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1、网络控制系统研究背景现状目的及意义1 研究背景 .11.1 控制系统发展回顾 .11.2 网络控制系统的研究背景 .22 研究现状 .43 研究目的及意义 .51 研究背景 1.1 控制系统发展回顾 计算机网络技术的迅速发展和广泛应用正在改变人们的工作方式与生活方式，并进一步引起世界范围产业结构的变化，促进全球信息化的发展，同时，在经济、文化、科技、军事、政治、教育和社会生活的各个领域内发挥越来越重要的作用。由于计算机网络与数字通信网络在全世界范围内的迅速交叉发展，它们的影响日益深入到社会的各个方面，也使得传统的工业控制系统的结构发生了很大变化。20 世纪 50 年代以前的控制系统都是模拟量控
2、制系统，它们的体系结构是集中式的星型结构，回路中的传感器、执行器与控制器之间通过线缆分别直接连接，每一条线缆一般只连通两个节点。随着工业规模的发展以及生产工艺流程的不断细化，现代工业系统中需要进行测量和监控的指标和变量越来越多，在大型流程工业中监控点的数量动辄数以万计，传统的集中式控制系统本身固有的缺陷愈加明显，如系统可靠性低、安装和维护过程复杂、成本高等。50 年代至 60 年代，计算机控制系统被引入到化工领域使得控制系统转变为数字量的系统，它为人们实施更为复杂的控制提供了实现基础，但是此时的控制系统的结构仍然是集中式的，集中式系统中各个功能模块包括传感器、控制器以及执行器之间的连接仍然是点
3、对点结构的。这种集中式结构有其不可克服的缺陷，如系统可靠性低，系统重构性差等。为了克服这些缺陷和不足，分布式的控制系统结构逐步发展并且成为控制系统实际应用的发展方向。70 年代中期，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展成为目前应用广泛的集散控制系统(DCS)。虽然 DCS 技术已经发展到相当成熟的地步，但它仍存在许多缺点，其中一点就是一对一的结构特点。八十年代末发展起来了现场总线控制(FCS)，现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。然而目前国际上有 40 多
4、种现场总线，由于不同总线代表不同公司的利益，各大厂商都在积极参与和把持标准的制定工作。这导致了在现有产品结构和应用水平上，现场总线领域已经很难统一，使其不易广泛应用。经过 14年的纷争，最后 IEC 的现场总线标准化组织经投票，通过 8 种现场总线成为IEC61168 现场总线标准，但这 8 种现场总线采用的通信协议完全不同，因此，要实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的。九十年代开始了以太网在工业控制上的广泛研究。因为目前以太网技术是最符合网络控制系统现场总线特点(数字式互联网络、互操作性、开放性和高网络性能)的技术。但是，高速以太网的出现虽然缩短了响应时间，提高了网络的性能，但并没有完全解
5、决其在工业控制中的问题，而且新技术的引进也带来了新的问题。1.2 网络控制系统的研究背景通过以上对控制系统发展的简单回顾可以发现，引入通讯网络是控制系统实际应用的发展方向。控制系统的发展趋势是把完成控制要求所需的计算通讯乃至最后实施控制，发散到整个控制系统的不同层次上；同时它们彼此之间有机的形成一个整体，这个整体是开放的，能够根据实际需要灵活组织、协调。在这个发展趋势中，信号的数字化首先带动计算方式的革命，在控制系统中，体现为数字控制器的广泛使用；数字信号也是网络中的信号表示的基本方式，这样的控制系统在通讯层面和计算层面上来看，都是数字化的。因此本质上，网络控制系统是数字化的系统，它是控制系统
6、发展趋势在当前技术背景下的产物。网络控制系统从狭义的角度可以理解为：利用传输媒体把分布在不同地点的多个独立的计算机系统、自动控制装置、现场设备等按照不同的拓扑结构，应用各种通信方式连接起来的在网络环境下实现的一种控制系统。其目的是实现资源共享、分散处理和工业控制与管理的一体化。所以，集散控制系统（DCS ） 、工业以太网和现场总线控制系统在某种意义下都属于网络控制系统。随着计算机、网络、通信技术和控制理论的发展，网络控制系统在工业控制领域得到越来越广泛的应用，由于闭环控制中引入了网络，所以网络控制系统中也存在许多问题需要研究。网络随机延时的存在使得系统的分析和综合变得困难,如果延时足够大则会造
7、成系统不稳定。预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。根据网络控制系统特点，产生了网络控制系统的预测函数控制策略，通过此策略设计控制器可以解决了网络控制系统的时延补偿问题。因为预测控制采用了多步预测、滚动优化和反馈校正等控制策略，因此能够克服过程模型的不确定性,具有控制效果好、鲁棒性强等优点，从而得到了广泛的研究和应用。预测控制的产生，是复杂工业系统实现
