāo)值遞減，下標(biāo) i 為1任務(wù)的優(yōu)先級最高，下標(biāo) i 為N任務(wù)的優(yōu)先級最低），其可調(diào)度條件為對于所有的 都滿足如下不等式：例子：同樣對于例 5.1，

30、對于任務(wù)1，即i=1，應(yīng)用非搶優(yōu)RM可調(diào)度定理，有對于任務(wù)2，即i=2，應(yīng)用非搶優(yōu)RM可調(diào)度定理，有由非搶優(yōu)RM算法的可調(diào)度條件可知：用非搶優(yōu)RM算法不可調(diào)度。EDF算法：一組n個相互獨立的實時周期任務(wù)，用EDF算法的可調(diào)度條件為任務(wù)的總占有率U滿足 其中 ci 為任務(wù)所需的執(zhí)行時間，hi 為任務(wù)的周期例子：兩個并發(fā)的周期實時任務(wù)，執(zhí)行時間為c1=c2=3ms，任務(wù)周期為h1=6ms，h2=4ms，任務(wù)時限d1=h1，d2=h2。計算EDF算法的可調(diào)度性。解：任務(wù)的占有率為： 不可調(diào)度與RM算法比較，此時任務(wù)1獲得了更多的資源，即EDF算法對資源的分配更加均衡。/由于軟實時系統(tǒng)在某種程度上能夠

31、承受部分的任務(wù)超過時限的要求，因此EDF算法的均衡調(diào)度對于軟實時系統(tǒng)任務(wù)的保證是很重要的。NCS的EDF令 為有n個任務(wù)的任務(wù)集，其中 是一系列按周期非遞減順序排列的周期性任務(wù)，ci 為任務(wù)Ti 的最長執(zhí)行時間，hi 為任務(wù)Ti 的周期，di = hi 為任務(wù)Ti 的時限，則當(dāng)且僅當(dāng)以下條件成立，T 在非搶優(yōu)EDF調(diào)度算法下可調(diào)度：例子：設(shè)實時系統(tǒng)中有如下4個任務(wù)，任務(wù)的時間屬性如表 di = hi 判斷是 否可調(diào)度：解：令 處理器利用率：表2中給出了 取不同值時任務(wù)集的時間需求關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可以看出， i 取值不同時，均滿足可調(diào)度條件。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計1）NCS是由網(wǎng)絡(luò)和控

32、制組成的控制系統(tǒng)，其閉環(huán)性能不僅依賴于控制算法的設(shè)計，還依賴于對網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)度。2）合適的傳輸協(xié)議和調(diào)度策略可以保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。3）NCS中的采樣周期同時涉及控制與調(diào)度兩個方面，因此，綜合考慮控制與網(wǎng)絡(luò)調(diào)度兩個方面指標(biāo)的NCS中采樣周期的優(yōu)化選擇，就是調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計的一個基本的途徑。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）是模擬人腦思維方式的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)代生物學(xué)研究人腦組織成果的基礎(chǔ)上提出的，用來模擬人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和行為。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反映了人腦功能的基本特征，如并行信息處理、學(xué)習(xí)、聯(lián)想、模式分類、記憶等。(發(fā)展經(jīng)歷4個階段-啟蒙期（1890-1969年）、低潮期（1969-19

33、82）、復(fù)興期（1982-1986）、新連接機(jī)制時期（1986-現(xiàn)在）) 神經(jīng)元由三部分構(gòu)成1）細(xì)胞體（主體部分）：包括細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜和細(xì)胞核2）樹突：用于為細(xì)胞體傳入信息3）軸突：為細(xì)胞體傳出信息，其末端是軸突末梢，含傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)4）突觸：是神經(jīng)元之間的接口（104105個/每個神經(jīng)元）。 通過樹突和軸突，神經(jīng)元之間實現(xiàn)了信息的傳遞。神經(jīng)元具有如下功能興奮與抑制：如果傳入神經(jīng)元的沖動經(jīng)整和后使細(xì)胞膜電位升高，超過動作電位的閾值時即為興奮狀態(tài)，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，由軸突經(jīng)神經(jīng)末梢傳出。如果傳入神經(jīng)元的沖動經(jīng)整和后使細(xì)胞膜電位降低，低于動作電位的閾值時即為抑制狀態(tài)，不產(chǎn)生神經(jīng)沖動。/學(xué)習(xí)與遺忘：

