網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 復習資料

1、第1章 緒論網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）1結(jié)構(gòu)：控制器、執(zhí)行器、被控對象、傳感器。2定義：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)（NCS:Networked Control System），即控制系統(tǒng)中的控制器、傳感器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)來交換控制及傳感等信息。3特點：(1) 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化：NCS最顯著的特點體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上，它支持如總線型、星型、樹型等拓撲結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)分層控制系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu)相比顯得更加扁平和穩(wěn)定；2) 節(jié)點智能化：帶有CPU的智能化節(jié)點之間通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息傳輸和功能協(xié)調(diào)，每個節(jié)點都是組成網(wǎng)絡(luò)的一個細胞，且具有各自相對獨立的功能；(3) 控制現(xiàn)場化和功能分散化：網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)使原

2、先由中央控制器實現(xiàn)的任務(wù)下放到智能化現(xiàn)場設(shè)備上執(zhí)行，使危險得到了分散，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性；(4) 系統(tǒng)開放化和產(chǎn)品集成化：NCS的開發(fā)遵循一定標準進行，是一個開放的系統(tǒng)。只要不同廠家根據(jù)統(tǒng)一標準來開發(fā)自己的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品之間便能實現(xiàn)互操作和集成。4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)遠程操作與控制，具有高的診斷能力，安裝與維護方便，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。5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)評價標準；(1) 網(wǎng)絡(luò)服

3、務(wù)質(zhì)量（QoS, Quality of Service）：包括網(wǎng)絡(luò)吞吐量，傳輸效率，誤碼率，時延可預測性和任務(wù)的可調(diào)度性。2) 系統(tǒng)控制性能（QoP, Quality of Performance）：包括穩(wěn)定性，快速性，準確性，超調(diào)和震蕩等。6 NCS中的基本問題；1、時變傳輸周期 2、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度（1）指一個節(jié)點多久可以傳輸一次信息，以及以多高的優(yōu)先級傳遞信息，發(fā)生在用戶層或傳輸層以上;（2）調(diào)度控制環(huán)的采樣周期和采樣時刻，以盡量避免網(wǎng)絡(luò)中沖突現(xiàn)象的發(fā)生；（3） 至于數(shù)據(jù)如何更有效地從出發(fā)點到達目的地以及當線路堵塞時應(yīng)采取何種措施，這些問題在網(wǎng)絡(luò)層由線路優(yōu)化和堵塞算法考慮。 ） 3、網(wǎng)絡(luò)時延 4

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（NCS的節(jié)點有兩種驅(qū)動方式：時鐘驅(qū)動和事件驅(qū)動。時鐘驅(qū)動：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在一個事先確定的時間到時開始動作，事先確定的時間為節(jié)點動作的依據(jù)，如節(jié)點的采樣時刻。事件驅(qū)動：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在一個特定的事件發(fā)生時開始動作，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)從另外一個節(jié)點接受數(shù)據(jù)。NCS中的傳感器一般采用時鐘驅(qū)動，而控制器和執(zhí)行器可以是時鐘驅(qū)動，也可以是事件驅(qū)動）8、時鐘同步。7 NCS研究內(nèi)容 1、對網(wǎng)絡(luò)的控制：圍繞網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，從拓撲結(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)

5、包丟失等一系列問題?？梢赃\用運籌學和控制理論的方法來實現(xiàn)。2、 通過網(wǎng)絡(luò)的控制：指在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下，設(shè)計相適應(yīng)的NCS控制器，保證NCS良好的控制性能和穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^建立NCS數(shù)學模型用控制理論的方法進行研究。3、 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.基于網(wǎng)絡(luò)的智能控制 1.通信的含義：所謂通信，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。 2通信的類型存在兩大類通信方式：非電通信和電通信。其中電通信可分為三種類型：1模擬通信 2數(shù)字通信：3數(shù)據(jù)通信：數(shù)據(jù)通信與數(shù)字通信的不同

6、之處是：數(shù)字通信的信息源發(fā)出的是模擬信號；數(shù)據(jù)通信的信息源發(fā)出的是數(shù)字信息。3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成：一個最基本的通信系統(tǒng)，是由信息源、發(fā)送裝置/接收裝置、信道、通信控制部件、信息宿等部分組成。4 數(shù)據(jù)通信方式的分類；（一）按數(shù)據(jù)位的傳送方式分，有：1并行通信方式：將一個二進制數(shù)據(jù)的所有位同時傳送 的方式，特點：傳送速度快，線路成本高。2串行通信方式：將一個二進制數(shù)據(jù)逐位順序傳送的方式，特點：線路投資省，傳輸速度比并行通信的速度慢。適用于長距離傳送。（二）按信息的傳送方向分，有：1單工（Simplex）通信方式：只允許信息沿一個方向（而不能作反向）傳輸。2半雙工通信方式：允許信息在兩個方向上傳輸

