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1、存档编号存档编号 华北水利水电大学华北水利水电大学NorthNorth ChinaUniversityChinaUniversity ofof WaterWater ResourcesResources andand ElectricElectric PowerPower课程设计课程设计题目题目 网络控制系统（网络控制系统（NCSNCS）调研报告调研报告 学院学院 专业专业 姓名姓名 学号学号 指导教师指导教师 完成时间完成时间 华北水利水电大学课程设计（论文）华北水利水电大学课程设计（论文）目录1 引言.22 概述.33 网络控制系统中的基本问题.53.1 时延.53.2 丢包.53.3 时
2、序错乱.63.4 单包传输和多包传输.64 网络控制系统的研究现状.64.1 面向控制理论的 NCSs 研究.64.1.1 被动分析方法.74.1.2 主动设计方法.74.2 面向调度协议的研究.94.3 兼顾控制和网络的 NCSs 综合研究.94.4 NCSs 的应用.105 结论(Conclusions).106 参考文献.11华北水利水电大学课程设计（论文）华北水利水电大学课程设计（论文）摘要随着网络技术的快速发展，特别是智能手机的普及，使得网络已经逐渐深入到大众的生活与工作中，并且导致新技术的不断产生。网络控制系统（Networked Control Systems,简记为NCSs）应
3、运而生。本文主要从网络控制系统的概念、基本问题、研究现状和应用等方面来综述这一系统。华北水利水电大学课程设计（论文）华北水利水电大学课程设计（论文）1 引言引言(Introduction)计算机技术和通信技术的飞速发展, 使网络应用在全球范围内日益普及, 并渗透到社会生活的各个领域. 在控制领域, 网络已逐渐进入人们的视野, 并引领控制系统的结构发生着变化. 通过公用或专用的通信网络来代替传统控制系统中的点对点结构已越来越普遍. 这种通过网络形成闭环的反馈控制系统称为网络控制系统(networked control systems, 简记为 NCSs). 与传统点对点结构的控制系统相比, NC
4、Ss 具有成本低、功耗小、安装与维护简便、可实现资源共享、能进行远程操作等优点16. 若采用无线网络, NCSs 还可以实现某些特殊用途的控制系统, 这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的. NCSs 的诸多优点使其在远程医疗、智能交通、航空航天、制造过程以及国防等领域得到了日益广泛的应用. 然而, 网络并不是一种可靠的通信介质. 由于网络带宽和服务能力的物理限制, 数据包在网络传输中不可避免地存在时延、丢包以及时序错乱等问题. 这些问题是恶化系统性能以及导致 NCSs 不稳定的重要原因, 并且这些问题的存在使传统控制理论很难直接应用于 NCSs 的分析和设计.为保证 NCSs 稳定并具有
5、满意的控制性能, 必须深入研究 NCSs 并发展与其相适应的分析和设计理论. 近年来, NCSs 的研究得到了来自控制领域、信号处理领域、以及通讯领域研究人员的共同关注.2 概述概述网络控制系统(NetWorked Control System , NCS) , 又称为网络化的控制系统 , 是一种全分布、网络化实时反馈控制系统。它是指某区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合 , 用以提供设备之间的数据传输 , 使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。它是上世纪 90 年代初提出的概念 , 是华北水利水电大学课程设计（论文）华北水利水电大学课程设计（论文）计算机技术、通信技术与控
