網(wǎng)絡(luò)化控制論文

網(wǎng)絡(luò)化控制的研究現(xiàn)狀與展望引言隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展,控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,控制對(duì)象日益復(fù)雜,控制系統(tǒng)朝著更加分散化、智能化的方向發(fā)展。復(fù)雜控制系統(tǒng)通常被分解成若干個(gè)分布式的單一功能子系統(tǒng),系統(tǒng)操作靈活,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,方便安裝與維護(hù)。與此同時(shí),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來(lái)越成熟,使得用戶(hù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸及交互操作,并且其成本、布線(xiàn)復(fù)雜性、維護(hù)難度等大大降低。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),大量的研究及應(yīng)用開(kāi)始集中在將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)用于遠(yuǎn)程的工業(yè)控制及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中。將網(wǎng)絡(luò)集成到控制系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接具有很多優(yōu)點(diǎn),但是,在反饋控制回路中加入通信網(wǎng)絡(luò)的同時(shí),也增加了控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。因此,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)必須解決的主要問(wèn)題之一,就是在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況下如何保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)近年來(lái)逐漸成為控制領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn),大量的科技文獻(xiàn)都從不同的角度對(duì)其進(jìn)行了研究和討論。本文主要介紹了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的定義、發(fā)展和典型結(jié)構(gòu),著重綜述了目前網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制方法,最后對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本書(shū)基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研成果，系統(tǒng)地介紹了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的組成原理、控制結(jié)構(gòu)、建模方法，網(wǎng)絡(luò)擁塞閉環(huán)控制機(jī)理，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延閉環(huán)控制方法，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)及應(yīng)用，基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于Internet和Web的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)在工業(yè)加熱爐、工業(yè)鍋爐和電廠(chǎng)鍋爐濕法煙氣脫硫中的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器都是與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，傳遞信號(hào)一般采用電壓和電流等模擬信號(hào)。在這種結(jié)構(gòu)模式下，控制系統(tǒng)往往布線(xiàn)復(fù)雜，從而增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、靈活性和擴(kuò)展性，特別在地域分散的情況下，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的高成本、低可靠性等弊端更加突出。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的技術(shù)變革，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(NetworkedControlSystem,NCS)應(yīng)運(yùn)而生，其主要標(biāo)志就是在控制系統(tǒng)中引入了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從而使得眾多的傳感器、執(zhí)行器、控制器等主要功能部件能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接,相關(guān)的信號(hào)和數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換,避免了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專(zhuān)線(xiàn)的鋪設(shè),而且可以實(shí)現(xiàn)資源共享、遠(yuǎn)程操作和控制,增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。在控制系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)并不是一個(gè)新的想法，它可以追溯到20世紀(jì)70年代末期集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,DCS)的誕生。在DCS出現(xiàn)之前，早期的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl,DDC),在這種控制結(jié)構(gòu)中,所有傳感器和執(zhí)行器都與同一臺(tái)計(jì)算機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)昂貴,系統(tǒng)一般采用集中式的體系結(jié)構(gòu),整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和控制策略都由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成,即使是計(jì)算機(jī)一個(gè)單一的故障也會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)及其所有回路失效。伴隨著計(jì)算機(jī)成本的下降和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,(計(jì)算機(jī))控制網(wǎng)絡(luò)被首次引入到了控制系統(tǒng),導(dǎo)致了DCS的產(chǎn)生。