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1、1 2013 11 31 智能物联与感知技术智能物联与感知技术 吴迎年 wuyingnian 吴迎年 wuyingnian 2013 11 3 自动化学院自动化学院 2 5a 网络控制系统概念 5b 网络控制系统的调度方法 5a 网络控制系统概念 5b 网络控制系统的调度方法 5 网络控制系统5 网络控制系统 2013 11 3自动化学院自动化学院3 1 1 NCS的应用1 1 NCS的应用 1 上海银湖别墅样板房 2 望远镜远程控制系统 3 智能家居及酒店控制系统 4 众志单火线智能开关产品 5 基于校园网络的实时控制系统 6 温室控制系统 7 数控车床网络控制系统 8 遥控操作的机器人控制
2、系统 1 上海银湖别墅样板房 2 望远镜远程控制系统 3 智能家居及酒店控制系统 4 众志单火线智能开关产品 5 基于校园网络的实时控制系统 6 温室控制系统 7 数控车床网络控制系统 8 遥控操作的机器人控制系统 网络控制系统应用网络控制系统应用 上海银湖别墅样板 房 上海银湖别墅样板 房 望远镜远程控制系 统 望远镜远程控制系 统 智能家居及酒店控 制系统 智能家居及酒店控 制系统 众志单火线智能开 关产品介绍 众志单火线智能开 关产品介绍 2013 11 3自动化学院自动化学院4 2013 11 3自动化学院自动化学院5 基于校园网络的实时控制系统 客户机基于校园网络的实时控制系统 客户
3、机 服务器模式 服务器模式 客户机 校 园 网 服务器 对象1 对象2 对象n ku ku ky ky 2013 11 3自动化学院自动化学院6 温室控制系统温室控制系统 温 室 控 制 系 统 室外气候站 报警装置 温度系统 补光系统 CO2系统 灌溉系统 通风系统 对流系统 制冷系统 加热系统 保温系统 水灌溉 肥料灌溉 遮荫网 通风风扇 天窗 侧窗 喷雾 对流系统 空气加热 土壤加热 滴灌 喷灌 2 2013 11 3自动化学院自动化学院7 方案一 基于现场总线方案一 基于现场总线LONWORKS网络网络 2013 11 3自动化学院自动化学院8 1 2 3 4 5 6 7 8 9101
4、112 A B 12x 6x 8x 2x 9x 3x 10 x 4x 11x 5x 7x 1x Ethernet A 12x 6x 8x 2x 9x 3x 10 x 4x 11x 5x 7x 1x C 笔记本电脑 方案二 方案二 EtherNet加加CAN总线网络总线网络 2013 11 3自动化学院自动化学院9 数控车床网络控制系统数控车床网络控制系统 2013 11 3自动化学院自动化学院10 基于遥控操作的机器人控制系统基于遥控操作的机器人控制系统 2013 11 3自动化学院自动化学院11 1 2 网络控制系统基本概念1 2 网络控制系统基本概念 1 常规控制系统结构 常规控制系统结构
5、 控制器被控对象 r t e t u t y t 执行器 传感器 图1 a 2013 11 3自动化学院自动化学院12 图1 b 控制器被控对象 r k e k u k y t 执行器 传感器 D A A D u t y k 计算机控制对象 3 2013 11 3自动化学院自动化学院13 控制器 被控 对象 r k e k u k y t 接收器 执行器 发送器 传感器 图2 a 输入通道 延迟 反馈通道 延迟 接收器 通讯控制器 D A 发送器 通讯控制器 A D u t y k 网络通道 2 网络控制系统结构 网络控制系统结构 2013 11 3自动化学院自动化学院14 ca k u t
6、y t sc k r k T 执行器 被控对象传感器 控制器 网络通道 k ca k sc 图2 b k sc k ca 反馈通道时延 输入通道时延 2013 11 3自动化学院自动化学院15 3 网络控制系统定义3 网络控制系统定义 通过网络形成闭环的反馈控制系统 称为网络控制系统 通过网络形成闭环的反馈控制系统 称为网络控制系统 NCS Networked Control System 即控制系统中的控制器 传感器 和执行器通过网络来交换控制及传感等信息 分布式系统 即控制系统中的控制器 传感器 和执行器通过网络来交换控制及传感等信息 分布式系统 DCS 工业现场总线系统 工业现场总线系统
