网络控制系统与应用总结

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1、 绪论绪论 1、 定义：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，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。 2、网络控制系统特点网络控制系统特点： (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

2、 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。 3、网络系统研究内容网络系统研究内容 一、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。包括 NCS 体系结构和通信协议的研究、NCS 时延分析和网络调度、NCS 数据包传送的问题、NCS 中带 通信约束的控制问题和 NC

3、S 的系统与信息的集成。 二、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。包括 NCS 的数学模型、NCS 的极点配置设计方法、NCS 的最优化 设计方法、NCS 的鲁棒控制设计方法、NCS 的智能控制设计方法和 NCS 的性能分析。 三、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。包括协同考虑控制与调度和 NCS 中的并行计算 4、节点的驱动方式节点的驱动方式：时钟驱动和事件时钟驱动和事件驱动。驱动。

4、 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。（传 感器采用） 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。 （控制器 和执行器两者均可） 5、网络控制系统中的基本问题：网络控制系统中的基本问题： 时变传输周期：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 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 网络时延：在 NCS 中由于信道竞争、物理信号编码和通信协议处理等带来的额外开销，在

5、控制器、执行器和传感器之 间不可避免地引入了不同类型的时延 单包传输和多包传输：单包传输指 NCS 中的传感器、控制器的一个待发送数据被捆在一个数据包中发送；而多包传输 指待发送的数据被分成多个数据包进行传输。 数据包时序错乱：在网络环境下，被传输的数据流经众多的计算机和通讯设备且路径不唯一，因此将导致数据包的时 序错乱问题。 数据包丢失：在网络中由于存在网络阻塞和连接中断，因此会导致数据包的丢失。 节点驱动方式：NCS 的节点有两种驱动方式：时钟驱动和时间驱动 时钟同步：在 NCS 中，当控制器和执行器有一个为时钟驱动时，便存在一个时钟同步问题，其目的是给两个或多个节 点的内部时钟以同样的值

6、。NCS 中的时钟同步分为硬件同步和软件同步。 二二 网络控制系统的通信网络控制系统的通信 1、 通信的类型：通信的类型： 模拟通信： 是以模拟信号传输信息的通信方式。例如：在常规控制系统中采用的 010mA 或 420mA 或 05V 的模拟电信号。 数字通信： 是将模似电信号转换为数字信号后，再进行传输的通信方式。例如：A/D 转换器与 CPU 之间的信息传输 数据通信： 是一种通过计算机或其它数字装置与通信线路相结合，实现对数据信息（具有一定编码、格式和位长要求 的数字信息）的传输、转换、存储和处理的通信技术。例如：计算机与计算机之间的交换信息都是数据信息。 数据通信与数字通信的不同之处

7、是数据通信与数字通信的不同之处是： 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 数据通信系统的组成：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， 信息源信息源：是将要被传输(发送)的数据信息； 通信控制部件通信控制部件：是通信数据处理子系统，负责实现计算机内部代码与通信编码之间的转换，以及网络控制方式、同步 方式、差错控制和通信软件的选择与执行 信道信道：是信息传输通道，它包括传输介质（线路）和有关的中间通信设备， 收收/发装置（调制解调器）发装置（调制解调器） ：是一个以信息的发送、收集、分配和转

8、贮为目的的数据传输子系统，它只负责保证数据准 确无误的传送，不涉及对数据信息的加工处理 信息宿信息宿：是通过传输已收到的数据信息； 数据通信方式数据通信方式 按数据位的传送方式分，有：按数据位的传送方式分，有： 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，只适用于近距离的数据通信 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。 按信息的传送方向分，有按信息的传送方向分，有 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。 半双工（Half duplex）通信方

9、式：允许信息在两个方向上传输，但在同一时刻只限于一个方向的传输， 全双工（Full duplex）通信方式。允许信息同时在两个方向上进行传输 按连接方式分按连接方式分，有，有 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。 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 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， 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（D

10、irect Memory Access 简称 DMA）操作，实现数据通信， 数据传输原理数据传输原理 在分散控制系统中，各功能站处理的信号均为二进制数据信息，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原始电脉冲信号，称为： “基带信号” 在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。 2、数据通信的技术指标数据通信的技术指标： 数据传输速率：单位时间内传送的信息量。 （分为数据信号速率、调制速率、数据传输速率） 信道容量：信道所具有