DCS將控制任務(wù)分散到若干小型的計(jì)算機(jī)控制器(也叫做現(xiàn)場(chǎng)控制站)中,每個(gè)控制器采用DDC控制結(jié)構(gòu)處理部分控制回路,而在控制器與控制器、控制器與上位機(jī)(操作員站或工程師站)之問(wèn)建立了計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò),這種控制結(jié)構(gòu)使得操作員在上位機(jī)中能夠?qū)Ρ豢叵到y(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,某個(gè)控制回路的控制策略的設(shè)計(jì)也可以在上位機(jī)中組態(tài)完成,通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)下載到對(duì)應(yīng)的控制器中實(shí)時(shí)運(yùn)行。DCS大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性,并實(shí)現(xiàn)了集中管理和分散控制。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的定義與發(fā)展所謂網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),是指在串行網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)控制回路的系統(tǒng),即控制系統(tǒng)中的控制器、傳感器和執(zhí)行器等元件通過(guò)串行網(wǎng)絡(luò)來(lái)交換控制及傳感等信號(hào)。始于20世紀(jì)50年代的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),因其體積大、功耗高、可靠性差,使之在控制系統(tǒng)的應(yīng)用很有限,大多工作在監(jiān)控模式下,在隨后出現(xiàn)的直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)成為控制回路的一部分。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和控制系統(tǒng)規(guī)模的增大，越來(lái)越需要計(jì)算能力的分布化。Honeywell公司在1975年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)分布式控制系統(tǒng)(DCS)TDC2000。在如圖2所示的DCS系統(tǒng)中，幾臺(tái)控制計(jì)算機(jī)作為過(guò)程工作站用來(lái)控制工業(yè)過(guò)程，操作員站和各種輔助工作站用來(lái)監(jiān)視和保存過(guò)程數(shù)據(jù)以及進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化。傳感器和執(zhí)行器直接連接到控制計(jì)算機(jī)上，只有開(kāi)關(guān)信號(hào)、監(jiān)視信息、警報(bào)信息等通過(guò)串行網(wǎng)絡(luò)傳輸。到了20世紀(jì)90年代，微處理器的發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用產(chǎn)生了深刻影響。隨著ASIC芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和硅片價(jià)格下降,傳感器和執(zhí)行器可以帶有網(wǎng)絡(luò)接口,并成為實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，這導(dǎo)致了NCS的出現(xiàn)。在如圖3所示的NCS中，所有的控制器、傳感器、執(zhí)行器共享同一串行網(wǎng)絡(luò)。近20年來(lái)，控制網(wǎng)絡(luò)獲得迅速發(fā)展，目前應(yīng)用于控制領(lǐng)域中的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(fieldbuscontrolsystem)、工業(yè)以太網(wǎng)(industrialEthernet)控制系統(tǒng)以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)控制系統(tǒng)(wirelessNCS)等。特別是作為其主流的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已形成了一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，比較有影響的有CAN,FIP,FF,PROFIBUS等。目前應(yīng)用于控制領(lǐng)域中的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem)、工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialEthernet)控制系統(tǒng)以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)控制系統(tǒng)(WirelessNCS)等。2.1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC/SC65C的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置之間、以及現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)、以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的數(shù)字控制系統(tǒng)稱(chēng)作現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)。從控制系統(tǒng)開(kāi)放性的角度上講，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)發(fā)展的初級(jí)階段，至今仍是工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)〔)例如，應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)中的CAN,I'—泛用于樓宇智能控制的LonWorks、應(yīng)用于石油化工及工業(yè)過(guò)程控制中的FF、以及側(cè)重于PLC通信的PR0FIBUS和其他諸如ControlNet,Wor1dFIP,Interbus,ASI,DeviceNet,SwiftNet,HART,SDS,Seriplex,P_Net等等多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、形形色色的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)根據(jù)自己的特色及市場(chǎng)定位，在特定的應(yīng)用領(lǐng)域中顯示出了各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實(shí)時(shí)控制方向發(fā)展，其中的通信技術(shù)己成為關(guān)鍵，用戶(hù)對(duì)統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求口益迫切、另一方面，由于Intranet/Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到信息管理層能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫透明集成、)由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)種類(lèi)繁多，多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，信息網(wǎng)絡(luò)在協(xié)議上的鴻溝造成了工業(yè)自動(dòng)化的透明集成的障礙，促使人們開(kāi)始尋求新的解決辦法。