7、，但在同一時刻只限于一個方向的傳輸，3全雙工通信方式。允許信息同時在兩個方向上進行傳輸，（三）按連接方式分：1總線連接的通信方式：將兩臺計算機的總線通過緩沖轉(zhuǎn)換器直接相連。2調(diào)制/解調(diào)連接的通信方式：將計算機輸出數(shù)據(jù)經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換后進行調(diào)制，然后在雙芯傳送線上發(fā)送；而接收端對收到的信息進行解調(diào)，然后經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換使數(shù)據(jù)復原，3過程I/O連接的通信方式：利用計算機的輸入/輸出接口的功能傳送數(shù)據(jù)的 4高速數(shù)據(jù)通道連接的通信方式：采用二進制串行高速傳送的方式，它在高速數(shù)據(jù)通信指揮器的控制下，對要通信的計算機內(nèi)存進行直接存儲器存取操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，5 數(shù)據(jù)傳輸原理 在分散控制系統(tǒng)中，各功能站處理的信號均

8、為二進制數(shù)據(jù)信息，這些由“0”和“1”組成的數(shù)據(jù)信息，最普通且最簡單的方法是用一系列電脈沖信號來表示。具有固有頻帶且未經(jīng)任何處理的始電脈沖信號，稱為：“基帶信號”。6 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。（一）基帶傳輸 1基帶信息的幾種表示法： （1）單極性波形（2）雙極性波形（3）單極性歸零波形（4）雙極性歸零波形（5）交替雙極性歸零波形 2 基帶傳輸?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)采用具有很高通頻帶的同軸電纜

9、或光纜。(2)基帶傳輸是按照數(shù)字信號波形的原樣進行傳輸?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。（二）頻帶傳輸（調(diào)制與解調(diào)）數(shù)據(jù)信號在模擬傳輸系統(tǒng)上遠距離傳輸時，必須采用調(diào)制與解調(diào)手段。所謂“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)慕涣餍盘枴Ｋ^“解調(diào)”，是在接收端將收到的調(diào)制信號進行與調(diào)制相反的轉(zhuǎn)換，使之恢復到原來的基帶脈沖信號。1.常用的調(diào)制方式有三種：（1）振幅調(diào)制 （2）頻率調(diào)制，頻率調(diào)制可分為兩種形式：相位連續(xù)調(diào)頻信

10、號 相位不連續(xù)調(diào)頻信號（3）相位調(diào)制 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 7 數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標 1，數(shù)據(jù)傳輸速率單位時間內(nèi)傳送的信息量。數(shù)據(jù)傳輸中有三種速率：）數(shù)據(jù)信號速率： （2）調(diào)制速率： （3）數(shù)據(jù)傳輸速率2 信道容量信道所具有的最大傳輸能力 3.誤碼率二進制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。8.多路復用技術(shù) 即把多路信號在一條信道上進行傳輸，以提高傳輸效率。常用的多路復用技術(shù)有1頻分多路復用（FDM）技術(shù) 2時分多路復用（TDM）技術(shù) 9.同步技術(shù) 是指接收端按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的起止時間來接收數(shù)據(jù)，即收、發(fā)端的動作在時間上

11、取得一致。第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò) 一、通信網(wǎng)絡(luò)的概念通信網(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)。處于網(wǎng)絡(luò)中的每個單元稱為站或節(jié)點（統(tǒng)稱站點）通信網(wǎng)絡(luò)可分為三大類： 1、緊耦合網(wǎng)絡(luò)(又稱多處理器系統(tǒng)) 2、局域網(wǎng)絡(luò)（L簡稱LAN，又稱局部網(wǎng)絡(luò)）3、廣域網(wǎng)絡(luò)（簡稱WAN，又稱遠程網(wǎng)絡(luò)） 二、工業(yè)控制局域網(wǎng)絡(luò)的特點 1、具有快速實時響應(yīng)能力（響應(yīng)時間一般在0.01-0.5秒以內(nèi)）2、具有惡劣環(huán)境的適應(yīng)性 3、具有極高的可靠性 4、具有合理的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（可分為三層，即現(xiàn)場總路線、車間級網(wǎng)絡(luò)和工廠級網(wǎng)絡(luò)） 三、局域網(wǎng)絡(luò)

