網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與分散能控

1、分類(lèi)號(hào) 密級(jí) UDC學(xué) 位 論 文網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與分散能控作者姓名：王婷指導(dǎo)教師：張慶靈 教授東北大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)研究所學(xué)科類(lèi)別：理學(xué) 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士學(xué)科專業(yè)名稱：運(yùn)籌學(xué)與控制論論文提交日期：2008年1月5日學(xué)位授予日期：評(píng)論文答辯日期：2008年1月12日 年 月 日答辯委員會(huì)主席：劉萬(wàn)泉 邢偉 王文濤 閱人：東 北 大 學(xué)2008年1月A Thesis in Operational Reacher and CyberneticsThe Modeling and Decentralized Control forNetworked Control Systemsby Wang Ting

2、Supervisor: Professor Zhang QinglingNortheastern UniversityJanuary 2008獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：日 期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱

3、和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。（如作者和導(dǎo)師不同意網(wǎng)上交流，請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?；否則視為同意。）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 簽字日期：- I -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與分散能控摘 要隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大以及網(wǎng)絡(luò)軟硬件成本的下降，控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。集合著某個(gè)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)傳感器、控制器、執(zhí)行器及通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Network Control Systems）是一種分布式、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，并可以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使該區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的用戶實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作。由于NCS屬于一種徹

4、底的分布式控制結(jié)構(gòu)，因此它具有系統(tǒng)連線少、可靠性高、易于系統(tǒng)擴(kuò)展以及能夠?qū)崿F(xiàn)信息資源的共享等優(yōu)點(diǎn)。NCS在具備多重優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，有限的數(shù)據(jù)傳輸率（Limited Data Rate）也使得控制系統(tǒng)中也存在著諸如隨機(jī)的信息傳輸延遲、信息包的丟失、多通道傳輸結(jié)構(gòu)造成的額外的系統(tǒng)復(fù)雜性等問(wèn)題。本文結(jié)合著近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)線性系統(tǒng)、周期時(shí)變系統(tǒng)、時(shí)滯系統(tǒng)及NCS本身的一些成果，基于廣義系統(tǒng)的被控對(duì)象，建立了傳感器為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，控制器和執(zhí)行器為事件驅(qū)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)時(shí)滯網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。圍繞建立的模型，給出了它的分散固定模并討論了分散能控性。并且通過(guò)舉例驗(yàn)證了上述研究成果的有效性和可行性。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；

5、網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)滯；廣義系統(tǒng)；分散固定模；分散能控性。- II -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 Abstract The Modeling and Decentralized Control for Networked ControlSystemsAbstractWith the boosting of control system scale and the decrease in network hardware and software cost, control network has witnessed a rapid growth in its applications. Integrating

6、 sensors, controllers, actuators as well as communication networks, networked and real-time feedback control system, which provides communication between control equipment and thus makes possible the resource sharing and coordinated operation among distributed users. Due to its distributed structure

7、, NCS features many advantages such as simple cabling, easer upgrading, greater reliability and information sharing.Meanwhile，the limited data rate over the network also introduces many problems into the control system，such as random transportation delay，data-package dropping，extra system complexity

8、 due to the decentralized structure etc.In this paper, some recent results in linear system, periodically time-varying(or PTV)systems, time-delay system as well as NCS itself are further discussed and further extended. The mathematic model of networked control systems with long network-induced delay

9、 is set up based on the controlled process that is singular system when the sensor is time driven, the controller and the actuator are event driven. According to the given model, we give the fixed modes and discuss decentralized control about the case. An example is given on how the theorem can be a

10、pplied.Key words: networked control systems; networked-induced delay; singular system; decentralized control; fixed modes in the decentralized control system.- III -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄目 錄摘 要.II ABSTRACT.III 目 錄.IV第一章 緒 論.11.1 網(wǎng)絡(luò)控制的簡(jiǎn)介.11.1.1 網(wǎng)絡(luò)控制含義.11.1.2 網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展歷程.21.1.3 NCS的研究目的和意義.51.1.4 優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用領(lǐng)域.61.1.5

11、 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).71.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)描述.71.2.1 NCS的結(jié)構(gòu).71.2.2 NCS中存在的問(wèn)題.91.2.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究狀況.101.2.3.1 具有時(shí)變傳輸周期的NCS.101.2.3.2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度.101.2.3.3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延.111.2.3.4 單包和多包的數(shù)據(jù)傳送和丟包問(wèn)題.121.3 存在的不足和本文的主要研究工作.121.3.1 存在的不足.121.3.2 本文的研究工作.13第二章 背景知識(shí).142.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述.142.1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義.142.1.2 計(jì)算機(jī)的形成與發(fā)展.142.1.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi).152.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu).162

