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1、第1章 绪论网络控制系统（NCS）1结构：控制器、执行器、被控对象、传感器。2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（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。3特点：(1) 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；2) 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；(3) 控制现场化和功能分散化：网络化结构使原
2、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：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。4与传统点对点结构系统比较；可以实现资源共享，实现远程操作与控制，具有高的诊断能力，安装与维护方便，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，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NCS，这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的。5 网络控制系统评价标准；(1) 网络服
3、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。2) 系统控制性能（QoP, Quality of Performance）：包括稳定性，快速性，准确性，超调和震荡等。6 NCS中的基本问题；1、时变传输周期 2、网络调度（1）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;（2）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；（3） 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。 ） 3、网络时延 4
4、、单包传输和多包传输 5、数据包时序错乱 6、数据包丢失。7、节点驱动方式（NCS的节点有两种驱动方式：时钟驱动和事件驱动。时钟驱动：网络节点在一个事先确定的时间到时开始动作，事先确定的时间为节点动作的依据，如节点的采样时刻。事件驱动：网络节点在一个特定的事件发生时开始动作，如网络节点通过数据网络从另外一个节点接受数据。NCS中的传感器一般采用时钟驱动，而控制器和执行器可以是时钟驱动，也可以是事件驱动）8、时钟同步。7 NCS研究内容 1、对网络的控制：围绕网络的服务质量，从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协议等不同的角度提出解决方案，满足系统对实时性的要求，减小网络时延、时序错乱、数据
5、包丢失等一系列问题。可以运用运筹学和控制理论的方法来实现。2、 通过网络的控制：指在现有的网络条件下，设计相适应的NCS控制器，保证NCS良好的控制性能和稳定性。可以通过建立NCS数学模型用控制理论的方法进行研究。3、 NCS整体性能的优化与提高（综合控制）：综合考虑提高网络性能和控制性能的基础上，优化和提高整个NCS的性能.基于网络的智能控制 1.通信的含义：所谓通信，就是指采用某种特定的方法，通过某种介质（如传输线）或渠道将信息从一处传送到另一处的过程。 2通信的类型存在两大类通信方式：非电通信和电通信。其中电通信可分为三种类型：1模拟通信 2数字通信：3数据通信：数据通信与数字通信的不同
6、之处是：数字通信的信息源发出的是模拟信号；数据通信的信息源发出的是数字信息。3 数据通信系统的组成：一个最基本的通信系统，是由信息源、发送装置/接收装置、信道、通信控制部件、信息宿等部分组成。4 数据通信方式的分类；（一）按数据位的传送方式分，有：1并行通信方式：将一个二进制数据的所有位同时传送 的方式，特点：传送速度快，线路成本高。2串行通信方式：将一个二进制数据逐位顺序传送的方式，特点：线路投资省，传输速度比并行通信的速度慢。适用于长距离传送。（二）按信息的传送方向分，有：1单工（Simplex）通信方式：只允许信息沿一个方向（而不能作反向）传输。2半双工通信方式：允许信息在两个方向上传输
7、，但在同一时刻只限于一个方向的传输，3全双工通信方式。允许信息同时在两个方向上进行传输，（三）按连接方式分：1总线连接的通信方式：将两台计算机的总线通过缓冲转换器直接相连。2调制/解调连接的通信方式：将计算机输出数据经并/串转换后进行调制，然后在双芯传送线上发送；而接收端对收到的信息进行解调，然后经串/并转换使数据复原，3过程I/O连接的通信方式：利用计算机的输入/输出接口的功能传送数据的 4高速数据通道连接的通信方式：采用二进制串行高速传送的方式，它在高速数据通信指挥器的控制下，对要通信的计算机内存进行直接存储器存取操作，实现数据通信，5 数据传输原理 在分散控制系统中，各功能站处理的信号均
8、为二进制数据信息，这些由“0”和“1”组成的数据信息，最普通且最简单的方法是用一系列电脉冲信号来表示。具有固有频带且未经任何处理的始电脉冲信号，称为：“基带信号”。6 数据信息的传输有两种基本形式 1、基带传输，即直接利用基带信号进行传输；2、频带传输，即将基带信号用交流或脉冲信号调制后再传输。（一）基带传输 1基带信息的几种表示法： （1）单极性波形（2）双极性波形（3）单极性归零波形（4）双极性归零波形（5）交替双极性归零波形 2 基带传输的特点：(1)基带信号传输，要求信道具有从直流到高频的频率特性。因此，在信息高速传输的NCS中，不能采用常规的传输介质，而应采用具有很高通频带的同轴电缆
