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1、上海交通大学硕士学位论文I网络控制系统的分析与设计网络控制系统的分析与设计摘摘 要要随着控制系统规模的扩大和飞速发展的计算机、网络及通讯技术，将网络及通讯技术应用到控制科学领域的一种分布式、网络化、智能化的网络控制系统（Networked Control System, NCS）成为国内外研究界的热点之一。但在传统的控制系统中加入网络作为通讯媒介，使系统的性能有了大的改观的同时，也不可避免的带来了一些问题。所以本文就网络控制系统分析和设计的一些基本问题进行了相关研究。本文主要完成了一下主要工作：1. 阐述网络控制系统的基本问题，介绍了网络控制系统仿真工具TrueTime, 并对网络控制系统负载
2、以及采样周期问题进行了仿真分析。2. 详细分析了网络控制系统的时延特性，并重点比较了几种使用比较广泛的网络协议，然后对比仿真分析了几种协议的时延特性，指出 CAN 在网络控制系统应用中较有优势。3. 研究了网络控制系统联合设计的方法，分析了联合设计的过程，及性能评价指标，最后基于 DLQR 方法完成了控制器与网络的联合设计。关键词：网络控制系统，时延，联合设计，DLQR上海交通大学硕士学位论文IITHE ANALYSIS AND DESIGN OF NETWORKEDCONTROL SYSTEMAbstractWith the extension of control system scale
3、 and the rapiddevelopment of the computer network and communication technology,the network and communication technology are applied to the controlfield and lead to the new development of Networked Control Systems(NCS), which are distributed, networked and intelligent. The research ofNCS becomes one
4、of hot focus by the domestic and oversea scientists.The insert of network in the control system can improve the systemsperformance, but inevitably bring the some problems. So this thesisfocuses on the problems of analysis, design in NCS.1. Present basic problems and recent research achievements, tha
5、nthe simulation methodologiesTrueTime are introduced, and analysis thenetwork traffic load and sample period of NCS with TrueTime.2. Specific analysis of the network control system time delaycharacteristics, and compared the types of broadly network protocol, thensimulation analysis on the delay of
6、the protocol, pointing out that theCAN is more advantages for network control system.3. Discuss the co-design method of NCS，and the process of co-design, a performance index is proposed to contract the controller design上海交通大学硕士学位论文IIIwith the network characteristics. At last, biased on discrete line
7、arquadratic regulation, finish the co-design of the network controller andnetwork.Keywords: Networked Control System, Time delays, Co-design, DLQR上海交通大学学位论文原创性声明上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到
8、本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：付雷日期： 2008 年 2 月 18 日上海交通大学学位论文版权使用授权书上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名：付雷 指导教师签名：翁正新日期：2008 年 2 月 18 日
9、 日期：2008 年 2 月 18 日上海交通大学硕士学位论文- 1 -第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言 引言近年来,工业网络越来越成为控制系统不可缺少的组成部分,尤其是对控制系统智能化,柔性化的要求越来越高,更多的传感器,执行器,控制器被添加到现场设备中,网络控制系统 NCS（networked control systems）的概念也应运而生1.传统的控制模式往往通过点对点的专线将传感器信号传送到控制器，而后，再通过点对点的专线将控制器信号传送到传感器。此类结构模式下的控制系统往往布线复杂，使得成本增加，降低了系统的可靠性、抗干扰性和灵活性，扩展不方便。特别地，随着地域的分散以及系统的