12、.2.1 基本概念.162.2.2 開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型.172.2.3 TCP/IP協(xié)議.172.2.4 IEEE 802 LAN標(biāo)準(zhǔn).182.3 控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù).192.3.1 以太網(wǎng)技術(shù).19- IV -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄2.3.1.1 以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介.192.3.1.2 以太控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用.202.3.2 令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)技術(shù).202.3.2.1 令牌環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).202.3.2.2 令牌總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).212.3.3 控制器局域網(wǎng)技術(shù).212.3.4 ATM交換網(wǎng)絡(luò).222.3.5 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù).222.4 廣義系統(tǒng).232.4.1 廣義系統(tǒng)模型.232.4.2 系統(tǒng)正則性.23

13、2.4.3 廣義系統(tǒng)的等價(jià)形式.242.5 節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式.242.6 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延.25第三章 模型的建立.263.1 長(zhǎng)時(shí)延NCS的建模.263.2 控制器和執(zhí)行器為事件驅(qū)動(dòng)時(shí)滯NCS模型.27第四章 分散固定模.314.1 預(yù)備知識(shí).314.1.1 分散固定模的定義.314.1.2 分散固定模的算法.324.1.3 固定模的代數(shù)特征.334.2 NCS模型的分散固定模.344.3 算例.37第五章 分散能控（觀）性.405.1 R-分散能控（觀）性.405.2 模型的分散能控(觀)性.415.3 算例.44第六章 總結(jié)與展望.466.1 本文主要成果.466.2 研究展望.46參考文獻(xiàn).

14、47致 謝.49- V -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論第一章 緒 論“Network Control Systems”上世紀(jì)90年代被提出以后，作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)學(xué)科得到了廣泛的關(guān)注和研究，并且取得了一些較新的研究成果。NCS作為控制科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)的交叉學(xué)科，其設(shè)計(jì)的內(nèi)容十分廣泛，研究的成果可用性非常強(qiáng)，工程背景和理論基礎(chǔ)要求非常高，因此是一門(mén)有很大發(fā)展前途的學(xué)科。隨著電子、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，智能化傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的誕生奠定了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS,Networked Control Systems）的物質(zhì)基礎(chǔ)，高速以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展和成功應(yīng)用解決了NCS的可

15、靠性和開(kāi)放性問(wèn)題，推動(dòng)了NCS在航空航天、設(shè)備制造、過(guò)程控制、交通控制、經(jīng)濟(jì)管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及危險(xiǎn)、特殊環(huán)境等控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。NCS是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將分布于不同地理位置的傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，形成閉環(huán)的一種全分布式實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)?？刂破魍ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交換信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程被控對(duì)象的控制。NCS的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程分布控制，系統(tǒng)構(gòu)建模塊化、集成化、成本低，故障診斷和維護(hù)方便、易擴(kuò)展、靈活性強(qiáng)1。NCS充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化及節(jié)點(diǎn)智能化的發(fā)展趨勢(shì)。然而，由于通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限且為系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)所共享，當(dāng)傳感器、控制器和執(zhí)行器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)

16、據(jù)多路徑傳輸、多包傳輸、數(shù)據(jù)碰撞、網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)連接中斷等現(xiàn)象是不可避免的，這使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)生一些亟待研究和解決的特殊問(wèn)題：不確定的數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)變傳輸周期、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包時(shí)序錯(cuò)亂、多率采樣、節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式、時(shí)鐘同步方式、信息調(diào)度算法、空采樣和通信網(wǎng)絡(luò)擁塞等。這些問(wèn)題往往使得NCS喪失定常性、完整性、因果性和確定性。傳統(tǒng)的控制理論已不能直接用于NCS的分析和設(shè)計(jì)，必須針對(duì)NCS的特性，重新評(píng)估和建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制理論和控制方法。1.1 網(wǎng)絡(luò)控制的簡(jiǎn)介1.1.1 網(wǎng)絡(luò)控制含義NCS（Networked Control Systems），最早出現(xiàn)于馬里蘭大學(xué)G.C.Walsh

17、等人的論著- 1 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 中，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有給出“網(wǎng)絡(luò)控制”明確的概念定義，只是用圖示說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，指出NCS中控制器與傳感器通過(guò)串行通信形成閉環(huán)。目前“網(wǎng)絡(luò)控制”的含義有兩種解釋：一種是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制（Control of Network）；另一種是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的控制（Control Through Network）。兩種含義都離不開(kāi)“控制”和“網(wǎng)絡(luò)”，只是兩者所側(cè)重的對(duì)象不同。前者是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由，網(wǎng)絡(luò)流量等的調(diào)度與控制，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)自身的控制，可以利用運(yùn)籌學(xué)，組合數(shù)學(xué)，圖論和控制理論的方法來(lái)研究和實(shí)現(xiàn)；后者是指控制系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)（傳感器，執(zhí)行器和控制器）