7、 FCS 工业以太网 工业以太网 Ethernet 都属于网络控制系统的范畴 都属于网络控制系统的范畴 NCS体现了控制系统 向网络化 集成化 分布化以及节点智能化的方向发展趋势 在 工业控制 运动体控制 楼宇自动化等领域得到了广泛的应用 体现了控制系统 向网络化 集成化 分布化以及节点智能化的方向发展趋势 在 工业控制 运动体控制 楼宇自动化等领域得到了广泛的应用 2013 11 3自动化学院自动化学院16 图图3 a 直接结构的网络控制系统直接结构的网络控制系统 4 网络控制系统抽象结构 网络控制系统抽象结构 2013 11 3自动化学院自动化学院17 图图3 b 分层结构的网络控制系统分
8、层结构的网络控制系统 2013 11 3自动化学院自动化学院18 5 网络控制系统特点5 网络控制系统特点 1 结构网络化 结构网络化 NCS最显著的特点体现在网络体系结构上 它支持如总线 型 星型 树型等拓扑结构 与传统分层控制系统的递阶结构相比显得更加 扁平和稳定 最显著的特点体现在网络体系结构上 它支持如总线 型 星型 树型等拓扑结构 与传统分层控制系统的递阶结构相比显得更加 扁平和稳定 2 节点智能化 带有节点智能化 带有CPU的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能 协调 每个节点都是组成网络的一个细胞 且具有各自相对独立的功能 的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能 协调 每
9、个节点都是组成网络的一个细胞 且具有各自相对独立的功能 3 控制现场化和功能分散化 网络化结构使原先由中央控制器实现的任务 下放到智能化现场设备上执行 使危险得到了分散 从而提高了系统的可靠 性和安全性 控制现场化和功能分散化 网络化结构使原先由中央控制器实现的任务 下放到智能化现场设备上执行 使危险得到了分散 从而提高了系统的可靠 性和安全性 4 系统开放化和产品集成化 系统开放化和产品集成化 NCS的开发遵循一定标准进行 是一个开放 的系统 只要不同厂家根据统一标准来开发自己的产品 这些产品之间便能 实现互操作和集成 的开发遵循一定标准进行 是一个开放 的系统 只要不同厂家根据统一标准来开
10、发自己的产品 这些产品之间便能 实现互操作和集成 4 2013 11 3自动化学院自动化学院19 6 网络控制系统复杂性6 网络控制系统复杂性 1 网络环境下 多用户共享通信线路且流量变化不规则 这必然导致网络时延 同时采用不同的网络协议会使时 延具有不同的性质 网络环境下 多用户共享通信线路且流量变化不规则 这必然导致网络时延 同时采用不同的网络协议会使时 延具有不同的性质 2 传输数据流经众多的计算机和通讯设备且路径不唯一 这会导致网络时延和网络数据包的时序错乱 传输数据流经众多的计算机和通讯设备且路径不唯一 这会导致网络时延和网络数据包的时序错乱 3 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和
11、连接中断 这又会导致网络数据包的时序错乱和数据包丢失 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断 这又会导致网络数据包的时序错乱和数据包丢失 2013 11 3自动化学院自动化学院20 7 与传统点对点结构系统比较 与传统点对点结构系统比较 可以实现资源共享可以实现资源共享 实现远程操作与控制实现远程操作与控制 具有高的诊断能力具有高的诊断能力 安装与维护方便安装与维护方便 能有效减少系统的重量与体积能有效减少系统的重量与体积 增加系统的灵活性与可靠性增加系统的灵活性与可靠性 使用无线网络技术 可以实现使用大量广泛分布的廉价传 感器与远距离的控制器 执行器构成某些特殊用途的 使用无线网络技术