2.2工業(yè)以太網(wǎng)(IE)控制系統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，特別是在Internet中的應(yīng)用，使其更為成熟,并且產(chǎn)品價(jià)格較之其它類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)都具有明顯的優(yōu)勢(shì)、此外，由于控制網(wǎng)絡(luò)與一般計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Internet的聯(lián)系更為密切，控制網(wǎng)絡(luò)需要考慮與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的一致性，這就提高了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信性能的要求、)這些因素成為以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要原因、)以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它將監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)如果網(wǎng)絡(luò)忙，則等待直至網(wǎng)絡(luò)空閑，否則立即傳送、)如果有多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)空閑并決定同時(shí)傳送數(shù)據(jù)，那么這些節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生報(bào)文沖突，引起數(shù)據(jù)丟失〔)此時(shí)這個(gè)傳送節(jié)點(diǎn)將停il二傳送，等待由標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制指數(shù)退避算法確定的一段隨機(jī)長(zhǎng)的時(shí)間后再重新傳送〔)這個(gè)過(guò)程是非實(shí)時(shí)的，以太網(wǎng)也因此一直被稱(chēng)為是一種不確定性(nondeterministic)網(wǎng)絡(luò)，而控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于滿(mǎn)足實(shí)時(shí)通信的要求，以太網(wǎng)的這種平等競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，這也成為以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域的主要障礙、此外，以太網(wǎng)還要考慮環(huán)境適應(yīng)性、可靠性，總線(xiàn)供電以及木安防爆等安全性問(wèn)題、)工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)是普通以太網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)中延伸的產(chǎn)物、)目前己經(jīng)出現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)如Hl的高速網(wǎng)段HSE,Ethernet/IP,ProfiNet等、工業(yè)應(yīng)用中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是大小和發(fā)送頻率經(jīng)常變化，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)包短、負(fù)荷低、）一般利用TCP/IP協(xié)議來(lái)發(fā)送準(zhǔn)確性要求較高的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（例如用戶(hù)編程數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)等），這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高，數(shù)據(jù)大小及頻率經(jīng)常變化;而用UDP/IP來(lái)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（例如各種檢測(cè)設(shè)備和控制器的I/O信號(hào),控制器之間的互鎖信號(hào)和部分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)等），實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包短，負(fù)荷低、）盡管工業(yè)以太網(wǎng)采用提高通信速率、全雙工交換技術(shù)、提供適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的器件等措施，這些措施能在一定程度上緩解不確定問(wèn)題，但還不能從根木上解決問(wèn)題，因此還有待于進(jìn)一步研究。2.3無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)控制系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)在近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展、）無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)的類(lèi)型有微波傳輸、衛(wèi)星傳輸、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)以及Adho。網(wǎng)絡(luò)等用戶(hù)對(duì)便攜計(jì)算機(jī)通信的需要和分組交換技術(shù)的發(fā)展是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)得以迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素、）另一方面，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成木高、施工周期長(zhǎng)、維護(hù)不方便，尤其是缺乏靈活性，無(wú)線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)可以克服這些缺點(diǎn)、）工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，由于環(huán)境的限制在許多場(chǎng)合卜都不能構(gòu)建有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，顯然，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)可以為這個(gè)問(wèn)題提供解決方案。