18、之間的數(shù)據(jù)傳輸不是傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸?shù)?，是一種分布式的控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以資源共享，系統(tǒng)構(gòu)建經(jīng)濟(jì)，易擴(kuò)充，維護(hù)方便，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，迅速?gòu)V泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。1.1.2 網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展歷程微電子技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)，單元部件和控制技術(shù)方面的一系列變革，形成了以計(jì)算機(jī)控制為核心，涵蓋集散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)等各種體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)新體系。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制方式，先后經(jīng)歷了集中數(shù)字控制，中小型計(jì)算機(jī)共同作用的分層遞階控制，集散控制以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制等控制方式，20世紀(jì)90年代

19、又開(kāi)始了以太網(wǎng)在工業(yè)控制上的廣泛應(yīng)用和研究。DCS控制體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生使這種趨勢(shì)變的更加明顯和具體，以太網(wǎng)在工業(yè)上的應(yīng)用和研究使得控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)化和集成化。以太網(wǎng)在工業(yè)控制上的廣泛應(yīng)用，使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)化和集成化，也為尋求高性能低成本的控制方案展示了方向。集散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著控制系統(tǒng)正向著網(wǎng)絡(luò)化，集成化，分布化和節(jié)點(diǎn)智能化的方向發(fā)展。（1）集散控制系統(tǒng)20世紀(jì)70年代中期，集散控制系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。集散型控制系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中管理和分散控制的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)（Computer）、通信

20、（Communication）、CRT顯示和控制（Control）等技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)物。集散控制系統(tǒng)的基本思想是“控制分散、管理集中”，“集散”，其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程- 2 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展、相互滲透的結(jié)果。集散控制系統(tǒng)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將各組成單元連接在一起，因此，它的發(fā)展與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系。隨著4C技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，集散型控制系統(tǒng)已在世界各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家不斷涌現(xiàn)，各國(guó)主要的自動(dòng)化儀表公司都開(kāi)發(fā)了自己的DCS系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的集中式

21、控制系統(tǒng)相比，集散控制系統(tǒng)具有自主性、協(xié)調(diào)性、友好性、在線性、可靠性、風(fēng)險(xiǎn)分散和低成本等優(yōu)勢(shì)。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的核心思想是分散控制、集中監(jiān)視、分級(jí)管理。雖然它在一定程度上克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷，但其一對(duì)一的結(jié)果導(dǎo)致布線量大、布線種類(lèi)多、工程周期長(zhǎng)、安裝費(fèi)用高和維護(hù)困難等問(wèn)題。此外，由于其采用單向模擬信號(hào)傳輸，可靠性和互操作性差，有時(shí)回使現(xiàn)成設(shè)備處于失控狀態(tài)。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表等設(shè)備進(jìn)行互連與通信，形成的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。開(kāi)放性、分布化和低成本是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)，它可以很好地

22、解決集散控制系統(tǒng)存在的缺陷問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在誕生的初期，它的主要功能是將當(dāng)時(shí)的可編程邏輯控制器（PLC）以一種較簡(jiǎn)潔的方式連接起來(lái)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)引入PLC，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)也被引入現(xiàn)場(chǎng)總線，使得現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展迅速。現(xiàn)場(chǎng)總線主要用語(yǔ)控制系統(tǒng)最底層設(shè)備與單元間的連接與通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)：（a）系統(tǒng)的開(kāi)放性。開(kāi)放是指相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相互連接。通信協(xié)議一致公開(kāi)，各個(gè)不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)發(fā)者致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，用戶可以按自己的需要和考慮，把來(lái)自不同供應(yīng)

23、商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線可以構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域開(kāi)放、互連的控制系統(tǒng)。（b）互操作性與互用性?；ゲ僮餍?，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家性能類(lèi)似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。（c）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能，分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可晚場(chǎng)自動(dòng)控制的基本功能，并- 3 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。（d）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠

24、性。（e）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端、作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足安全防爆等要求。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是未來(lái)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)以其明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的核心技術(shù)和應(yīng)用主力軍?，F(xiàn)場(chǎng)總線有如下優(yōu)點(diǎn)：（a）節(jié)省安裝費(fèi)用與維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)。（b）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝投入到正常，生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)工作簡(jiǎn)便。（c）系統(tǒng)具有高度的準(zhǔn)確性與可靠性。（d）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)，可以自由選擇不同