12、的拓樸結(jié)構(gòu)（a）星形（b）環(huán)形（c）樹形(d）網(wǎng)形（e）總線形四、網(wǎng)絡(luò)控制方式 常用的控制方式大致可分為三類： 查詢方式 適用于有主節(jié)點的星形網(wǎng)絡(luò)控制,，網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點就是一個網(wǎng)絡(luò)控制器 廣播方式 是一類在同一時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上只有一個節(jié)點發(fā)送信息而其它節(jié)點處于收聽信息狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)控制方式。廣播式通訊控制技術(shù)不需要網(wǎng)絡(luò)控制器 廣播方式有三種形式：令牌傳送方式 自由競爭方式 時間分槽方式 存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式也稱環(huán)形擴展式。五、網(wǎng)絡(luò)的信息交換技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)使用的信息交換技術(shù)通常有三種:1線路交換 2報文交換 3包交換 第三節(jié)差錯控制技術(shù) 一、差錯及其類型兩種差錯類型：隨機差錯 突發(fā)差錯 二、傳輸?shù)目煽?/p>

13、性傳輸?shù)目煽啃耘c傳輸速度密切相關(guān) 通常傳輸?shù)目煽啃灾笜擞谜`碼率來表示 三、降低誤碼率的措施降低通信系統(tǒng)的誤碼率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_度，保證傳輸質(zhì)量的措施有兩種：1通過改善通信網(wǎng)絡(luò)及各站的電氣性能和機械性能，來降低誤碼率 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。這種措施即為“差錯控制技術(shù)”，是降低誤碼率常采用的措施。四、誤碼檢驗最常用：奇偶校驗和循環(huán)冗余校驗兩種方法。（一）奇偶校驗是一種以字符為單位的校驗方法。這種校驗方法首先將所要傳輸?shù)男畔醋址M行分組，并在每組（每個字符）信息前面加上一個奇偶校驗位（冗余碼）構(gòu)成碼字。奇偶校驗位可以是0或1，其作用是保證碼字中為“1”

14、的個數(shù)為奇數(shù)（或偶數(shù)）。若碼字中為“1”的個數(shù)為奇數(shù)，該碼字稱為“奇校驗碼”；若碼字中為“1”的個數(shù)為偶數(shù)，該碼字稱為“偶校驗 例如：字符“R” 的ASCII碼為1010010，為使其傳輸時具有檢錯能力，應(yīng)在該字符的七位信息碼前加上一個校驗位。R信息碼前加一個為“0”的校驗位，構(gòu)成碼字01010010（R的奇校驗碼）；R信息碼前加一個為“1”的校驗位，構(gòu)成碼字11010010（R的偶校驗碼）。(二)循環(huán)冗余校驗-是應(yīng)用最為廣泛，糾錯能力很強的一種誤碼檢驗方法。循環(huán)冗余校驗是基于系統(tǒng)循環(huán)碼的誤碼檢驗方法。其基本原理是：發(fā)送端按照系統(tǒng)循環(huán)碼的編碼方法，發(fā)送可以被g(x)除盡的碼多項式對應(yīng)的碼字（先

15、發(fā)送碼字中的信息碼，后發(fā)送冗余碼）。接收端設(shè)有檢驗電路，它用來接收碼字，并判別收到的碼字是否能被g(x)整除。如果可以被整除，則認為傳輸正確，此時接收端向發(fā)送端作出肯定應(yīng)答，通知發(fā)送下一個新的數(shù)據(jù)信息；如果收到的碼字不能被g(x)整除，則認為傳輸過程發(fā)生差錯，此時接收端向發(fā)送端作出否定應(yīng)答，要求重新發(fā)送一次該碼字。五、糾錯方式在數(shù)據(jù)信息傳輸中，實際應(yīng)用的糾錯方式最常用的有以下三種：1重發(fā)糾錯方式：2自動糾錯方式 3混合糾錯方式：是上述兩種糾錯方式的綜合第四節(jié)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在計算機通信網(wǎng)絡(luò)中，對所有的站點來說，它們都要共享網(wǎng)絡(luò)中的資源。但由于掛接在網(wǎng)上的計算機或設(shè)備是各種各樣的，可能出自于不同的生產(chǎn)廠