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物〔）無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中所用的是便攜設(shè)備，其中的分組傳輸包括移動(dòng)站之間和移動(dòng)站與固定站之間的傳輸、）使用無(wú)線(xiàn)多址信道的分組交換網(wǎng)絡(luò)，采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免（CSMACA）的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式。一些論文對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中引入無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式與控制性能等方面作了研究i;i）在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路在傳感器、控制器以及執(zhí)行fijL構(gòu)之間傳送測(cè)量值及控制指令，可以實(shí)現(xiàn)快速分發(fā)、安裝靈活、實(shí)現(xiàn)全移動(dòng)式操作并且可以避免有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)因環(huán)境而惡化的情況、）但是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，同工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)類(lèi)似，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)同樣存在數(shù)據(jù)丟失、隨機(jī)延遲以及安全性等問(wèn)題，并且頻譜缺乏是無(wú)線(xiàn)鏈路性能的一個(gè)主要限制因素。盡管無(wú)線(xiàn)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中還處于起步階段，控制系統(tǒng)的性能要求也使得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)短時(shí)期內(nèi)不能）‘一泛地用于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，但隨著寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)與有線(xiàn)網(wǎng)的融合將在工業(yè)自動(dòng)化中扮演越來(lái)越重要的角色、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及控制應(yīng)用目的的不同，可以將網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)從基木結(jié)構(gòu)上分為兩種類(lèi)型。

一類(lèi)是直連結(jié)構(gòu)，如圖1所示、）控制器和被控設(shè)備分布在不同的地點(diǎn)而直接利用網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道用于控制器和執(zhí)行器之間以及傳感器和控制器之間的信號(hào)傳輸，構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)程的閉環(huán)控制回路〔）控制器按協(xié)議層的不同將控制信號(hào)封裝成幀或數(shù)據(jù)包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到被控設(shè)備，被控設(shè)備的傳感器同樣將系統(tǒng)的輸出封裝成幀或數(shù)據(jù)包作為反饋信號(hào)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)送回到控制器、）在實(shí)際的應(yīng)用中，一個(gè)獨(dú)立的硬件單元（如遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)）可以承擔(dān)多個(gè)控制器的任務(wù)，分別用于管理多個(gè)被控設(shè)備，構(gòu)成多回路的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，例如遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)等等、）另一類(lèi)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是由一個(gè)主控制器和一個(gè)遠(yuǎn)程的閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示，稱(chēng)為分級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)〔）主控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送參考信號(hào)到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)處理參考信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，且將傳感器的測(cè)量值返回到主控制器、）通常，由于網(wǎng)絡(luò)的存在，這種網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的采樣周期要大于由遠(yuǎn)程控制器和被控設(shè)備構(gòu)成的閉環(huán)控制回路的采樣周期、）同直連結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)類(lèi)似，分級(jí)結(jié)構(gòu)的主控制器也可以用于處理多個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的多重網(wǎng)絡(luò)化控制環(huán)路，這種結(jié)構(gòu)被）‘一泛地運(yùn)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)式機(jī)器人等遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中。主控嗣器■+圈2分級(jí)結(jié)構(gòu)的訊活執(zhí)行器械桂對(duì)徵檔殲豁主控嗣器■+圈2分級(jí)結(jié)構(gòu)的訊活執(zhí)行器械桂對(duì)徵檔殲豁遠(yuǎn)程此外，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)還有多種結(jié)構(gòu)，例如文獻(xiàn)f61提出的基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)（Anetwork-basedcontrolsystem），文獻(xiàn)}3］提出網(wǎng)絡(luò)化控制系（NetworkedControlSvstem）等都是基于設(shè)計(jì)者的不同意圖而作了相應(yīng)的改動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制方式具有很大的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處,但網(wǎng)絡(luò)本身的特性也給網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)帶來(lái)了新的問(wèn)題。