34、由于神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的可塑性，突觸的傳遞作用可增強(qiáng)和減弱，因此神經(jīng)元具有學(xué)習(xí)與遺忘的功能。決定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型性能三大要素為1)神經(jīng)元（信息處理單元）的特性2)神經(jīng)元之間相互連接的形式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3)為適應(yīng)環(huán)境而改善性能的學(xué)習(xí)規(guī)則。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可分為兩種形式1）前向網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元分層排列，組成輸入層、隱含層和輸出層。每一層的神經(jīng)元只接受前一層神經(jīng)元的輸入。輸入模式經(jīng)過各層的順次變換后，由輸出層輸出。在各神經(jīng)元之間不存在反饋。感知器和誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)采用前向網(wǎng)絡(luò)形式。2)反饋網(wǎng)絡(luò)該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在輸出層到輸入層存在反饋，即每一個輸入節(jié)點都有可能接受來自外部的輸入和來自輸出神經(jīng)元的反饋。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是

35、一種反饋動力學(xué)系統(tǒng)，它需要工作一段時間才能達(dá)到穩(wěn)定。Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是反饋網(wǎng)絡(luò)中最簡單且應(yīng)用最廣泛的模型，它具有聯(lián)想記憶的功能3) 自組織網(wǎng)Kohonen網(wǎng)絡(luò)是最典型的自組織網(wǎng)絡(luò)。Kohonen認(rèn)為，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在接受外界輸入時，網(wǎng)絡(luò)將會分成不同的區(qū)域，不同區(qū)域具有不同的響應(yīng)特征，即不同的神經(jīng)元以最佳方式響應(yīng)不同性質(zhì)的信號激勵，從而形成一種拓?fù)湟饬x上的特征圖，該圖實際上是一種非線性映射。這種映射是通過無監(jiān)督的自適應(yīng)過程完成的，所以也稱為自組織特征圖.Kohonen網(wǎng)絡(luò)通過無導(dǎo)師的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行權(quán)值的學(xué)習(xí)，穩(wěn)定后的網(wǎng)絡(luò)輸出就對輸入模式生成自然的特征映射，從而達(dá)到自動聚類的目的。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)

36、習(xí)算法有多種按有無導(dǎo)師分類，可分為有教師學(xué)習(xí)、無教師學(xué)習(xí)和再勵學(xué)習(xí)等幾大類在有教師的學(xué)習(xí)方式中，網(wǎng)絡(luò)的輸出和期望的輸出（即教師信號）進(jìn)行比較，然后根據(jù)兩者之間的差異調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，最終使差異變小。在無教師的學(xué)習(xí)方式中，輸入模式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)按照一預(yù)先設(shè)定的規(guī)則（如競爭規(guī)則）自動調(diào)整權(quán)值，使網(wǎng)絡(luò)最終具有模式分類等功能。再勵學(xué)習(xí)是介于上述兩者之間的一種學(xué)習(xí)方式。最基本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則是一種聯(lián)想式學(xué)習(xí)算法。生物學(xué)家D.O.Hebbian基于對生物學(xué)和心理學(xué)的研究，認(rèn)為兩個神經(jīng)元同時處于激發(fā)狀態(tài)時，它們之間的連接強(qiáng)度將得到加強(qiáng)，這一論述的數(shù)學(xué)描述被稱為Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，即 其中，