16、家，型號也不盡相同，它們在硬件及其軟件上的差異，給相互間的通信帶來一定的困難。因此，需要有一套所有“成員”共同遵守的“約定”，以便實現(xiàn)彼此的通信和資源共享。這種約定稱為“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議”。 一、協(xié)議層次參考模型國際標準化組織針對網(wǎng)絡(luò)通信在功能上的層次，提出了開放系統(tǒng)互連（簡稱OSI）參考模型，從而定義了任何計算機互連時通信任務(wù)的結(jié)構(gòu)框架。OSI參考模型數(shù)據(jù)通信的基本原理： OSI參考模型各層的基本作用：1物理層 。負責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 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，負責將被傳送的數(shù)據(jù)按幀結(jié)構(gòu)格式化、傳送數(shù)據(jù)幀、進行差錯控制、介質(zhì)方

17、向控制、以及物理層的管理 3網(wǎng)絡(luò)層 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)，負責通信網(wǎng)絡(luò)中路徑的選擇和擁擠控制 4傳輸層 傳輸層是用戶與通信設(shè)施間的聯(lián)系者。5會話層 用于建立和管理進程（程序為某個數(shù)據(jù)集合進行的一次執(zhí)行過程）之間的連接，為進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問題。會話層完成的主要通信管理和同步功能是針對用戶的。6表達層 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)兼容以及信息表達等問題 7應(yīng)用層 該層為用戶應(yīng)用程序提供訪問OSI環(huán)境的服務(wù)應(yīng)用層、表達層、會話層與應(yīng)

18、用有關(guān)， 傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層主要負責系統(tǒng)的互連，鏈路層、物理層定義了實現(xiàn)通信的技術(shù)。無線局域網(wǎng)控制系統(tǒng) 三、制造自動化協(xié)議（MAP）（一）MAP的幾種形式 1、寬帶MAP 2、MiniMAP(小MAP) 3、EPA MAP（增強性能結(jié)構(gòu)MAP）（二）MAP3.0的結(jié)構(gòu)特點 數(shù)據(jù)鏈路層也分為 1.邏輯鏈路控制層（LLC）與IEEE802.2邏輯鏈路層協(xié)議中的非應(yīng)答無連接服務(wù)基本符合；2.介質(zhì)存取控制層（MAC）與IEEE802.4令牌總線協(xié)議基本一致。 MAP幀采用了48位地址結(jié)構(gòu) MAP的多層協(xié)議是在它的節(jié)點中實現(xiàn)的。四、網(wǎng)絡(luò)間的互連 1.采用重復器方式 2采用網(wǎng)橋方式 3采用網(wǎng)關(guān)方式 網(wǎng)關(guān)的功能

19、：是將一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次上的報文“映射”為另一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次上的報文。 網(wǎng)關(guān)有兩種類型：（1）介質(zhì)轉(zhuǎn)換型 （2）協(xié)議轉(zhuǎn)換型 實時控制網(wǎng)絡(luò) 控制網(wǎng)絡(luò)的基本概念1、工業(yè)對象對網(wǎng)絡(luò)的基本要求 1過程工業(yè) 連續(xù)控制為主，算法復雜，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，單機控制多，要求成本低2、控制網(wǎng)絡(luò)的分類 隨機網(wǎng)絡(luò)：延遲時間是隨機的，如EtherNet 有界網(wǎng)絡(luò)：延遲時間有確定的上界 如ConrolNet 常值網(wǎng)絡(luò)：時間延遲應(yīng)保持一定，如DeviceNet 3、控制網(wǎng)絡(luò)的特點(1

20、) 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)。 4、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和層次結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Net Protocol)是為進行計算機網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合。協(xié)議總是指某一層協(xié)議，準確地說，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。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個十分復雜的系統(tǒng)。將一復雜的系統(tǒng)分解為若干個容易處理的子系統(tǒng)，然后“分而治之”。層次結(jié)構(gòu)的好處在于使每一層實現(xiàn)一種相對獨立的功能，分層結(jié)構(gòu)還有利于交流、理解和標準化。介質(zhì)層與控制網(wǎng)

21、絡(luò) 1、雙絞線 2、同軸電纜 3、微波 4、光纖 3.3 物理層與控制網(wǎng)絡(luò) 物理層定義了網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，傳輸?shù)碾姶艠藴?，?shù)據(jù)流的編碼及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送時間原則，如分時復用及分頻復用等，同時也決定了網(wǎng)絡(luò)連接類型（端到端或多端連接）及物理拓撲結(jié)構(gòu)等，它構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ) 曼徹斯特（Manchester）編碼 曼徹斯特（Manchester）編碼，它是一種自同步編碼方式，包括數(shù)據(jù)信息和時鐘信息3.4 數(shù)據(jù)鏈路層與控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是為網(wǎng)絡(luò)層提供一條無差錯的傳輸線路，通常采用反饋重糾錯方式來糾正傳輸中出現(xiàn)的差錯。分成兩個子層：邏輯鏈路控制LLC(和介質(zhì)控制MAC子層。 IEEE802.3 M