首先,控制系統(tǒng)中不同的組件對(duì)有限的網(wǎng)絡(luò)資源(例如網(wǎng)絡(luò)帶寬等)的爭(zhēng)用就是影響網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)信號(hào)延遲和扭曲的主要原因,大量的文章說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)延遲一直是影響網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)環(huán)路性能和穩(wěn)定性的主要因素。我們通過(guò)簡(jiǎn)單的單回路網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題。如圖4所示,系統(tǒng)中有三種基本的延遲,即傳感器與控制器之間的網(wǎng)絡(luò)延遲Tsc,控制器到執(zhí)行器的延遲Tca以及控制器的計(jì)算處理延遲TC。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的延時(shí)T是上述三個(gè)延遲的總和。延遲特性根據(jù)系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的不同,有不同的分析方法。目前網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)方式上可分為輪詢(xún)式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(cyclicservicenetwork)和隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(randomaccessnetwork)。輪詢(xún)式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，例如IEEE802.4,SAE令牌總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS,IEEE802.5,SAE令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò),MIL-STD-1553B航空總線(xiàn)以及FIP等，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的控制信號(hào)和傳感信號(hào)等以確定性的方式按一定的邏輯調(diào)度順序獲得網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán),因此網(wǎng)絡(luò)中傳感器和控制器之間、控制器與執(zhí)行器之間的延遲是恒定的。但在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)出現(xiàn)一些特殊的情況,例如控制器和遠(yuǎn)程系統(tǒng)之間會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘不同步的現(xiàn)象而引起網(wǎng)絡(luò)遲延的變化。隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)有CAN,Ethernet等，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)由于采用公平競(jìng)爭(zhēng)及隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式,排隊(duì)以及數(shù)據(jù)沖突等因素會(huì)導(dǎo)致鏈路延遲發(fā)生變化,引起隨機(jī)時(shí)變延遲,不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑引起的傳輸時(shí)間差異,輪詢(xún)式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)式網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)連接等可能造成隨機(jī)性的網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題。針對(duì)這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)延遲,不少的文章中提出了延遲建模的方法，例如Poissonprocess,Markovchain,Fluidflowmodel,ARAM模型等，這些技術(shù)已被引入到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究中,但在實(shí)際問(wèn)題分析中對(duì)于特定的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用,通常需要修改和重新建模。從控制的角度看,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時(shí)延將使系統(tǒng)相位滯后,大大降低控制系統(tǒng)的性能,例如使系統(tǒng)的上升時(shí)間增大、超調(diào)量增大、穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)等,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,即使系統(tǒng)仍然保持穩(wěn)定,穩(wěn)定區(qū)域也會(huì)顯著減小。從調(diào)度的角度來(lái)看,時(shí)延將使信息不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá),丟失截止期甚至?xí)a(chǎn)生多米諾效應(yīng)。因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮這些因素,就達(dá)不到期望的控制要求。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制方法針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問(wèn)題和控制性能的要求,許多研究者提出了各種控制方法,減小時(shí)延的影響或?qū)r(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償,使控制系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定或滿(mǎn)足一定的期望指標(biāo)。下面著重討論近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究中的一些控制方法。增廣確定離散時(shí)間模型法1988年Halevi和Ray提出了一種對(duì)周期延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的增廣確定離散時(shí)間模型方法用于控制線(xiàn)性被控對(duì)象，模型簡(jiǎn)單直接。［1］在1990年,Liou和Ray把該方法修改為可處理傳感器和控制器采樣速率不一致的情況。［3］這種方法的主要思想是聯(lián)合線(xiàn)性被控對(duì)象模型和線(xiàn)性控制器的動(dòng)態(tài)方程得到增廣的狀態(tài)空間方程。