37、為連接從神經(jīng)元 Uj 到神經(jīng)元Ui的當(dāng)前權(quán)值， 和 為神經(jīng)元的激活水平。/Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則是一種無教師的學(xué)習(xí)方法，它只根據(jù)神經(jīng)元連接間的激活水平改變權(quán)值，因此，這種方法又稱為相關(guān)學(xué)習(xí)或并聯(lián)學(xué)習(xí)。Delta（）學(xué)習(xí)規(guī)則（誤差修正規(guī)則）假設(shè)誤差準(zhǔn)則函數(shù)為：其中， 代表期望的輸出（教師信號）； 為網(wǎng)絡(luò)的實際輸出， ； 為網(wǎng)絡(luò)所有權(quán)值組成的向量： 為輸入模式： 其中訓(xùn)練樣本數(shù)為 。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的目的是通過調(diào)整權(quán)值W，使誤差準(zhǔn)則函數(shù)最小。權(quán)值的調(diào)整采用梯度下降法來實現(xiàn)，其基本思想是沿著E的負(fù)梯度方向不斷修正W值，直到E達(dá)到最小。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中 令 則： W的修正規(guī)則 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個特征1）能

38、逼近任意非線性函數(shù)2）信息的并行分布式處理與存儲3) 可以多輸入、多輸出4）便于用超大規(guī)模集成電路（VISI）或光學(xué)集成電路系統(tǒng)實現(xiàn)，或用現(xiàn)有的計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)5）能進(jìn)行學(xué)習(xí)，以適應(yīng)環(huán)境的變化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究領(lǐng)域1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識 將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為被辨識系統(tǒng)的模型，可在已知常規(guī)模型結(jié)構(gòu)的情況下，估計模型的參數(shù)。 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性、非線性特性，可建立線性、非線性系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)、逆動態(tài)及預(yù)測模型，實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的建模和辨識。 2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為實時控制系統(tǒng)的控制器，對不確定、不確知系統(tǒng)及擾動進(jìn)行有效的控制，使控制系統(tǒng)達(dá)到所要求的動態(tài)、靜態(tài)特性。 3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他算法

39、相結(jié)合將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)、模糊邏輯、遺傳算法等相結(jié)合，可設(shè)計新型智能控制系統(tǒng) 4) 優(yōu)化計算 在常規(guī)的控制系統(tǒng)中，常遇到求解約束優(yōu)化問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為這類問題的解決提供了有效的途徑。 目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已經(jīng)在多種控制結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，如PID控制、模型參考自適應(yīng)控制、前饋反饋控制、內(nèi)?？刂啤㈩A(yù)測控制、模糊控制等。單神經(jīng)元模型可描述為 通常情況下，取 即 常用的神經(jīng)元非線性特性有以下四種 閾值型分段線性型 Sigmoid函數(shù)型 誤差反向傳播的BP算法簡稱BP算法，其基本思想是梯度下降法。它采用梯度搜索技術(shù)，以期使網(wǎng)絡(luò)的實際輸出值與期望輸出值的誤差均方值為最小。BP網(wǎng)絡(luò)特點1）是一種多層網(wǎng)絡(luò)，包括輸

40、入層、隱含層和輸出層2）層與層之間采用全互連方式，同一層神經(jīng)元之間不連接3）權(quán)值通過學(xué)習(xí)算法進(jìn)行調(diào)節(jié)4）神經(jīng)元激發(fā)函數(shù)為S函數(shù)5）學(xué)習(xí)算法由正向傳播和反向傳播組成6）層與層的連接是單向的，信息的傳播是雙向的。BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 含一個隱含層的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7-5所示，圖中 為輸入層神經(jīng)元， J為隱層神經(jīng)元， K 為輸出層神經(jīng)元。 BP網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)BP算法的學(xué)習(xí)過程由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播過程中，輸入信息從輸入層經(jīng)隱層逐層處理，并傳向輸出層，每層神經(jīng)元（節(jié)點）的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)至反向傳播，將誤差信號（理想輸出與實際輸出