22、AC子層協(xié)議總線監(jiān)聽算法：非堅持CSMA 堅持CSMA P-堅持CSMA3.5 應(yīng)用層與控制網(wǎng)絡(luò) 1、應(yīng)用層基本控制模式 (1) 源目的地址通信模式 (2)生產(chǎn)者/消費者通信模式 2、CAN總線應(yīng)用層有界網(wǎng)絡(luò)解決方案 3.6 常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議棧 1、DeviceNet 協(xié)議棧 DeviceNet作為基于控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)標準開放網(wǎng)絡(luò)，為簡單的底層工業(yè)裝置與高層控制設(shè)備如工控機、PLC之間架起連接的橋梁。 2、ControlNet 協(xié)議棧 ControlNet 具有高吞吐量、資源共享、組態(tài)和編程簡單、傳輸介質(zhì)為同軸電纜和光纖、支持冗余介質(zhì)、體系結(jié)構(gòu)靈活和安裝費用低等特點。ControlNet

23、主要用于PLC與計算機之間的通訊，也可在邏輯控制或過程控制系統(tǒng)中用于連接串行、并行的I/O設(shè)備、人機界面等裝置。 3、CC-LINK 協(xié)議棧 CC-Link具有如下突出優(yōu)點：（1）高速度大容量的數(shù)據(jù)傳送；（2）拓撲結(jié)構(gòu)有多點接入、T型分支、星型結(jié)構(gòu)；（3）CC-Link使分布控制成為現(xiàn)實；（4）自動刷新功能、預約站功能。4、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧第5章 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法 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)進行連接并

24、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)控制系統(tǒng)的調(diào)度 1、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，稱為協(xié)議層調(diào)度；（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。2、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。特點：通過特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)某些調(diào)度算法的，因此調(diào)度缺乏靈活性，只能適應(yīng)少數(shù)的算法 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分類 根據(jù)控

25、制網(wǎng)絡(luò)的時間延遲特性,網(wǎng)絡(luò)可分為三類: 隨機網(wǎng)絡(luò)、有界網(wǎng)絡(luò)和常值網(wǎng)絡(luò).3、應(yīng)用層調(diào)度：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（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 5.1.2 NCS調(diào)度中的幾個基本概念（1）到達時間（ai）：數(shù)據(jù)包形成，開始加入發(fā)送隊列，準備發(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）阻塞時間（bi）：數(shù)據(jù)包達到后，等待直至開發(fā)發(fā)送所需要的時間，即bi=si-ai。（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

26、時間（fi）：一次傳輸結(jié)束的時間。（6）傳輸時延（i）：數(shù)據(jù)包到達隊列至數(shù)據(jù)包完成數(shù)據(jù)包傳輸完成之間的時間.（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。（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。5.1.3網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的幾種基本方法 一、協(xié)議層調(diào)度方法：1、Ethernet使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為隨機網(wǎng)絡(luò)的代表。2、令牌網(wǎng)是有界網(wǎng)絡(luò)的代表,分為令牌總線和令牌環(huán)兩類.ControlNet、MAP(IEEE802.4)、Profi-bus都屬于令牌總線。3、CAN通信協(xié)議采用多主競爭機制（CSMA/AM

27、P）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是常值網(wǎng)絡(luò)的代表 二、TOD網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)度協(xié)議 1、MEF-TOD協(xié)議內(nèi)容：（1）NCS中每個節(jié)點都有一個優(yōu)先級，該優(yōu)先級與誤差范數(shù)成正比，該誤差指最近發(fā)送的數(shù)據(jù)值與實際測量數(shù)據(jù)值的差；（2）誤差最大的節(jié)點擁有發(fā)送數(shù)據(jù)的最大優(yōu)先級；（3）如果兩個或更多的節(jié)點信息具有相同的優(yōu)先權(quán)，則按事先約定的規(guī)則來解決這種碰撞。最大誤差優(yōu)先-嘗試一次丟調(diào)度算法 2、最大允許傳輸時間間隔MATI 傳輸時間間隔指NCS訪問網(wǎng)絡(luò)的時間間隔?？梢宰C明，在MEF-TOD或靜態(tài)調(diào)度下，某個NCS系統(tǒng)，當MATI小于某個與NCS性能相關(guān)的數(shù)值時，NCS 系統(tǒng)是全局指數(shù)穩(wěn)定的。三、反饋控制實時調(diào)度：5.2 實時系