這個(gè)方程包括了設(shè)備的歷史輸入和輸出值以及當(dāng)前控制器和設(shè)備的狀態(tài)向量,最終建立一個(gè)有限維的時(shí)變離散狀態(tài)模型來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。該方法中也同時(shí)考慮了采樣拒絕(采樣時(shí)間大于延遲時(shí)間)和空采樣(即采樣時(shí)間小于延遲時(shí)間)的情況。緩沖隊(duì)列方法這種方法是通過(guò)緩沖器隊(duì)列把NCS中的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)轉(zhuǎn)換成時(shí)不變的確定性延時(shí),然后利用NCS的確定性或可能性信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)。最早利用這種方法的是Luck和Ray,分別在1990年［4］和1994年［5］提出的基于確定性預(yù)測(cè)延時(shí)的補(bǔ)償方法,該方法利用一個(gè)觀(guān)測(cè)器來(lái)估計(jì)被控對(duì)象的狀態(tài),并基于過(guò)去輸出的量測(cè)值來(lái)預(yù)估控制量,這些控制量和過(guò)去輸出的量測(cè)值存儲(chǔ)在一個(gè)FIFO的隊(duì)列和一個(gè)移位寄存器上,由于觀(guān)測(cè)器和預(yù)估器的性能高度依賴(lài)模型精度,所以設(shè)備模型要求必須非常精確。1995年［6］Chan和Oaguner提出了另一種緩沖隊(duì)列方法用于控制隨機(jī)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的NCS,稱(chēng)為基于概率的預(yù)估器延時(shí)補(bǔ)償方法,利用在隊(duì)列中包序號(hào)中的概率信息來(lái)改進(jìn)狀態(tài)預(yù)測(cè)。這種方法需要知道所有的狀態(tài)信息,如果所有狀態(tài)信息不可獲得的話(huà),就需要使用一個(gè)觀(guān)測(cè)器。有了這些預(yù)測(cè)狀態(tài),控制律就可以使用各種控制算法來(lái)進(jìn)行。盡管如此,這個(gè)排隊(duì)方法本身并不是一個(gè)真正意義上的控制算法,更像是一個(gè)預(yù)測(cè)狀態(tài)變量的方法。文獻(xiàn)［7］在此基礎(chǔ)之上將滑模變構(gòu)控制和預(yù)估控制的方法引入控制器的設(shè)計(jì)中,得出的控制器可用于時(shí)間延遲大于一個(gè)采樣周期的情況。最優(yōu)隨機(jī)控制方法1998年Nilson提出用最優(yōu)隨機(jī)控制方法對(duì)隨機(jī)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)NCS進(jìn)行控制［8］。在假設(shè)延遲小于采樣周期的前提下,基于離散域,進(jìn)一步將網(wǎng)絡(luò)延遲建模為恒定延遲、獨(dú)立隨機(jī)延遲以及利用Markov鏈建模的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)延遲等,把NCS中的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)延遲影響作為一個(gè)線(xiàn)性二次型的高斯問(wèn)題(LQG)來(lái)處理。該方法中也指出了時(shí)間戳(time-stamping)消息的重要性。最優(yōu)隨機(jī)控制方法能夠提供比基于預(yù)估器的確定性延遲補(bǔ)償方法更好的性能。攝動(dòng)法1999年Walsh,Beldiman,Ye等人用非線(xiàn)性攝動(dòng)理論在假設(shè)沒(méi)有觀(guān)測(cè)噪聲的情況下，把NCS中的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)影響描述為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的攝動(dòng)［9］，這種方法應(yīng)用在傳感器到控制器之間存在周期性和隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)延遲NCS中。控制環(huán)路模型由一個(gè)非線(xiàn)性控制器和一個(gè)非線(xiàn)性設(shè)備構(gòu)成,建成了系統(tǒng)狀態(tài)方程并推導(dǎo)出使系統(tǒng)穩(wěn)定的延遲邊界。但局限于優(yōu)先權(quán)網(wǎng)絡(luò),即對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可以指定不同的優(yōu)先權(quán)并通過(guò)優(yōu)先權(quán)來(lái)調(diào)度算法來(lái)管理。此外,這個(gè)方法要求非常小的采樣時(shí)間以至于可把NCS近似看作是一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)。采樣時(shí)間規(guī)劃法1995年Hong提出用采樣時(shí)間規(guī)劃法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制［10］,這種方法引入了“窗口”的概念，通過(guò)選擇合適的NCS的采樣周期,使網(wǎng)絡(luò)延遲不能顯著地影響控制系統(tǒng)性能并且可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。最初用于周期性延遲網(wǎng)絡(luò)上的多重NCS中,并且每個(gè)NCS的所有連接都預(yù)先可知。該方法也可以應(yīng)用到隨機(jī)延遲網(wǎng)絡(luò)中，邊界可利用不同的穩(wěn)定性判據(jù)得到。魯棒控制法2000年Goktas在頻域中用魯棒控制理論設(shè)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)控制器，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先知道有關(guān)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的概率分布，把網(wǎng)絡(luò)延時(shí)Tsc,Tca都看作乘性攝動(dòng),并假設(shè)Tsc,Tca都是有限并可近似為液體流動(dòng)模型，延時(shí)由兩部分組成,第一部分為常值,第二部分為不確定性延時(shí),隨第一部分的變化而變化。在頻域中,延時(shí)由一階伯德近似而得,不確定性延時(shí)部分被看作乘性攝動(dòng),然后使用He，卩律設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)時(shí)間控制器，該控制器在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中用雙線(xiàn)性變換進(jìn)行離散化。另外，作者在遠(yuǎn)程機(jī)器人應(yīng)用中為達(dá)到最大容錯(cuò)性,還提出ATM網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量魯棒控制方法。模糊邏輯調(diào)節(jié)方法2001年Almutairi等提出對(duì)線(xiàn)性被控對(duì)象用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)延時(shí)補(bǔ)償?shù)哪：壿嬚{(diào)節(jié)方法，該方法中，PI調(diào)節(jié)器的增益由控制器的輸出與對(duì)應(yīng)的由網(wǎng)絡(luò)延時(shí)引起的系統(tǒng)輸出的差通過(guò)外部調(diào)節(jié),這樣，PI控制器在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中不需要重新設(shè)計(jì)、修改或受干擾，用該方法對(duì)一個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的PID控制相比較，在參數(shù)不確定的情況下表現(xiàn)出了更好的魯棒性。