25、廠商提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)，用戶具有很大的主動(dòng)權(quán)。（e）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)。（3）以太網(wǎng)控制系統(tǒng)以太網(wǎng)是由DECIntel和Xerox三家公司在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)研制的。它采用的是載波監(jiān)聽(tīng)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）的多路訪問(wèn)協(xié)議。設(shè)計(jì)以太網(wǎng)的初衷是要使網(wǎng)絡(luò)中用戶間通信不局限與某一種傳輸介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜、光纖、微波等，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)用戶資源共享，因此取名為以太網(wǎng)。與目前的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：（a）技術(shù)支持廣泛。以太網(wǎng)已被使用多年，具有大量的軟、硬件資源的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。作為目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以太網(wǎng)受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，如J

26、AVAVisual C+Visual Basic等。應(yīng)用與以太網(wǎng)上層的TCP/IP協(xié)議也近成熟，絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品均提供以太網(wǎng)接口，許多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)也配備了TCP/IP協(xié)議。因此，以太網(wǎng)具有豐富的軟、硬件支持，有大量從事開(kāi)發(fā)和維護(hù)的技術(shù)人員。（b）成本低廉。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用頗為廣泛，因此受到硬件開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)廠商的高- 4 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 度重視與廣泛支持，已有多種硬件產(chǎn)品可提供用戶選擇，并且硬件價(jià)格也相對(duì)低廉。目前，以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有Profibus，F(xiàn)F等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡的1/10，而且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降。（c）通信速率高，發(fā)展迅速。以太網(wǎng)發(fā)展速

27、度為10Mbps，100Mbps及千兆以太網(wǎng)。1999年以來(lái)，IEEE802.3 HSSG（High Speed Study Group）開(kāi)始專門(mén)研究10G標(biāo)準(zhǔn)802.3ae。由于高速以太網(wǎng)的幀格式不變，使之向下兼容，升級(jí)成本低。因此，以太網(wǎng)是理想的高性能網(wǎng)絡(luò)通信載體。（d）高新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)以太網(wǎng)的發(fā)展。工業(yè)控制對(duì)數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)拇_定性、可預(yù)測(cè)性和同步性要求極為嚴(yán)格。而以太網(wǎng)采用CSMA/CD，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)要重試，是數(shù)據(jù)和命令的傳輸具有不確定性（Nondeterministic）。針對(duì)這種情況，交換式以太網(wǎng)可以使網(wǎng)絡(luò)分段，降低甚至避免碰撞，而且提供全雙工通信，使帶寬增加一倍。高速以太網(wǎng)和交換

28、式以太網(wǎng)的結(jié)合使得其在時(shí)間響應(yīng)方面的性能大大提高。由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，它的發(fā)展一直受到廣泛的關(guān)注的大量的技術(shù)投入。而且，相對(duì)其它通信網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)以太網(wǎng)具有無(wú)可比擬的適用性。以太網(wǎng)在信息網(wǎng)絡(luò)中的統(tǒng)治地位使得工業(yè)以太網(wǎng)易于實(shí)現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成；嵌入式技術(shù)的發(fā)展使得控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功能越來(lái)越強(qiáng)大，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口逐步成為標(biāo)準(zhǔn)配置，這為工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了可行性條件。1.1.3 NCS的研究目的和意義NCS是集通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的全分布式控制系統(tǒng)。在NCS中，涉及控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息論、機(jī)械電子工程、軟件工程、可靠性理論等多種學(xué)科領(lǐng)域。其中，控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息論是系統(tǒng)分析的理論基

29、礎(chǔ)，而機(jī)械電子工程、軟件工程和可靠性理論則是工程實(shí)現(xiàn)中為設(shè)計(jì)方法提供指導(dǎo)3。NCS綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式信號(hào)控制的局限性，構(gòu)成了一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)通信與控制的實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)。Murray等學(xué)者曾指出：控制、計(jì)算和通信的集成將是控制科學(xué)的一個(gè)重要的發(fā)展方向4，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)則正是這一發(fā)展方向的具體體現(xiàn)。因此，NCS的研究是一個(gè)跨越多個(gè)學(xué)科的研究領(lǐng)域，NCS的分析與設(shè)計(jì)不僅涉獵控制理論中離散、連續(xù)及混合等所有的分析方法和控制技術(shù)，還- 5 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章

30、 緒 論 要考慮通信網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸技術(shù)。NCS的性能不僅依賴于控制算法，還依賴于對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度。NCS的研究目標(biāo)既包含設(shè)計(jì)合適的通信協(xié)議以保證通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(QoS,Quality of Service)，還要設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制器以滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)(QoP,Quality of Performance)。因此，NCS的研究是既具復(fù)雜性又富含挑戰(zhàn)性的研究課題。目前，網(wǎng)絡(luò)硬件和控制設(shè)備價(jià)格的日益下降以及軟件業(yè)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用拓展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。建立和完善系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)控制理論和控制方法，是迫在眉睫的歷史重任，也是時(shí)代的需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和維護(hù)具有十分重要的意義