28、統(tǒng)及其任務(wù)調(diào)度 5.2.1 實時系統(tǒng)概述 1、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)的計算機系統(tǒng)。實時系統(tǒng)從輸入時刻到輸出時刻之間的時滯必須小到可接受時限內(nèi)。 2、分類標準系統(tǒng)對時間要求的嚴格程度。（1）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)較復雜。（2）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)。3、實時系統(tǒng)組成： 在實時系統(tǒng)中，一個應(yīng)用通常由一組任務(wù)構(gòu)成，每個任務(wù)完成

29、應(yīng)用中的一部分功能，組合后為用戶提供特定的服務(wù)。例如在一個計算機控制的飛行器飛行控制應(yīng)用包括： 數(shù)據(jù)采集任務(wù) 自動導航任務(wù) 控制任務(wù) 4、實時系統(tǒng)特點： 時間約束性： 可預測性： 可靠性： 與外部環(huán)境的交互作用性：5、實時調(diào)度：實時調(diào)度算法特征：（1）硬實時與軟實時（2）搶優(yōu)與非搶優(yōu)（3）動態(tài)與靜態(tài)（4）集中與分布 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 5.3 靜態(tài)RM調(diào)度算法 5.3.1 實時系統(tǒng)的RM調(diào)度算法 1、RM算法介紹

30、：RM調(diào)度算法，中文稱為“比率單調(diào)調(diào)度算法”，是實時系統(tǒng)中單處理器的基于優(yōu)先級的靜態(tài)調(diào)度算法 2、RM算法描述： （1）根據(jù)任務(wù)的周期hi 分配優(yōu)先權(quán)：任務(wù)的周期越短，其優(yōu)先權(quán)越高；（2）任務(wù)的優(yōu)先權(quán)在任務(wù)執(zhí)行之前已經(jīng)確定，不會隨時間改變，因此是一種靜態(tài)的調(diào)度算法；（3）實時系統(tǒng)中的RM算法是搶優(yōu)的，即當前執(zhí)行的任務(wù)會被新到達的優(yōu)先級更高的任務(wù)打斷。（4）RM算法在所有的固定優(yōu)先級分配算法中是最優(yōu)的；（5）RM算法是穩(wěn)定的：確保優(yōu)先級高的任務(wù)先執(zhí)行。3、RM可調(diào)度定理： 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： 其中ci 為任務(wù)所需的執(zhí)行

31、時間，hi 為任務(wù)的周期。 例5.1：兩個并發(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： 由RM算法的可調(diào)度條件可知用RM算法不可調(diào)度。說明：（1）根據(jù)RM算法，由于h1<h2，則任務(wù)1的優(yōu)先級高于任務(wù)2的優(yōu)先級，因此兩個任務(wù)同時到達時，任務(wù)1先處理；（2）經(jīng)過3ms任務(wù)1處理完畢，進行任務(wù)2的處理；（3）任務(wù)2處理1ms后，任務(wù)1的下一個周期來到，于是打斷任務(wù)2的執(zhí)行，進行任務(wù)1的處理；（4）如此反復，結(jié)果為任務(wù)1所有的任務(wù)周期都沒有超過時限要求，但任務(wù)2所有的周期任務(wù)

32、都超過了時限的要求。 4、RM算法缺點：（1）對非周期任務(wù)的調(diào)度效率低；（2）不能有效的對非調(diào)和的周期性操作進行調(diào)度；（3）不能靈活地處理操作調(diào)用時資源需求的變化。 5.3.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的RM調(diào)度算法 1、算法描述：（1）指非搶優(yōu)的RM調(diào)度算法；（2）與實時系統(tǒng)的搶優(yōu)式調(diào)度算法相比，唯一的區(qū)別就是網(wǎng)絡(luò)RM調(diào)度算法中，任務(wù)的執(zhí)行是非搶優(yōu)的，即當前執(zhí)行的任務(wù)不會被新到達的優(yōu)先級更高的任務(wù)打斷，直到該任務(wù)執(zhí)行完，才能執(zhí)行隊列中等待的高優(yōu)先級任務(wù)。 2、非搶優(yōu)RM可調(diào)度定理： 一組n個相互獨立、非搶優(yōu)的實時周期任務(wù)（其優(yōu)先級按下標值遞減，下標i 為1任務(wù)的優(yōu)先級最高，下標i 為N任務(wù)的優(yōu)先級最低）