10、不断复杂化，采用传统的布线设计的控制系统成本高、可靠性差、故障诊断和维护难等弊端更加突出。为了解决这些问题，将网络引入到控制系统中，采用分布式控制系统来取代独立控制系统，使得众多的传感器、执行器、和控制器等系统的主要功能部件通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，从而避免了彼此间专线的敷设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，提高系统的诊断能力、方便安装和维护，并能有效减少系统的重量和体积、增加系统的灵活性和可靠性2。尽管网络控制系统相比传统控制系统有许多优点，由于网络的介入，网络控制系统中信息的传输通过通信网络进行，而网络的带宽总是有限的，因此，数据包在网络传输过程中不
11、可避免的出现排队等待以及冲突。在共享的数据网络中，除传送闭环控制系统的控制信息之外，还需要传送许多与控制任务无关的其它信息，因此，资源竞争和网络拥塞等现象在网络控制系统中是不可避免的。而这些现象会导致数据传输的延迟，这种延迟称为网络时延。由于网络类型不同，网络延迟可能是常数、时变的，甚至是随机的。由于网络时延的存在，网络控制系统的控制指令往往不能及时执行，从而导致系统性能变差，严重的甚至会影响系统的稳定性。由于共享网络也存在网络阻塞和连接中断等现象，虽然大多数网络都具有重新传输的机制，他们也只能在一个有限的时间内传输，上海交通大学硕士学位论文- 2 -超出这个时间后，数据将被丢失。此外网络控制
12、系统还存在误码和数据包错序等问题，而这些问题在以往传统的控制系统中是不存在或是可以忽略的，因此基于传统的控制理论给出的控制设计和分析难以应用到网络控制系统中，必须针对网络控制系统的特点给出控制设计和系统分析的新方法。1.2 网络控制系统简介网络控制系统简介1.2.1 网络控制系统的特征 网络控制系统的特征尽管网络化控制系统的技术由计算机网络技术和控制技术交叉和融合发展而来，但由于服务对象的不同，它又区别于二者。最初的计算机网络技术主要用于文件传输和数据共享，在传输延迟上没有特定的要求，随着应用范围和服务对象的变化，如多媒体信息的加入，网络用户数量的膨胀，适应带宽、速率和实时性的要求才产生了速度
13、更快的千兆以太网，能够同时传输不同信息的ATM 技术等；传统的控制系统拓扑结构简单，由中央控制单元直接接收检测信号和发送控制信号，由于数据单一，数量少，实时性的实现一般不成问题。而在网络控制系统中，它面向的是分布式的检测器、控制器、服务器和人机界面等，应用场合往往是工业现场，这便对其提出了不同的要求，如实时性、数据多样性、抗干扰性、可靠与安全性等等。网络技术在控制系统中的应用给系统设计和系统理论带来了新的机遇。网络化控制系统是计算机控制系统的进一步发展，是计算机网络在控制领域的扩展和应用，是计算机网络、通讯和控制技术的融合和发展。网络化控制系统有如下特征3:1、网络化结构：网络化控制系统支持各
14、种拓扑图，如总线、星形、树形等。2、智能节点：同 CPU 的智能节点一样，网络化控制系统的节点能够通过网络传输信息和协调操作，一个网络化控制系统当中的节点可被认为是一个智能单元，能完成相对独立的功能4。3、局域控制和分散化功能：网络化结构可使智能节点完成某些中央处理器的功能。4、开放系统和产品集成：网络化控制系统是开放系统，可根据某些标准进上海交通大学硕士学位论文- 3 -行研制，所有的网络化控制系统产品可根据相应的标准集成。1.2.2 网络控制系统结构网络控制系统结构网络控制系统的结构如图 1-15所示。在控制系统中引入通信网络前后最大的区别在于：其一，单个控制循环通过通信网络形成了一个闭环
15、反馈系统，所有的信号传递都在一条共享通信通道上进行，多个控制循环可以共享同一个通信网络资源；其二，在控制器和控制对象之间、控制器和传感器之间存在网络传输时延。这一时延是由于有限的网络通信资源，包括带宽、协议、调度等方面的限制而造成的。图 1-1 网络控制系统结构图 Figure 1-1The block diagram of a networked control system 其典型结构有两种1 直接结构网络控制系统直接结构的组成包括一个控制器节点和一个远程的由物理系统、传感器、执行器组成的远程节点,控制器节点和远程节点的物理位置分布不同,依靠数据网络连接,构成一个远程闭环控制。如图 1-2
16、6所示- 4 -图 1-2 直接结构的网络控制系统 Figure 1-2 NCS in the direct structure上海交通大学硕士学位论文- 4 -2 分层结构网络控制系统分层控制结构的基本组成包括一个主控制器节点和一个远程闭环控制系统。主控制器周期性地根据远程传送的检测信号,针对控制需要发出控制参考信号给远程闭环控制系统,闭环控制系统根据远程参考信号和本地信号采取相应控制。 如图 1-37所示图 1-3 递阶结构的网络控制系统 Figure 1-3 NCS in the hierarchical structure目前,网络控制系统理论和方法的研究主要针对第一种结构,因为直接结构的控制和分析方法也能够用来解决分层结构,可以把分层结构中的远程闭环系统看成一个远程节点。从网络控制系统结构中我们看到,将网络引入控制系统使控制系统的分析变得很复杂,网络控制系统的复杂性由网络自身的特点所决定的,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,这会导致网络