31、。1.1.4 優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)單元之間以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式采用專線連接，如果相鄰兩個(gè)物理單元之間的地理位置相距很遙遠(yuǎn)，則布線所需成本和費(fèi)用非常高。而改用網(wǎng)絡(luò)連接降低了系統(tǒng)電纜成本，一條總線能將很多設(shè)備連接在一起，實(shí)現(xiàn)各個(gè)結(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)；（2）系統(tǒng)更容易模塊化設(shè)計(jì)；（3）提高系統(tǒng)故障診斷速度；（4）易于維護(hù)，由于模塊化，更換模塊則可以排除故障；（5）一個(gè)故障不足以影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行3-9。為了利用這些優(yōu)點(diǎn)，許多大而復(fù)雜的系統(tǒng)都插入網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。傳感器，執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化為通信網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)更深層次的應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)

32、，而高速以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和成熟解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠性和開(kāi)放性問(wèn)題。如今，網(wǎng)絡(luò)控制已經(jīng)成功地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)器人遙控，電力生產(chǎn)，飛行器，電氣化運(yùn)輸工具（如新干線，磁懸浮列車(chē)等），遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)等。隨著通信技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)向結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化，節(jié)點(diǎn)智能化，控制現(xiàn)場(chǎng)化，功能分散化，系統(tǒng)開(kāi)放化以及產(chǎn)品集成化的成熟目標(biāo)邁進(jìn)。- 6 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論1.1.5 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為一門(mén)嶄新的學(xué)科，是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)兩個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的交叉融合，具有特殊性和復(fù)雜性。控制領(lǐng)域?qū)W者研究的內(nèi)容主要是基于一定

33、服務(wù)質(zhì)量的控制系統(tǒng)，研究系統(tǒng)的控制策略和控制技術(shù)，以期提高控制系統(tǒng)的性能；而通信領(lǐng)域?qū)W者研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)合適的通信協(xié)議和調(diào)度方法，以期提高網(wǎng)絡(luò)本身的服務(wù)質(zhì)量。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是控制與通信一體化設(shè)計(jì)。目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的技術(shù)體系和相應(yīng)的控制理論還不成熟，理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際應(yīng)用，研究網(wǎng)絡(luò)控制理論和控制方法既具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，又具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)描述1.2.1 NCS的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將分布與不用地理位置的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器連接起來(lái)，形成閉環(huán)的一種全分布式實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)?？刂破魍ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交換信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程被控對(duì)象的控制。NC

34、S不僅指?jìng)鞲衅?、?zhí)行器和控制器之間利用通信網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線進(jìn)行連接而形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，更廣泛意義上的NCS，還包括通過(guò)Internet、企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)所能實(shí)現(xiàn)的對(duì)工廠車(chē)間、生產(chǎn)線以及工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、信息傳輸以及優(yōu)化等。一般而言，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在兩種結(jié)構(gòu)：徑直結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)，如圖1.1和1.2所示。圖1.1徑直結(jié)構(gòu)的NCSFig.1.1 NCS in the direct structure- 7 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論.圖1.2分層結(jié)構(gòu)的NCSFig.1.2 NCS in the hierarchical structure在徑直結(jié)構(gòu)中，控制信號(hào)封裝在幀或報(bào)文中

35、，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到被控對(duì)象；被控對(duì)象的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)同樣以幀或數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至控制器。在實(shí)際的應(yīng)用中，多個(gè)控制器可能封裝在一個(gè)主控制單元來(lái)管理多個(gè)NCS控制回路。徑直結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用包括遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室和直流電機(jī)的速度控制等。在分層結(jié)構(gòu)中，主控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算好的參考信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)然后根據(jù)參考信號(hào)來(lái)執(zhí)行本地的閉環(huán)控制，并將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)返回給主控制器。一般而言，網(wǎng)絡(luò)化控制回路具有比本地控制回路更長(zhǎng)的采樣周期。這是因?yàn)?，遠(yuǎn)程控制器在處理新到達(dá)的參考信號(hào)之前，假定已經(jīng)滿足參考信號(hào)。與徑直結(jié)構(gòu)類(lèi)似，在分層結(jié)構(gòu)中多個(gè)控制器可能封裝在一個(gè)控制單元中來(lái)管理多個(gè)NCS控制回路。這種結(jié)