41、之差）按聯(lián)接通路反向計算，由梯度下降法調(diào)整各層神經(jīng)元的權(quán)值，使誤差信號減小。 BP網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點1）只要有足夠多的隱層和隱層節(jié)點，BP網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意的非線性映射關(guān)系2）BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法屬于全局逼近算法，具有較強(qiáng)的泛化能力。3）BP網(wǎng)絡(luò)輸入輸出之間的關(guān)聯(lián)信息分布地存儲在網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)中，個別神經(jīng)元的損壞只對輸入輸出關(guān)系有較小的影響，因而BP網(wǎng)絡(luò)具有較好的容錯性。BP網(wǎng)絡(luò)的主要缺點1）待尋優(yōu)的參數(shù)多，收斂速度慢2）目標(biāo)函數(shù)存在多個極值點，按梯度下降法進(jìn)行學(xué)習(xí)，很容易陷入局部極小值3）難以確定隱層及隱層節(jié)點的數(shù)目。目前，如何根據(jù)特定的問題來確定具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尚無很好的方法，仍需根據(jù)經(jīng)驗來試湊。由于BP

42、網(wǎng)絡(luò)具有很好的逼近非線性映射的能力，該網(wǎng)絡(luò)在模式識別、圖像處理、系統(tǒng)辨識、函數(shù)擬合、優(yōu)化計算、最優(yōu)預(yù)測和自適應(yīng)控制等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用/由于BP網(wǎng)絡(luò)具有很好的逼近特性和泛化能力，可用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計。但由于BP網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢，難以適應(yīng)實時控制的要求。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有單隱層的三層前饋網(wǎng)絡(luò)。由于它模擬了人腦中局部調(diào)整、相互覆蓋接收域（或稱感受野-Receptive Field）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此，RBF網(wǎng)絡(luò)是一種局部逼近網(wǎng)絡(luò)，已證明它能任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)。RBF網(wǎng)絡(luò)特點1) RBF網(wǎng)絡(luò)的作用函數(shù)為高斯函數(shù)，是局部的，BP網(wǎng)絡(luò)的作用函數(shù)為S函數(shù)，是全局的2) 如何確定RBF網(wǎng)絡(luò)隱

43、層節(jié)點的中心及基寬度參數(shù)是一個困難的問題3) 已證明RBF網(wǎng)絡(luò)具有唯一最佳逼近的特性，且無局部極小。RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)RBF網(wǎng)絡(luò)是一種三層前向網(wǎng)絡(luò)，由于輸入到輸出的映射是非線性的，而隱含層空間到輸出空間的映射是線性的，從而可以大大加快學(xué)習(xí)速度并避免局部極小問題。 對角回歸型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DRNN）是具有反饋的動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠更直接更生動地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，它在BP網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過存儲內(nèi)部狀態(tài)使其具備映射動態(tài)特征的功能，從而使系統(tǒng)具有適應(yīng)時變特性的能力，DRNN網(wǎng)絡(luò)代表了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模和控制的方向。DRNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) DRNN網(wǎng)絡(luò)是一種三層前向網(wǎng)絡(luò)，其隱含層為回歸層。正向傳播是輸入信號從

44、輸入層經(jīng)隱層傳向輸出層，若輸出層得到了期望的輸出，則學(xué)習(xí)算法結(jié)束；否則，轉(zhuǎn)至反向傳播。反向傳播就是將誤差信號（理想輸出與實際輸 出之差）按聯(lián)接通路反向計算，由梯度下降法調(diào)整各層神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，使誤差信號減小。 模糊控制的特點模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的。對于一個熟練的操作人員，他往往憑借豐富的實踐經(jīng)驗，采取適當(dāng)?shù)膶Σ邅砬擅畹乜刂埔粋€復(fù)雜過程。若能將這些熟練操作員的實踐經(jīng)驗加以總結(jié)和描述，并用語言表達(dá)出來，就會得到一種定性的、不精確的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)學(xué)將其定量化就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，形成模糊控制理論。模糊控制理論具有一些明顯的特點1）模糊控制不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以

45、人對被控對象的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計的控制器，故無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。2）模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法3）模糊控制易于被人們接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，模糊規(guī)則是用語言來表示的，如“今天氣溫高，則今天天氣暖和”，易于被一般人所接受。4）構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)則易于軟件實現(xiàn)5）魯棒性和適應(yīng)性好。通過專家經(jīng)驗設(shè)計的模糊規(guī)則可以對復(fù)雜的對象進(jìn)行有效的控制。 模糊集合是模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。(隸屬度)隸屬函數(shù)的確定方法模糊統(tǒng)計法、主觀經(jīng)驗法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法模糊控制原理模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能