12、 可以实现使用大量广泛分布的廉价传 感器与远距离的控制器 执行器构成某些特殊用途的NCS 这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的 这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的 2013 11 3自动化学院自动化学院21 8 网络控制系统评价标准8 网络控制系统评价标准 1 网络服务质量 网络服务质量 QoS Quality of Service 包括网络吞吐量 传输效 率 误码率 时延可预测性和任务的可调度性 包括网络吞吐量 传输效 率 误码率 时延可预测性和任务的可调度性 2 系统控制性能 系统控制性能 QoP Quality of Performance 包括稳定性 快速性 准确性 超调
13、和震荡等 包括稳定性 快速性 准确性 超调和震荡等 2013 11 3自动化学院自动化学院22 9 网络控制系统技术基础9 网络控制系统技术基础 1 控制技术 构建了网络控制系统的功能和算法结构 是其内在灵魂与 核心 控制技术 构建了网络控制系统的功能和算法结构 是其内在灵魂与 核心 2 计算机技术 各个节点和控制功能模块的实现方式计算机技术 各个节点和控制功能模块的实现方式 它是形成控制网络 的软 硬件基础 是控制网络系统的血肉 它是形成控制网络 的软 硬件基础 是控制网络系统的血肉 3 网络与通信技术 网络通讯技术连接了网络控制系统的各个组成部分 是系统的连接架构 它构成了网络控制系统的躯
14、干 网络与通信技术 网络通讯技术连接了网络控制系统的各个组成部分 是系统的连接架构 它构成了网络控制系统的躯干 2013 11 3自动化学院自动化学院23 网络控制系统技术 分布式控制 混合控制 智能控制等 嵌入式系统 分 布式计算等 以太网 TCP IP 协议等 计算机技术 控制技术 网络通信技术 2013 11 3自动化学院自动化学院24 组合式模拟 控制系统 集中式数字 控制系统 集 散 控制系统 现场总线 控制系统 开放嵌入式 网络化控制系统 集中式 主从式 分布式 1 3 NCS的产生和发展1 3 NCS的产生和发展 5 2013 11 3自动化学院自动化学院25 设备1 检测 执行
15、 设备2 检测 执行 设备n 检测 执行 控制计算机 集中控制系统 DDC 2013 11 3自动化学院自动化学院26 设备1 检测 执行 设备2 检测 执行 设备n 检测 执行 C P U C P U C P U 上位机 集散控制系统 DCS 控制室 2013 11 3自动化学院自动化学院27 设备1 检测 执行 设备2 检测 执行 设备n 检测 执行 上位机 总线控制系统 FCS 控制装置控制装置控制装置 总线 2013 11 3自动化学院自动化学院28 设备1 检测 执行 设备2 检测 执行 设备n 检测 执行 控制机2 计算机网络 控制机1控制机n 网络化 控制系统 NCS 2013
16、11 3自动化学院自动化学院29 1 4 NCS中的基本问题1 4 NCS中的基本问题 1 时变传输周期 时变传输周期 传统计算机控制系统假设对被控对象进行等周期采样 使对系统分析大大简化 传统计算机控制系统假设对被控对象进行等周期采样 使对系统分析大大简化 NCS中对采样数据的传输可以是周期的 也可以是非 周期的 取决于控制网络的介质存取控制协议 中对采样数据的传输可以是周期的 也可以是非 周期的 取决于控制网络的介质存取控制协议 MAC Medium Access Control protocol 2013 11 3自动化学院自动化学院30 2 网络调度 网络调度 指一个节点多久可以传输一次信息 以及以多高的优先级传递信 息 发生在用户层或传输层以上 指一个节点多久可以传输一次信息 以及以多高的优先级传递信 息 发生在用户层或传输层以上 调度控制环的采样周期和采样时刻 以尽量避免网络中冲突现象 的发生 调度控制环的采样周期和采样时刻 以尽量避免网络中冲突现象 的发生 至于数据如何更有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应 采取何种措施 这些问题在网络层由线路优化和堵塞算法考虑 至