36、構(gòu)的典型應(yīng)用包括移動(dòng)機(jī)器人、遙操作系統(tǒng)、汽車(chē)控制以及航天器等。實(shí)際上，采用何種結(jié)構(gòu)往往取決于應(yīng)用的需要和設(shè)計(jì)者的方案選擇。例如在機(jī)器人應(yīng)用中，機(jī)械手往往要求多個(gè)電機(jī)在其關(guān)節(jié)處同時(shí)平滑的旋轉(zhuǎn)，這種情況下，采用分層結(jié)構(gòu)將更方便，系統(tǒng)的魯棒性也更強(qiáng)。而在直流電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制中，由于要求系統(tǒng)的性能具有快速反應(yīng)性，這個(gè)情況就偏向于采用徑直結(jié)構(gòu)。在一個(gè)大規(guī)模的NCS中，有可能同時(shí)采用兩種結(jié)構(gòu)，這是由NCS的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所決定的。如果將遠(yuǎn)程閉環(huán)系統(tǒng)抽象成主控制器的被控對(duì)象，將其建模成狀態(tài)空間模型或者傳遞函數(shù)，則分層結(jié)構(gòu)實(shí)際上可以轉(zhuǎn)換成徑直結(jié)構(gòu)。無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu)，NCS都可以用一種典型的結(jié)構(gòu)，如下圖：- 8 -

37、東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論圖1.3 NCS的結(jié)構(gòu)Fig.1.3 The structure of NCS1.2.2 NCS中存在的問(wèn)題網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也存在很多問(wèn)題。反饋控制環(huán)中通訊網(wǎng)絡(luò)的嵌入使得系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。常規(guī)的控制理論具有許多理想假設(shè)，如等間隔采樣、同步控制、無(wú)延遲測(cè)量和執(zhí)行，特別的，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，需要明確以下幾個(gè)基本問(wèn)題：（1）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有時(shí)變傳輸周期。因?yàn)閭鬏斶^(guò)程中的不確定因素，不能保證系統(tǒng)的等間隔采樣，這就導(dǎo)致了一個(gè)時(shí)變的系統(tǒng)模型，從而使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析變得更為困難。（2）當(dāng)有一組裝置連接在網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的另一個(gè)問(wèn)題

38、。信息傳送時(shí)可能出現(xiàn)并發(fā)現(xiàn)象，因此，一些信息的傳送不得不延遲，導(dǎo)致一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被延遲傳送，甚至可能延誤期限。一個(gè)好的控制調(diào)度算法就是要使得這樣的控制性能的損耗最小化。（3）網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換往往存在信息延遲（傳感器到控制器延遲，控制器到執(zhí)行器延遲），稱為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。這種時(shí)延可能是定常的，也可能是時(shí)變的，它的存在會(huì)使得控制系統(tǒng)的性能變差，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，必須考慮網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和其他性能的影響。（4）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)可視作一個(gè)由不可靠傳輸路徑組成的web。其中的一些包不僅受傳送時(shí)延的影響，甚至更糟糕的是在傳送時(shí)可能會(huì)丟失。這樣的丟包現(xiàn)象如何影

39、響一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能是一個(gè)必須研究的問(wèn)題。（5）由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和包的容量的限制，對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)可能需要用多個(gè)包來(lái)傳送- 9 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 （稱為多包傳送）。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)與其它節(jié)點(diǎn)存在著優(yōu)先權(quán)的使用，所以在控制信號(hào)計(jì)算時(shí)，多包發(fā)送的數(shù)據(jù)包中，收到的可能是數(shù)據(jù)包中的全部或者部分，也可能完全沒(méi)有 。1.2.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究狀況1.2.3.1 具有時(shí)變傳輸周期的NCS常規(guī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論都假定對(duì)象輸出的等間隔采樣，對(duì)對(duì)象輸出進(jìn)行周期采樣。這個(gè)假設(shè)導(dǎo)出了線性時(shí)不變采樣系統(tǒng)，并極大地簡(jiǎn)化了其穩(wěn)定性和性能的分析。然而，等間隔采樣的假設(shè)在NCS中難以成立。NCS中采樣

40、信號(hào)的傳輸可能是周期的，也可能是非周期的，這依賴于控制網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問(wèn)控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議10。Walsh等人考慮了一個(gè)連續(xù)對(duì)象和連續(xù)控制器，與其他節(jié)點(diǎn)共享的控制網(wǎng)絡(luò)僅僅嵌入在傳感器節(jié)點(diǎn)與控制器之間。他們引入了最大允許傳輸間隔(MATI)，r的概念，表示順序發(fā)送的傳感器信息以至多T秒的時(shí)間被分隔開(kāi)來(lái)。他們的目的是找出一個(gè)T，使得在這樣一個(gè)傳送間隔T下，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所期望的穩(wěn)定性能得以保持。盡管多數(shù)網(wǎng)絡(luò)不能保證定常的傳送周期，但通常能保證在截止時(shí)間之前傳送一個(gè)信息。如在設(shè)備網(wǎng)中，你可以將最接近截止時(shí)間的報(bào)文設(shè)置為具有最高的優(yōu)先權(quán)。因此，當(dāng)不能按定常傳輸周期

