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1、自动化专业英语教程,教学课件,August 18, 2016,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,A 网络控制系统中的基本问题 1.课文内容简介：主要介绍网络控制技术中网络控制系统 的定义、优点、网络控制带来的特殊问题网络延时、通过 通讯协议的特殊设计来解决网络延时的方法和单数据包与多 重数据包传输、丢失网络数据包等问题。 2.温习有关网络控制技术与设计方法方面的内容。 3.生词与短语 agility n. 灵活，便捷 jitter n. 抖（颤）动，颠簸 destabil
2、ize v. 使打破平衡，使不稳定 medium access control (MAC) 媒质访问控制 CSMA/BA 载波侦听多路访问/位仲裁 CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 ochronous n. 同步的，等时的,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,4. 难句翻译 1 Ethernet employs a CSMA with collision detection (CSMA/CD) protocol. When there is a collision
3、, all of the affected nodes will back off, wait a random time (usually decided by the binary exponential backoff algorithm), and retransmit, as shown in Case 3 of Fig.5-1A-2. 以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三种情况。,P5U2A Fundamental Issues in Networked
4、Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,5. 参考译文 A 网络控制系统中的基本问题 控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统叫作网络控制系统。网络控制系统定义的特点是信息（参考输入、系统输出、控制输入等）是使用网络在控制系统组件（传感器、控制器、执行器等等）中进行交换。图5-2A-1给出了网络控制系统的典型结构和信息流。网络控制系统的主要优点是减少系统接线，易于系统诊断和维护，并增加系统敏捷性。,图 5-2A-1 典型网络控制系统配置和信息流,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第
5、五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,在反馈回路中加入通讯网络使网络控制系统的分析和设计变得复杂。传统控制理论有许多理想的假设，比如同步控制、无信号检测延迟、无激励延迟等， 在将它用于网络控制系统之前必须对其进行重新评估。特别要讨论下面几个问题。 第一个问题是网络产生的延迟（传感器到控制器延迟和控制器到传感器延迟），当连接到公共介质上的装置交换数据时，这种延迟发生。这种延迟，或恒定（令人担忧）或不定，会降低设计时没考虑这种延迟的控制系统的性能指标，甚至使系统不稳定。其次，网络可被看成由不可靠传输通道组成的一张网。一些数据包不仅有传输延迟，甚至会在传输过程中丢失。因此，必须考虑丢失的信
6、息量对网络控制系统性能指标的影响程度。另一个问题是由于网络带宽和信息容量的限制，系统输出可采用多个网络数据包（所谓多重数据包传输）。由于网络平台对网络上其它节点的仲裁，可能性是全部/部分/没有信息包在控制运算时间内到达。,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,分布式控制可追溯到20世纪70年代初期，当时诞生了霍尼韦尔分布式控制系统（DCS ）。分布式控制系统中的控制模块被松散地连接到一起，因为大部分实时控制任务（信号检测、计算、激励）在单独的模块中执行。仅仅开/关信号、监控信
7、息、报警信息等通过串行网络进行传输。今天，借助于特定用途集成电路芯片设计和硅材料的大幅降价，传感器和执行机构都可安装网络接口，因此成为实时控制网络的独立节点。因此，在网络控制系统中，实时检测和控制数据通过网络进行传输，网络节点需要密切协作以完成控制任务。 现用于网络控制系统的候选网络有DeviceNet 、Ethernet 和FireWire 等有限几个网络。每个网络有自己为特定应用场合而设计的通讯协议。此外，网络控制系统的特性主要取决于网络本身的性能参数，这些参数包括传输速率，介质访问协议，数据包长度等。,P5U2A Fundamental Issues in Networked Contr
8、ol Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,主要有两种方法来解决网络控制系统设计中碰到的这些问题。一种方法是在设计控制系统时不考虑数据包延迟和丢失的问题，而是设计一个使这些事件发生的可能性最小化的通讯协议。例如，当网络交通超过网络管理的极限时，已提出各种堵塞控制和避路算法以获得更好的性能。另一种方法是将网络协议和交通作为已知条件，设计详细考虑上述问题的控制策略。为了管理延迟，可以形成基于延迟微分方程研究的控制策略。这里我们讨论针对网络导致的延迟和数据包丢失的分析和设计策略。 现在，我们将分析网络控制系统中的一些基本问题，包括网络导致的延迟，系统输入和输出的单个数据包