6、制技术发展与融合的产物。网络控制系统充分体现了控制系统向网化、集成化、分布化、节点智能化的方向发展 , 在工业自动化等方面己产生了深远影响。 它的典型结构如图 1 所示 :网络控制系统一般有两种理解, 一种是对网络的控制 ( Control of Network) ; 另一种是通过网络传输信的控制系统( Control through Network) 5。这两种系统都离不开控制和网络, 但侧重点不同。前者是指对网络路由、网络数据流量等的调度与控制, 是对网络自身的控制, 可以利用运筹学和控制理论的方法来实现; 后者是指控制系统的各节点( 传感器、控制器、执行器等) 之间的数据不是传统的点对点
7、式的, 而是通过网络来传输的, 是一种分布式控制系统, 可通过建立其数学模型用控制理论的方法进行研究。将计算机网络系统应用于控制系统中代替传统的点对点 ( Point to Point) 式的连线, 具有简单快捷、连线减少可靠性提高、容易实现信息共享、易于维护和扩展、降低费用等优点。网络控制系统的特点如下： 1 控制系统网络化这是 NCS 的根本特点，正是由于控制网络的引入，将原来的不同地点的现场设备连接成网络，为数据的集中管理的远程传送、控制系统与其他信息系统的连接与沟通创造了条件。 2 信息传输的数字化数字化与网络化相辅相成，如果网络化是从系统角度描述 NCS 的特点，那么数字化则是从信息
8、点的角度描述 NCS。与模拟信号相比，数字信号的抗干扰能力强，传输精度高，传输的信息更丰富，同时数字化进程也大大减少了控制系统布线的复杂性。 3 控制结构的层次化在 DDC 控制结构中，一台计算机不仅要完成底层的回路控制和顺序控制，还要完成系统的实时监控，参数调试等任务。而在华北水利水电大学课程设计（论文）华北水利水电大学课程设计（论文）NCS 中这些任务分别在不同层次的不同计算机完成，每台计算机都各司其职，控制层次与控制任务得到细分。 4 底层控制的分散化和信息管理的集中化，这一特点是控制系统层次化的延伸，在底层 NCS 利用现场控制设备实现了分布式控制，增强了控制系统的可靠性，在上层实现了
9、对底层数据的集中管理，监视，为上层的协调优化，甚至对宏观决策提出必要的信息支持。 5 硬件和软件模块化采用模块化结构可以使系统具有良好的灵活性和可扩展性、成本低、体积小、可靠性高。并且使系统的组态方便、控制灵活、调试效率高、操作简单。 6 控制系统的智能化主要指在现场设备上的智能化和控制算法与优化算法上的智能化。 7 通讯协议的渐进标准化协议的标准化意味着系统具有更好的开放性、互操作性。3 网络控制系统中的基本问题网络控制系统中的基本问题(Fundamental issues in NCSs)NCSs 是一个源于控制工程实践的新兴研究领域, 其系统结构较传统控制系统更为复杂. 本节将介绍 NC
10、Ss 中的基本问题和固有特性,以加深对 NCSs 的理解和认识. 3.13.1 时延时延(Time(Time delay)delay)由于网络带宽和服务能力的物理限制, 数据包在网络传输中不可避免地存在时延. 网络时延受网络协议、负载状况、网络传输速率以及数据包大小等因素的综合影响, 其数值变化可呈现随机、时变等特性. 在 NCSs 的研究中, 时延的数学描述主要采用以下 3 类模型: 固定时延模型7,8、具有上下界的随机时延模华北水利水电大学课程设计（论文）华北水利水电大学课程设计（论文）型911以及符合某种概率分布的概率时延模型(如有限状态 Markov 过程1214、Bernoulli
11、分布15等). 3.23.2 丢包丢包(Packet(Packet dropout)dropout)由于网络节点的缓冲区溢出、路由器拥塞、连接中断等原因, 数据包在网络传输中会出现丢失现象; 丢包受网络协议、负载状况等因素的综合影响, 通常具有随机性、突发性等特点. 在 NCSs 的研究中, 丢包的数学描述主要有以下两种方法: 1) 确定性方法: 该方法通常采用平均丢包率8,16或最大连续丢包量17来描述丢包;2) 概率方法: 该方法假设丢包满足某种概率分布, 如有限状态的 Markov 过程17、Bernoulli 分布18,19等, 并采用相应的概率模型来描述丢包.3.33.3 时序错乱时