41、來(lái)發(fā)送信息時(shí)，我們希望得到時(shí)變傳輸周期的上界。1.2.3.2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，控制環(huán)的性能不僅僅依賴于控制算法的設(shè)計(jì)，而且也依賴于共享的網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)度。NCS中的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度類(lèi)似于復(fù)雜實(shí)時(shí)運(yùn)算系統(tǒng)的CPU調(diào)度，其中有一系列并行的CPU任務(wù)在帶有定時(shí)約束的單一CPU上執(zhí)行。對(duì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的研究是在網(wǎng)絡(luò)用戶層上，更精確地說(shuō)，是在傳輸層(Transport Layer)上。需要解決的問(wèn)題是一個(gè)對(duì)象應(yīng)該如何來(lái)調(diào)度發(fā)送數(shù)據(jù)，以及以什么樣的優(yōu)先級(jí)來(lái)發(fā)送。不過(guò)，這個(gè)問(wèn)題往往不關(guān)心數(shù)據(jù)包如何有效地從發(fā)送點(diǎn)到達(dá)目的點(diǎn)，也不討論當(dāng)路徑擁塞時(shí)，該怎樣處理。這些問(wèn)題的解決依靠網(wǎng)絡(luò)層的路由算法和擁塞控制算法。Sh

42、a等人發(fā)展了一種驅(qū)動(dòng)負(fù)載的在線調(diào)度算法，這種算法通過(guò)優(yōu)化用工作負(fù)載函數(shù)描述的控- 10 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 制性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)行直接的數(shù)字化設(shè)計(jì)。1.2.3.3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延（1）狀態(tài)增廣法在帶定長(zhǎng)時(shí)延的離散時(shí)間系統(tǒng)中，很常用的一種方法是狀態(tài)增廣法。它通過(guò)將經(jīng)過(guò)延遲的對(duì)象輸入輸出變量作為增廣狀態(tài)，并建立新的狀態(tài)空間方程，與原始狀態(tài)方程聯(lián)立共同來(lái)描述系統(tǒng)。增廣狀態(tài)的維數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)維數(shù)、輸入維數(shù)以及時(shí)延大小有關(guān)，因而描述系統(tǒng)的增廣狀態(tài)方程的維數(shù)常常變得很大，系統(tǒng)的復(fù)雜性也相應(yīng)大幅增加。一些研究者以狀態(tài)增廣法為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)特性提出了自己的方法引。文獻(xiàn)13針對(duì)具有周期性時(shí)延特性的網(wǎng)

43、絡(luò)提出增廣狀態(tài)確定性離散時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。對(duì)于具有周期性時(shí)延特性的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，增廣狀態(tài)離散時(shí)間模型方法比較直接，也易于理解。Liou和Ray也指出這種方法改進(jìn)后可用于傳感器和控制器采樣周期不等的系統(tǒng)。但是由于這種方法采用了增廣狀態(tài)，系統(tǒng)的復(fù)雜性大幅提高14。（2）基于預(yù)測(cè)的隊(duì)列方法隊(duì)列法可以將具有隨機(jī)特性的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)變?yōu)榫哂谐Ｖ堤匦缘木W(wǎng)絡(luò)延時(shí)，采用它可以使系統(tǒng)的分析變得簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)15最早提出隊(duì)列方法，基于這種方法實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。由于這種方法涉及到用對(duì)象的輸出值觀測(cè)和預(yù)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)，必須要有非常精確的對(duì)象模型，才能保證系統(tǒng)能得到好的性能。（3）最優(yōu)隨機(jī)方法文獻(xiàn)16提出一種最

44、優(yōu)隨機(jī)控制方法，把網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響看作是線性二次高斯型問(wèn)題。該方法有如下兩個(gè)假設(shè)：網(wǎng)絡(luò)延時(shí)r小于系統(tǒng)的采樣周期、系統(tǒng)各部分的歷史延時(shí)（彼此獨(dú)立）信號(hào)都可以得到。這種方法必須知道對(duì)象的全部狀態(tài)，若不能直接得到，則要用Kalman濾波器觀測(cè)得到。與采用前面的基于預(yù)測(cè)的隊(duì)列方法相比，用這種方法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能得到較好的性能。（4）保證系統(tǒng)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)范圍分析方法文獻(xiàn)17提出求取網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最大允許延時(shí)的方法，采用狀態(tài)增廣和李亞普諾夫方法：（a）假設(shè)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響是通過(guò)對(duì)象輸出和控制器結(jié)點(diǎn)輸入之差體現(xiàn)，并將其視為系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)；- 11 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論（