8、优化控制的需要，具有很多适合工业环境的优点。基于模型的预测控制可在优化中考虑各种实际约束，又有很好的鲁棒性和抗干扰性，因而，与常规控制相比，能更好地实现动态控制，可以通过减少实际值偏离设定值的方差，使优化层的操作优化建立在更好的基础上，更接近理想的卡边控制。由于预测控制是基于离散模型进行控制器的设计，当它采用输出方差最小化的优化性能指标，一般地只考虑了采样点时刻系统的输出。由于系统被控对象的连续性，有必要采用采样系统预测控制方法。显然，这样得到的控制器更合理，更贴近于实际。2 研究现状 预测控制的产生，是复杂工业系统实现优化控制的需要，具有很多适合工业环境的优点。基于模型的预测控制可在优化中考
9、虑各种实际约束，又有很好的鲁棒性和抗干扰性，因而，与常规控制相比，能更好地实现动态控制，可以通过减少实际值偏离设定值的方差，使优化层的操作优化建立在更好的基础上，更接近理想的卡边控制。由于预测控制是基于离散模型进行控制器的设计，当它采用输出方差最小化的优化性能指标，一般地只考虑了采样点时刻系统的输出。由于系统被控对象的连续性，有必要采用采样系统预测控制方法。显然，这样得到的控制器更合理，更贴近于实际。由于预测控制的特点和在电力、石油、化工等行业的成功应用，再加上可观的经济效益，许多大公司不断推出和更新各种预测控制工程软件产品，成为预测控制应用广泛、成熟的另一个标志，为预测控制的应用起到了促进和
10、桥梁的作用。如美国 AspenTech 的 DMCplus 软件包、法国 Adersa 的 FPC、加拿大Treiber Control 的 OPC。在电力工业方面，提出一种适合于快速非线性预测的智能预测，并基于它对大电网并列运行水电机组功率智能预测控制。将 PID 自动整定和阶梯式广义预测控制（GPC） ，同时运用到大型工业锅炉的重要控制回路（如汽包水位和主蒸汽压力）中，使用 PID 自整定可以在任何时候快速、有效地修改 PID 参数；针对在线计算对 GPC 进行修改，得到阶梯式 GPC 方法，使计算量比 GPC 的递推算法大为减少，使之满足实际应用。针对并入大电网运行的水轮发电机组，提出了
11、一种有功功率的智能预测控制策略，并在电站分层分布式计算机控制系统中予以实现。另外，Mathworks 公司开发的 MATLAB 软件包中有模型预测控制工具箱，只需调用一个函数，就能实现相应的功能，方便、快捷、效率高，在控制系统设计、调试、计算机仿真方面得到了广泛应用。在工业应用中，预测控制方法所表现出的优点有以下四方面：建模方便：采用工业过程中较易得到的对象脉冲响应或阶跃响应曲线，过程的描述可以通过简单的实验获得，不需要深入了解过程的内部机理；采用了非最小化描述的离散卷积和模型，信息冗余量大，有利于提高系统的鲁棒性；采用了滚动优化策略，即在线反复进行优化计算，滚动实施，使模型失配、畸变、干扰等
12、引起的不确定性及时得到弥补，从而得到较好的动态控制性能；可在不增加任何理论困难的情况下，将这类算法推广到有约束条件、大时滞、非最小相位、非线性等过程，并获得较好的控制效果。尽管预测控制理论研究和应用近年来有了较大的进展，但还是有不少问题有待进一步解决。理论研究还不够。在目前的研究中，理论分析大多集中于单变量的基础算法。而成功应用的例子却大多是复杂的多变量系统。所以，对多变量预测控制算法的稳定性、鲁棒性的研究急待强化；对于非线性系统的预测控制，现在还没有很好的解决办法。主要原因是如何解决滚动优化的问题；现在的预测控制算法多种多样，需要把他们统一起来，归结为一种统一的理论，有利于预测控制算法的分析
13、和深入发展。虽然 IMC 控制结构能够统一一些算法，但还有许多结果不令人满意。 3 研究目的及意义 随着控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗透，控制系统结构越来越复杂，空间分布越来越广，对系统控制性能的要求也愈发提高。这给自动化技术的发展带来了新的机遇和挑战。目前，远程遥操作、遥医学、远程教学和实验、无线网络机器人、某些兵器系统以及新兴的现场总线和工业Ethernet 技术等，本质上都可归结为基于网络的控制系统，或者称为网络控制系统(Networked Control System，NCS)，即是利用专用或公用数据通信网络代替传统的点对点连接构成的闭环控制系统。网络控制系统打破了传
14、统控制系统在空间物理位置上的限制，拓宽了控制活动的场所，降低了系统的连接复杂性、降低了运行成本和维护费用，便于实现管控一体化，提高了信息集成度。网络环境下的新型管理信息系统及控制系统不仅可以应用于复杂的工业控制领域，而且在兵器系统、机器人工业、航空及航天领域也极具潜力。因此，针对网络控制系统的研究得到了国内外研究工作者的极大关注。在国内控制界，网络环境下控制的概念在近年来才被接受，所以本课题的研究具有积极和重要的意义。网络给控制系统带来若干优点的同时，也使得网络控制系统的分析与设计更加复杂和困难。网络控制系统的复杂性是由网络自身特点造成的，主要在于：(1)网络环境下多用户共享通信线路且流量变化不规则；(2)传输数据流经众多计算机和通信设备且路径不唯一；(3)数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致时序错乱、数据包丢失。因此，网络中传输的信息是处在动态不确定时变环境中。由于网络中信息流存在非线性动力学特性，网络作为闭环反馈控制的一部分和被控对象组成的闭环系统是一变时延的不确定的复杂系统，这对