33、，其可調(diào)度條件為對于所有的i=1,2,3,。N 都滿足如下不等式：例5.2 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。說明：（1）根據(jù)RM算法，由于h1<h2，則任務(wù)1的優(yōu)先級高于任務(wù)2的優(yōu)先級，因此兩個任務(wù)同時到達時，任務(wù)1先處理；（2）經(jīng)過3ms任務(wù)1處理完畢，進行任務(wù)2的處理；（3）任務(wù)1處理1ms后，任務(wù)1的下一個周期來到，但是對于非搶優(yōu)調(diào)度，任務(wù)1不能打斷任務(wù)2的執(zhí)行，于是繼續(xù)進行任務(wù)2的處理；（4）任務(wù)2再經(jīng)過2ms后處理完畢，于是進行任務(wù)1的處理；（5）如此反復，結(jié)果為

34、任務(wù)1所有的任務(wù)周期都超過了時限要求，但任務(wù)2所有的周期任務(wù)都沒有超過時限的要求。5.4 動態(tài)EDF調(diào)度算法、EDF（Earliest Deadline First）調(diào)度算法，是實時系統(tǒng)中單處理器的基于優(yōu)先級的動態(tài)調(diào)度算法。中文可稱為“最小時限優(yōu)先”動態(tài)調(diào)度算法。 EDF算法優(yōu)缺點：（1）克服了RM的利用率限制；（2）可以處理調(diào)和與非調(diào)和周期的情況；（3）可以在單獨靜態(tài)優(yōu)先級水平上分發(fā)操作而不需用頻率來確定操作的優(yōu)先級。（4）需要較高的系統(tǒng)開銷來在運行時對操作進行評估。5.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計 NCS采樣周期的優(yōu)化1、優(yōu)化原因：NCS采樣周期時既受控制對象穩(wěn)定性的約束，也受網(wǎng)絡(luò)

35、可調(diào)度性約束。解決這個矛盾的方法是在一定約束條件下取得總體性能的折中。 采樣周期優(yōu)化方法 1、約束非線性優(yōu)化方法?？尚蟹较蚍ǎ‵DM）。線性逼近法。序列二次規(guī)劃法。罰函數(shù)法和直接法 2、進化類非數(shù)值優(yōu)化算法。遺傳算法。模擬退火算法。粒子群算法。微分進化算法5.6 TRUETIME 仿真工具箱 1、概述：（1）TrueTime工具箱是一種基于Matlab的實時控制與網(wǎng)絡(luò)控制仿真工具箱，可構(gòu)建分布式實時控制系統(tǒng)的動態(tài)過程、控制任務(wù)執(zhí)行以及網(wǎng)絡(luò)交互的聯(lián)合仿真環(huán)境。（2）TrueTime包括四個功能模塊： 實時內(nèi)核模塊 網(wǎng)絡(luò)通信模塊 電池模塊 無線網(wǎng)絡(luò)模塊物聯(lián)網(wǎng)概念 通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位

36、系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。 物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì) 就是將IT基礎(chǔ)設(shè)施融入到物理基礎(chǔ)設(shè)施中。物聯(lián)網(wǎng)的特征感知 全面感知：利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時隨地采集物體的動態(tài)信息。 傳輸 可靠傳輸：通過網(wǎng)絡(luò)將感知的各種信息進行實時傳送。 智能 智能處理：利用計算機技術(shù)，及時地對海量的數(shù)據(jù)進行信息控制，真正達到了人與物的溝通、物與物的溝通。物聯(lián)網(wǎng)三大技術(shù)分類 感知層 網(wǎng)絡(luò)層 應(yīng)用層 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點 學科綜合性強 產(chǎn)業(yè)鏈條長 滲透范圍廣 智 能 控 制 1.2、智能控制的概念 智能控制

37、是一門交叉學科，著名美籍華人傅京遜教授1971年首先提出智能控制是人工智能與自動控制的交叉，即二元論。美國學者G.N.Saridis1977年在此基礎(chǔ)上引入運籌學，提出了三元論的智能控制概念，即IC=ACAIOR 式中各子集的含義為:IC智能控制 AI人工智能 AC自動控制 OR運籌學 智能控制的特點 （1）學習功能 （2）適應(yīng)功能 （3）自組織功能 （4）優(yōu)化能力 智能控制的研究工具 （1）符號推理與數(shù)值計算的結(jié)合 （2）模糊集理論 （3）神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論 4） 遺傳算法 5）離散事件與連續(xù)時間系統(tǒng)的結(jié)合 智能控制的應(yīng)用 智能控制主要解決那些用傳統(tǒng)控制方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制問題，其中包括