文獻(xiàn)［17］研究了基TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程伺服控制系統(tǒng),提出的動(dòng)態(tài)模糊控制器可按網(wǎng)絡(luò)中不斷變化的傳輸延時(shí)，根據(jù)最佳參數(shù)庫(kù)不斷地調(diào)整其控制參數(shù)，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定并使輸出達(dá)到一定的性能指標(biāo)要求?？偨Y(jié)及展望本文旨在對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)作概括性的綜述、首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展作了簡(jiǎn)要介紹，之后探討了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究實(shí)例并闡述了兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的一般性結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的延遲特性進(jìn)行了分析和研究，最后著重討論了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的建模及相應(yīng)的控制方法。目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究還停留在具體的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)上，進(jìn)一步的研究工作有：(1＞網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包丟失的影響及QOS需求問(wèn)題；(2)多速率采樣X(jué)30,情況h的高速傳輸問(wèn)題;(3)在達(dá)到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的需求卜，如何確定最理想的延遲邊界；(4)MIM0網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中如何確定最佳的輸出通道;(5)如何建立盡量完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選擇合適的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià);(6)開(kāi)發(fā)通用性強(qiáng)、能夠適用于多數(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)仿真軟件;(7)如何針對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域不同而對(duì)各種有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行穩(wěn)定性分析以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、Adho。網(wǎng)絡(luò)以及Internet網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模及控制方法的研究等、)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和交叉學(xué)科的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)無(wú)論是理論還是應(yīng)用上，許多問(wèn)題還有很大的發(fā)展空間有待我們進(jìn)一步深入研究。參考文獻(xiàn):HaleviY,RayA.Integratedcommunicationandcontrolsystems：partI-analysis[J].ASME,JournalofDynamicSystems,MeasurementandControl,1988,110(4)：367-373.TipsuwanY,ChowM-Y.Controlmethodologiesinnetworkedcontrolsystems[J].ControlEngineeringPractice,2003,(11)：1099-1111.LiouLW,RayA.Integratedcommunicationandcontrolsystems：partI-nonidenticalsensorandcontrollersampling[J].JournalofDynamicSystems,MeasurementandControl,1990,112(4)：357-364.LuckR,RayA.Anobserver-basedcompensatorfordistributeddelays[J].Automatica,1990,26(5)：903-908.LuckR,RayA.Experimentalverificationofadelaycompensationalgorithmforintegratedcommunicationandcontrolsystems[J].InternationalJournalofControl,1994,59(6)：1357-1372.ChanH,OzgunerU.Closed-loopcontrolofsystemsoveracommunicationsnetworkwithqueues[J].InternationalJournalofControl,1995,62(3)：493-510.熊遠(yuǎn)生,俞立,徐建明.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2003,25(4)：39-40.NilssonJ.Real-timecontrolsystemswithdelays[D].Southampton：UniversityofSouthampton,1998.BeldimanO,BushnellLG,WalshGC,etal.Perturbationsinnetworkedcontrolsystems[C].In：ProceedingsofASME-IMECEDSCD,NewYork,USA,2001.HongSH.Schedulingalgorithmofdatasamplingtimesintheintegratedcommunicationandcontrolsystems[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,1995,3(2):225-230.HongSH,KimW-H.BandwithallocationschemeinCANprotocol[J].IEEEProceedings-ControlTheoryandApplication,2000,147:37-44.KimYH,ParkHS,KownWH.Stabilityandaschedulingmethodfornetworked-basedcontrolsystems[C].In:The22ndannualconferenceoftheIEEEindustrialelectro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