9、或多重数据包，网络数据包的丢失。,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,图 5-2A-2 随机存取网络上两个节点的时序图,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,网络导致的延迟 在网络控制系统中当传感器、执行器和 控制器通过网络交换数据时会发生网络导致的延迟。这种延迟 会降低在设计时没有考虑这个问题的控制系统的性能降低，甚 至会使系统不稳定。,图 5-2A-3
10、 按时序访问网络中任一节点的时序图,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,取决于控制网络介质访问控制协议， 网络导致的延迟可以是常数，时变。甚至随机的。介质访问控制协议通常分为两种：随机访问和按时序访问。载波侦听多路访问在随机访问网络中用的最多，而令牌和分时多路访问通常在按时序访问网络中。 使用载波侦听多路访问协议的控制网络包括DeviceNet 和Ethernet 。图5-2A-2给出了这种网络各种可能出现的情况。图形描述了连续传递信息（具有固定时间顺序）的两个节点。在载波
11、侦听多路访问网络上的节点在每次传递信息前监视网络情况。当网络时空闲的，它马上开始传递信息，如图5-2A-2中的情况1所示。否则节点在网络空闲前一直等待。当两个以上节点要同时传递信息时，会发生网络冲突。,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,解决冲突的方法依赖于网络协议。DeviceNet 是一种控制器局域网，它使用带有位智能仲裁的载波侦听多路访问协议。由于控制器局域网的信息是划分优先次序的，当传递冲突发生时，具有最高优先级别的信息继续传递，而优先级别较低的信息的传递被中断，当
12、网络空闲时再传递，如图5-2A-2中的情况2所示。使用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议。以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三种情况。这些类型网络上的数据包收到随机延时的影响，在最坏情况下数据包的传递时间是无法限定在某一时间范围内，因此，CSMA 网络通常是一种不确定性网络。但是，如果网络信息被划分优先次序，最高优先级别的信息有更好的机会及时传递信息。,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分
13、第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,令牌传递协议出现在令牌总线（IEEE 标准802.4）、令牌环（IEEE 标准802.5）和光纤分布式数据接口MAC 结构中，时分多址协议用于FireWire 网络。这类网络的时序图如图5-2A-3所示。这些协议通过让网络的每一个节点按照预先确定好的时间表传递信息从而消除了对共享网络介质的争夺。在令牌总线中，令牌是绕着逻辑环传递，但是在令牌环中，令牌实际上绕着物理环传递。在时序网络中，可以安排信息的周期性传递。例如，FireWire 网络有一个可分成小时间空档的传递周期，在传递周期中保证每一个同步传递有一个时间空档进行传递。在时序网络中当等待令牌或时间
14、空档时产生延时。当周期性地传递数据包时，等待令牌或时间空档的时间都是有限的。,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,单数据包与多重数据包传输 单数据包传输指的是传感器或执行器数据被集中在一个网络数据包中同时传输，而多重数据包传输中传感器或执行器数据由互相独立的多个数据包传输，这些数据包不可能同时到达控制器和系统。多重数据包传输的一个原因是由于数据包容量限制，分组交换网络在一个数据包中只能携带有限的信息。因此，大量数据必须分成多个数据包再进行传递。另一个原因是网络控制系统中的传
15、感器和执行器分布在巨大的物理空间内，不可能将数据放在一个网络数据包内。传统采样系统认为系统输出和控制输入是同时传递的，但对带有多重数据包传输的网络控制系统而言是不可能的。由于网络访问延时，控制器不可能在作控制运算的时间内收到所有更新的系统输出数据。不同的网络适合不同类型的数据传输。,P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题,以太网，最初是为传递数据文件而设计的，最多一个数据包可容纳 1,500个字节。因此，将传感器数据集中在一个数据包内进行传输对这种网络来说是更高效的。与以太网不
16、同，以小容量控制数据频繁传输为特点的DeviceNet每个数据包最大容量为8个字节，因此传感器数据经常被装在DeviceNet上的不同数据包中。 丢失网络数据包 当出现节点失败或信息冲突时，网络控制系统偶尔会丢失网络数据包。虽然大部分网络协议都有重新传递机制，这些机制仅在有限的时间内有效。这段时间一过，数据包丢失。而且，对诸如传感器测量值、运算后的控制信号这些实时反馈控制数据而言，放弃那些旧的、未被传递的信息，传递新获得的数据包（如果可能）是更有益的。用这样的方法，控制器总是得到用于控制计算的最新数据。通常反馈控制系统能容忍丢失一些数据，但确定仅以某一速率传递数据包时系统的稳定性和数据包传递速率的下限是非常有意义的。,P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二单元课文B 带网络延时的网络控制系统的稳定性,B 带网络延时的网络控制系统的稳定性 1