38、智能機器人控制、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、工業(yè)過程控制、航空航天控制、社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、環(huán)保及能源系統(tǒng)等 智能控制在運動控制和過程控制中的應(yīng)用 1）在機器人控制中的應(yīng)用 -采用CMAC，可實現(xiàn)機器人的關(guān)節(jié)控制，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機器人控制的一個典型應(yīng)用。2）在過程控制中的應(yīng)用-石油化工方面，1994年美國的Gensym公司和Neuralware公司聯(lián)合將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于煉油廠的非線性工藝過程。 在冶金方面，日本的新日鐵公司于1990年將專家控制系統(tǒng)應(yīng)用于軋鋼生產(chǎn)過程。 智能控制的幾個重要分支 為專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法模糊控制的理論基礎(chǔ) 模糊控制的特點 1）模糊控

39、制不需要被控對象的數(shù)學模型。 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。 4）構(gòu)造容易。 （5）魯棒性和適應(yīng)性好。 模糊集合 模糊集合是模糊控制的數(shù)學基礎(chǔ) 例3.2 設(shè)論域U=張三，李四，王五，評語為“學習好”。設(shè)三個人學習成績總評分是張三得95分，李四得90分，王五得85分，三人都學習好，但又有差異。若采用普通集合的觀點，選取特征函數(shù) 此時特征函數(shù)分別為(張三)=1，(李四)=1，(王五)=1。這樣就反映不出三者的差異。假若采用模糊子集的概念，選取0，1區(qū)間上的隸屬度來表示它們屬于“學習好”模糊子集A的程度，就能夠反映出三人的差異。采用隸屬函數(shù) ，由三人的

40、成績可知三人“學習好”的隸屬度為(張三)=0.95，(李四)=0.90，(王五)=0.85。用“學習好”這一模糊子集A可表示為： 其含義為張三、李四、王五屬于“學習好”的程度分別是0.95，0.90，0.85。模糊集合的運算 1）空集 模糊集合的空集為普通集，它的隸屬度為0，即 2）全集: 模糊集合的全集為普通集，它的隸屬度為1，即 3）等集 兩個模糊集A和B，若對所有元素u，它們的隸屬函數(shù)相等，則A和B也相等。即 (4)補集 若 為A的補集，則 5）子集 若B為A的子集，則 6）并集 若C為A和B的并集，則C=AB 一般地 7）交集 若C為A和B的交集，則C=AB 一般地， 8）模糊運算的基

41、本性 模糊集合除具有上述基本運算性質(zhì)外，還具有下表所示的運算性質(zhì)。 運 算 法 則 1冪等律AA=A，AA=A 2交換律AB=BA，AB=BA 3結(jié)合律 AB)C=A(BC) (AB)C=A(BC) 4吸收律A(AB)=A A(AB)=A 5分配律A(BC)=(AB)(AC) A(BC)=(AB) (AC) 6復原律 例3.4 設(shè) 求AB，AB則 例3.5 試證普通集合中的互補律在模糊集合中不成立，即 ，證：設(shè) 則 模糊算子 設(shè)有模糊集合A、B和C，常用的模糊算子如下： 1）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 2）并運算算子 設(shè)C=AB，有三種模糊算子：

42、模糊并算子 概率或算子 有界和算子 模糊關(guān)系 例3.9 設(shè)有一組同學X，X=張三，李四，王五，他們的功課為Y，Y=英語，數(shù)學，物理，化學。他們的考試成績?nèi)缦卤恚?將上表寫成矩陣形式，得R： 該矩陣稱作模糊矩陣，其中各個元素必須在0，1閉環(huán)區(qū)間上取值。矩陣R也可以用關(guān)系圖來表示，如圖所示。模糊矩陣運算 設(shè)有n階模糊矩陣A和B， ， ，且 。則定義如下幾種模糊矩陣運算方式： 例3-10 設(shè) 例 3-11 設(shè) 則A和B的合成為： 模糊控制 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 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控制方法 模糊控制器 也稱為模糊邏輯控制器,由于所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句來描述的，因此模糊控制器是一種語言型控制器，故也稱為模糊語言控制器 模糊控制系統(tǒng)分類 1 、按信號的時變特性分類 （1）恒值模糊控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的指令信號為恒定值 如溫度模糊控制系統(tǒng)。2）隨動模糊控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的指令信號為時間函數(shù)，要求系統(tǒng)的輸出高精度、