45、b）采用一般類(lèi)型的李亞普諾夫函數(shù)。該文獻(xiàn)求出的最大允許延時(shí)保守性較大,比實(shí)際系統(tǒng)中允許的延時(shí)范圍小得多。文獻(xiàn)18提出一種基于對(duì)象模型的方法，其思想是：控制器側(cè)含有對(duì)象的模型，當(dāng)對(duì)象的狀態(tài)更新模型狀態(tài)時(shí)，用對(duì)象實(shí)際輸出計(jì)算對(duì)象的控制信號(hào)；當(dāng)對(duì)象的狀態(tài)不更新模型狀態(tài)時(shí)，對(duì)象模型的輸出代替實(shí)際對(duì)象的輸出計(jì)算對(duì)象的控制信號(hào)。文中假設(shè)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)很小，不足以對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。其目的就是求出用對(duì)象實(shí)際狀態(tài)更新模型狀態(tài)的最小頻率。當(dāng)對(duì)象的模型比較精確時(shí)，狀態(tài)的更新率比較小，大大減少網(wǎng)絡(luò)的使用率，從而減小網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。1.2.3.4 單包和多包的數(shù)據(jù)傳送和丟包問(wèn)題Walsh等利用攝動(dòng)模型和李亞普諾夫第二方法分析了單包和

46、多包傳送的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定并證明普通的靜態(tài)調(diào)度協(xié)議和他們提出的新的調(diào)度協(xié)議的穩(wěn)定性19，20。在NCS中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或發(fā)生信息傳送碰撞時(shí)，就可能出現(xiàn)丟失網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象。盡管多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具備報(bào)文重發(fā)機(jī)制，但它們僅僅對(duì)于在有限的時(shí)間內(nèi)可以重新發(fā)送，等到時(shí)間過(guò)期，數(shù)據(jù)包也就被丟棄。此外，對(duì)于諸如傳感器信息和控制信號(hào)這樣的實(shí)時(shí)反饋控制數(shù)據(jù)，也許丟棄未被發(fā)送的舊報(bào)文并傳輸有用的新報(bào)文是有利的。在這種情況下，控制器總是接收最新的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算所需要的控制律23。通常反饋被控對(duì)象可以容許一定量的數(shù)據(jù)丟失，當(dāng)僅僅以某個(gè)速率傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，有必要確定所導(dǎo)出的系統(tǒng)是否是穩(wěn)定的，并且計(jì)算

47、這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)傳輸速率的容許下界。1.3 存在的不足和本文的主要研究工作1.3.1 存在的不足目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要研究成果均是建立在正常系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上的。由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無(wú)論是從體系結(jié)構(gòu)、現(xiàn)實(shí)功能、控制技術(shù)還是復(fù)雜程度方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常系統(tǒng)所能及的范圍，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)涵蓋了集中控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等許多系統(tǒng)，使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)不具備了正常系統(tǒng)的定常性、完整性、因果性和確定性。所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制中的廣義對(duì)象進(jìn)行理想化假設(shè)時(shí)，不能把廣義模型抽- 12 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 象成為正常模型，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的控制對(duì)象基于廣義系統(tǒng)建模是十分必要的，具有很高

48、的實(shí)用性和理論價(jià)值。本文在廣義系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了傳感器為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、控制器和執(zhí)行器為事件驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)滯NCS的數(shù)字模型，為長(zhǎng)時(shí)滯NCS的分析和仿真等方面奠定了基礎(chǔ)。1.3.2 本文的研究工作針對(duì)線性、時(shí)不變廣義（奇異）被控對(duì)象，建立了網(wǎng)絡(luò)控制模型，主要工作如下：第一章，緒論，首先介紹了本學(xué)位論文研究的目的和意義。接著簡(jiǎn)要介紹NCS中的基本概念、術(shù)語(yǔ)和存在的主要問(wèn)題。隨后闡述NCS研究的問(wèn)題、研究方法、研究現(xiàn)狀、存在的不足和需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。最后介紹本文的主要研究工作。第二章，背景知識(shí)介紹，首先介紹了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義，形成和發(fā)展。隨后介紹了控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)以及幾種典型的控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，廣義系統(tǒng)及其受限等價(jià)以及節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等。第三章，建立了傳感器為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，控制器和作動(dòng)器為事件驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)滯網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第四章以及第五章，圍繞建立的模型，給出了它的分散固定模并討論了分散能控性。通過(guò)舉例驗(yàn)證了上述研究成果的有效性和可行性。第六章，總結(jié)和展望。總結(jié)研究成果，展望下一步研究計(jì)劃。- 13 -東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 背景知識(shí)第二章 背景知識(shí)2.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述2.1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一