46、控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過于復(fù)雜，這是人們在設(shè)計模糊控制系統(tǒng)時，多數(shù)采用二維控制器的原因。模糊控制的應(yīng)用在家電中的應(yīng)用1)模糊電視機(jī)2) 模糊空調(diào)3) 模糊微波爐4) 模糊洗衣機(jī)5) 模糊電動剃刀,在過程控制中的應(yīng)用1)工業(yè)爐2)石化3)煤礦4)食品加工行業(yè)模糊控制的發(fā)展方向Fuzzy-PID復(fù)合控制、自適應(yīng)模糊控制、專家模糊控制、神經(jīng)模糊控制、多變量模

47、糊控制。交運算算子設(shè)C=AB，有三種模糊算子：模糊交算子代數(shù)積算子有界積算子并運算算子設(shè)C=AB，有三種模糊算子：模糊并算子概率或算子有界和算子平衡算子當(dāng)隸屬函數(shù)取大、取小運算時，不可避免地要丟失部分信息，采用一種平衡算子，即“算子”可起到補(bǔ)償作用。 設(shè)C=AoB，則 取值為0，1。 當(dāng)=0時，相當(dāng)于AB時的算子。當(dāng)=1時， ，相當(dāng)于AB時的算子。例3-10 設(shè) 例 3-11 設(shè)則A和B的合成為： 其中 例3-9 設(shè)論域x=a1，a2，a3，y=b1，b2，b3，z=c1，c2，c3，已知 ， 。試確定“If A AND B then C”所決定的模糊關(guān)系R，以及輸入為 , 時的輸出C1。解：

48、AB=將AB矩陣擴(kuò)展成如下列向量(AB)T1=R=(AB)T1C= =當(dāng)輸入為A1和B1時，有: (A1B1)= 將A1B1矩陣擴(kuò)展成如下行向量(AB)T2=最后得: C1=即：C1= 模糊關(guān)系方程概念 可分為兩種情況討論 1）已知輸入A和模糊關(guān)系R，求輸出B，這是綜合評判，即模糊變換問題。2）已知輸入A和輸出B，求模糊關(guān)系R，或已知模糊關(guān)系R和輸出B，求輸入A，這是模糊綜合評判的逆問題，需要求解模糊關(guān)系方程。例3.10 解方程解： 由方程得 顯然三個括弧內(nèi)的值都不可能超過0.4。由于 是顯然的，因此 x2可以取0,1的任意值，即x2=0,1?，F(xiàn)在只考慮：(1) 設(shè)0.6x1=0.4，0.4x

49、30.4則 ，即方程的解為 (2) 設(shè)0.6x10.4，0.4x3=0.4，則即方程的解為 作業(yè)題1在非實時系統(tǒng)中，調(diào)度的主要目的是減小系統(tǒng)平均響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)資源利用率，或優(yōu)化某一項指標(biāo)；而實時調(diào)度的目的則是要盡可能的保證每個任務(wù)滿足他們的時間約束，及時對外部請求做出響應(yīng)。2網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和CPU調(diào)度之間有著很大的相似性即他們都有共享資源的限制。在CPU調(diào)度中，多個任務(wù)不能同時使用CPU的計算資源；而網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的資源約束在于多數(shù)據(jù)共用一條傳輸介質(zhì)，在分時傳輸方式下一次只能傳輸一個數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和CPU調(diào)度之間的不同之處在于CPU調(diào)度是可以搶優(yōu)的，即正在執(zhí)行的任務(wù)會被后到的優(yōu)先級跟高的任務(wù)所中斷；