9、或光缆。(2)基带传输是按照数字信号波形的原样进行传输的，它不需要调制解调器，因而设备投资少，维护费用低。但信号传输距离有限，仅适用于较小范围的数据传输。（二）频带传输（调制与解调）数据信号在模拟传输系统上远距离传输时，必须采用调制与解调手段。所谓“调制”，是在发送端用基带脉冲信号对载波波形的某个参数（如振幅、频率、相位）进行控制使其随基带脉冲的变化而变化，即把基带信号变换成适合于模拟传输系统传输的交流信号。所谓“解调”，是在接收端将收到的调制信号进行与调制相反的转换，使之恢复到原来的基带脉冲信号。1.常用的调制方式有三种：（1）振幅调制 （2）频率调制，频率调制可分为两种形式：相位连续调频信
10、号 相位不连续调频信号（3）相位调制 相位调制所产生的调制波称为“调相信号”，它可分为两种形式：绝对移相调相信号 相对移相调相信号 7 数据通信的技术指标 1，数据传输速率单位时间内传送的信息量。数据传输中有三种速率：）数据信号速率： （2）调制速率： （3）数据传输速率2 信道容量信道所具有的最大传输能力 3.误码率二进制码元在传输系统中被传错的概率。8.多路复用技术 即把多路信号在一条信道上进行传输，以提高传输效率。常用的多路复用技术有1频分多路复用（FDM）技术 2时分多路复用（TDM）技术 9.同步技术 是指接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据，即收、发端的动作在时间上
11、取得一致。第二节通信网络 一、通信网络的概念通信网络，是将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现数据传输及资源共享的系统。处于网络中的每个单元称为站或节点（统称站点）通信网络可分为三大类： 1、紧耦合网络(又称多处理器系统) 2、局域网络（L简称LAN，又称局部网络）3、广域网络（简称WAN，又称远程网络） 二、工业控制局域网络的特点 1、具有快速实时响应能力（响应时间一般在0.01-0.5秒以内）2、具有恶劣环境的适应性 3、具有极高的可靠性 4、具有合理的分层网络结构（可分为三层，即现场总路线、车间级网络和工厂级网络） 三、局域网络
12、的拓朴结构（a）星形（b）环形（c）树形(d）网形（e）总线形四、网络控制方式 常用的控制方式大致可分为三类： 查询方式 适用于有主节点的星形网络控制,，网络中的主节点就是一个网络控制器 广播方式 是一类在同一时间内网络上只有一个节点发送信息而其它节点处于收听信息状态的网络控制方式。广播式通讯控制技术不需要网络控制器 广播方式有三种形式：令牌传送方式 自由竞争方式 时间分槽方式 存储转发方式存储转发方式也称环形扩展式。五、网络的信息交换技术通信网络使用的信息交换技术通常有三种:1线路交换 2报文交换 3包交换 第三节差错控制技术 一、差错及其类型两种差错类型：随机差错 突发差错 二、传输的可靠
13、性传输的可靠性与传输速度密切相关 通常传输的可靠性指标用误码率来表示 三、降低误码率的措施降低通信系统的误码率，提高数据传输的准确度，保证传输质量的措施有两种：1通过改善通信网络及各站的电气性能和机械性能，来降低误码率 2在误码率不够理想的情况下，由接收端检验误码，然后设法纠正误码。这种措施即为“差错控制技术”，是降低误码率常采用的措施。四、误码检验最常用：奇偶校验和循环冗余校验两种方法。（一）奇偶校验是一种以字符为单位的校验方法。这种校验方法首先将所要传输的信息按字符进行分组，并在每组（每个字符）信息前面加上一个奇偶校验位（冗余码）构成码字。奇偶校验位可以是0或1，其作用是保证码字中为“1”
14、的个数为奇数（或偶数）。若码字中为“1”的个数为奇数，该码字称为“奇校验码”；若码字中为“1”的个数为偶数，该码字称为“偶校验 例如：字符“R” 的ASCII码为1010010，为使其传输时具有检错能力，应在该字符的七位信息码前加上一个校验位。R信息码前加一个为“0”的校验位，构成码字01010010（R的奇校验码）；R信息码前加一个为“1”的校验位，构成码字11010010（R的偶校验码）。(二)循环冗余校验-是应用最为广泛，纠错能力很强的一种误码检验方法。循环冗余校验是基于系统循环码的误码检验方法。其基本原理是：发送端按照系统循环码的编码方法，发送可以被g(x)除尽的码多项式对应的码字（先
15、发送码字中的信息码，后发送冗余码）。接收端设有检验电路，它用来接收码字，并判别收到的码字是否能被g(x)整除。如果可以被整除，则认为传输正确，此时接收端向发送端作出肯定应答，通知发送下一个新的数据信息；如果收到的码字不能被g(x)整除，则认为传输过程发生差错，此时接收端向发送端作出否定应答，要求重新发送一次该码字。五、纠错方式在数据信息传输中，实际应用的纠错方式最常用的有以下三种：1重发纠错方式：2自动纠错方式 3混合纠错方式：是上述两种纠错方式的综合第四节网络协议在计算机通信网络中，对所有的站点来说，它们都要共享网络中的资源。但由于挂接在网上的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同的生产厂
16、家，型号也不尽相同，它们在硬件及其软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。因此，需要有一套所有“成员”共同遵守的“约定”，以便实现彼此的通信和资源共享。这种约定称为“网络协议”。 一、协议层次参考模型国际标准化组织针对网络通信在功能上的层次，提出了开放系统互连（简称OSI）参考模型，从而定义了任何计算机互连时通信任务的结构框架。OSI参考模型数据通信的基本原理： OSI参考模型各层的基本作用：1物理层 。负责在物理线路上传输数据的位流(比特流)，为链路层服务。 2链路层 用以建立相邻节点之间的数据链路，确立链路使用权的分配，负责将被传送的数据按帧结构格式化、传送数据帧、进行差错控制、介质方向控制、以及物理层的管理 3网络层 用于传输信息包或报文分组，向上一层的传输层提供传输类型服务，负责通信网络中路径的选择