11、的最大传输能力。单位时间内传输的信息量越大，信息的传输能力也就越大，表示信道容量大。 误码率：二进制码元在传输系统中被传错的概率。 3、 网 络 的 拓 朴 结 构 ：网 络 的 拓 朴 结 构 ： 指 网 络 中 各 站 （ 或 节 点 ） 之 间 相 互 连 接 的 方 式 。4、常用的控制方式大致可分为常用的控制方式大致可分为： 查询方式查询方式：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。查询方式比普通分时方式的通信 效率高，而且查询方式具有无冲突，软件设计比较简单的优点；但查询方式的信息交换都必须经过网络控制器，所以 通信速度较慢，可靠性较差。 广播方式广播方式：

12、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，参加网络通讯的所有站点都处于平等地位。但各站点为抢占信道会产生冲突， 。分为 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。主要优点是在同一时间内，可支持网络中多个站点发送信息，网络利用率较高、且结 构简单，信息的延时少。不足之处是硬件软件都比较复杂。 通信网络的概念通信网络的概念 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。 通常，处于网

13、络中的每个单元称为站或节点（统称站点） 。根据网络中站与站之间的距离远近，通信网络可分为三大类，通信网络可分为三大类 a 紧耦合网络：是一种通过计算机内部总线实现站与站之间通信的网络。如具有多处理器的现场控制单元内部，采用 的就是这类网络。 b 局域网络： 这是一种利用双绞线 （或同轴电缆或光缆） 实现站间连接的网络， 站与站之间的距离在几公里范围之内。 c 广域网络：这是一种利用光缆、电话线或无线信道实现站间连接的网络，网络覆盖的地理范围一般在几公里以上乃 至全球 工业控制局域网络的特点工业控制局域网络的特点 1具有快速实时响应能力 能及时地传输现场过程信息和操作管理信息，网络的响应时间一般

14、在 0.010.5 秒以内，高优先级信息的存取时间不 超过 10 毫秒。 2，具有恶劣环境的适应性 工业局域网采取了各种技术措施（如光电隔离技术、整形滤波技术、信号调制解调技术等） ，能克服如：电源、电磁、 雷击、地电位差等各种干扰的影响。保证通信系统在恶劣的环境下正常工作。 3，具有极高的可靠性 通常，除采取各种有效的信号处理和传输技术，使通信误码率最大限度降低外，还采用了双网冗余方式，进一步提高 局域网运行的可靠性 ,4，具有合理的分层网络结构 一般而言，网络系统可分为三层，即现场总路线、车间级网络和工厂级网络。这是一种以不同层次的网络适应不同的 应用需求的分层网络结构。使系统内的信息交换

15、区域和网络上的信息流量等更具合理性。 5、通信网络使用的信息交换技术通常有通信网络使用的信息交换技术通常有： 线路交换线路交换：是指通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，当传送周期结束后，立即“拆 除”专用线路。信息传送的实时性好，各节点延时小，但一旦两站连接建立起来，即使没有数据传送，其它站也不能 使用线路上的任何节点，故线路的利用率较低。 报文交换报文交换：在发送站将发往目的站的信息分割成一份份报文正文，并在报文正文前加上报头，在报文正文后面加上报 尾，然后把报文交给节点传送。允许多个报文分时共享同一线路，其线路的利用率高；而且只要在报文上附上有关目 的站的站名，

16、可以把一个报文发送给多个目的站。但是报文要在节点上排队等待，使传输时间延长。 包交换包交换：也叫分组交换，它将一个较长报文分解成若干个较短的报文段，这些报文段称之为“包” 或“报文分组” ，每个 包上附加必要的传送控制信息，并按规定的格式排列，以一个组合的整体作为一个信息交换单位。综合了线路交换和 报文交换的优点，既具有良好的实时性，又具有较高的线路利用率和传输效率。 6、 Feature WiFi (IEEE 802.11b) Bluetooth (IEEE 802.15.1) ZigBee (IEEE 802.15.4) Radio DSSS1 FHSS2 DSSS Data rate 11 Mbps 1 Mbps 250 kbps Nodes per master 32 7 64,000 Slave enumeration latency Up to 3 sec Up to 10 sec 30 m