50、而網(wǎng)絡(luò)調(diào)度是不可搶優(yōu)的，即數(shù)據(jù)包傳輸一旦開始，就不能被其他高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包所中斷，直到傳輸結(jié)束。3目前應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法主要有4種1）借用CPU調(diào)度方法 目前借用單處理器的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法主要有兩種：a）靜態(tài)調(diào)度：對于調(diào)度算法而言，各任務(wù)的發(fā)送規(guī)則是事先確定的，如時限、計算時間、優(yōu)先權(quán)關(guān)系、任務(wù)釋放時間等。以RM（Rate Monotonic）算法及其衍生算法為代表。b）動態(tài)調(diào)度：任務(wù)的時間約束關(guān)系并沒有完全確定，新任務(wù)的到達(dá)時間是未知的，在網(wǎng)絡(luò)資源充足的環(huán)境下，系統(tǒng)仍然能夠保證所有的任務(wù)時限。以EDF（Earliest Deadline First）算法及其衍生算法為代表。2）設(shè)計網(wǎng)絡(luò)調(diào)度協(xié)議

51、 借鑒單處理器動態(tài)調(diào)度的思想，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，設(shè)計開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則。其特點是在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)優(yōu)化調(diào)度。典型方法是Walsh等人提出的一種給時間關(guān)鍵信息動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源的TOD(try-once-discard)協(xié)議。3）調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計 指在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計中，將系統(tǒng)控制與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化統(tǒng)一考慮，研究在滿足系統(tǒng)控制指標(biāo)條件下的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法，以及同時滿足系統(tǒng)控制指標(biāo)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度性的采樣周期的選擇方法。4）反饋控制實時調(diào)度 一般實時調(diào)度算法是一種開環(huán)調(diào)度算法，即一旦調(diào)度確立，就不能根據(jù)連續(xù)的反饋來進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。反饋控制實時調(diào)度指將反饋控制的思想應(yīng)用到

52、實時調(diào)度算法中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)反饋回來的信息來調(diào)節(jié)任務(wù)或調(diào)度器的參數(shù)，從而有效地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸性能4根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)的時間延遲特性，網(wǎng)絡(luò)可分為三類:隨即網(wǎng)絡(luò)、有界網(wǎng)絡(luò)、常值網(wǎng)絡(luò)5網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究內(nèi)容 1）對網(wǎng)絡(luò)的控制(Control of Network)：對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量等的調(diào)度與控制，是對網(wǎng)絡(luò)自身的控制, 其目的是為了提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS, Quality of Service）2）通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制（Control through Network）：指控制系統(tǒng)的各節(jié)點（傳感器、控制器、執(zhí)行器等）之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接并傳輸數(shù)據(jù)，針對網(wǎng)絡(luò)的不確定特性，通過設(shè)計先進(jìn)的控制算法來提高整個網(wǎng)

53、絡(luò)控制系統(tǒng)的質(zhì)量（QoP, Quality of control Performance）.(1)常規(guī)PID控制器：理想模擬PID控制器的為：式中，KP 為比例系數(shù)，KI 為積分系數(shù)，KD 為微分系數(shù)。采用雙線性變換法，將上式離散化，得到：其中 h 為采樣周期。于是得到位置式PID控制器：增量式或速度式PID控制器：（2）NCS局部模糊自適應(yīng)PI控制器 ：設(shè)計原理：1）按照沒有網(wǎng)絡(luò)的影響設(shè)計控制器2）在PID控制器的輸出增加一個可調(diào)參數(shù)，相當(dāng)于對PID控制參數(shù)同時進(jìn)行適應(yīng)性修正。FC采用了一維模糊控制器，其中輸入是系統(tǒng)輸入和對象輸出的偏差 e，輸出是 ，控制規(guī)則選用Takagi-Sugeno模糊規(guī)則。輸入變量e和輸出變量 的隸屬度函數(shù)如下：模糊控制規(guī)則如下if e is Small, then if e is Large, then 其中 ，i=1,2 是和 對應(yīng)的跟隨參數(shù)。 解模糊采用加權(quán)平均法：則PI控制器的輸出為跟隨參數(shù)的調(diào)整用最速下降算法：其中： 是下降速率， h 為采樣周期。（3）NCS 的Smith 預(yù)估控制設(shè)計原理:1.在系統(tǒng)的反饋回路中引入補(bǔ)償裝置，將控制