網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題

P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二單元課文A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題

A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題1.課文內(nèi)容簡介：主要介紹《網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)》中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的定義、優(yōu)點、網(wǎng)絡(luò)控制帶來的特殊問題—網(wǎng)絡(luò)延時、通過通訊協(xié)議的特殊設(shè)計來解決網(wǎng)絡(luò)延時的方法和單數(shù)據(jù)包與多重數(shù)據(jù)包傳輸、丟失網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包等問題。2.溫習(xí)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與設(shè)計方法方面的內(nèi)容。3.生詞與短語agilityn.

靈活，便捷jittern.抖（顫）動，顛簸destabilizev.

使打破平衡，使不穩(wěn)定mediumaccesscontrol(MAC)

媒質(zhì)訪問控制CSMA/BA載波偵聽多路訪問/位仲裁CSMA/CD載波偵聽多路訪問/沖突檢測isochronousn.

同步的，等時的P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二單元課文A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題4.難句翻譯[1]EthernetemploysaCSMAwithcollisiondetection(CSMA/CD)protocol.Whenthereisacollision,alloftheaffectednodeswillbackoff,waitarandomtime(usuallydecidedbythebinaryexponentialback-offalgorithm),andretransmit,asshowninCase3ofFig.5-1A-2.以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議，當(dāng)產(chǎn)生沖突時，所有沖突節(jié)點都將避讓等待一段時間（所等待的時長是由二進制指數(shù)避讓算法決定的），然后重新發(fā)送，如圖5-2A-2中所示的第三種情況。A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題控制回路通過實時網(wǎng)絡(luò)閉合的反饋控制系統(tǒng)叫作網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)定義的特點是信息（參考輸入、系統(tǒng)輸出、控制輸入等）是使用網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)組件（傳感器、控制器、執(zhí)行器等等）中進行交換。圖5-2A-1給出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和信息流。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是減少系統(tǒng)接線，易于系統(tǒng)診斷和維護，并增加系統(tǒng)靈活性。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二單元課文A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題

圖5-2A-1典型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)配置和信息流在反饋回路中加入通訊網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計變得復(fù)雜。傳統(tǒng)控制理論有許多理想的假設(shè)，比如同步控制、無信號檢測延遲、無激勵延遲等，在將它用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之前必須對其進行重新評估。特別要討論下面幾個問題。第一個問題是網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延遲（傳感器到控制器延遲和控制器到執(zhí)行器延遲），當(dāng)連接到公共介質(zhì)上的裝置交換數(shù)據(jù)時，這種延遲發(fā)生。這種延遲，或恒定（令人擔(dān)憂）或隨時間變化，會降低設(shè)計時沒考慮這種延遲的控制系統(tǒng)的性能，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。其次，網(wǎng)絡(luò)可被看成由不可靠傳輸通道組成的一張網(wǎng)。一些數(shù)據(jù)包不僅有傳輸延遲，甚至?xí)趥鬏斶^程中丟失。因此，必須考慮丟失的信息量對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響程度。另一個問題是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和信息容量的限制，系統(tǒng)輸出可采用多個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包（所謂多重數(shù)據(jù)包傳輸）。由于網(wǎng)絡(luò)平臺對網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點的仲裁，可能性是全部/部分/沒有信息包在控制運算時間內(nèi)到達。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二單元課文A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題分布式控制可追溯到20世紀(jì)70年代初期，當(dāng)時誕生了霍尼韋爾分布式控制系統(tǒng)（DCS）。分布式控制系統(tǒng)中的控制模塊被松散地連接到一起，因為大部分實時控制任務(wù)（信號檢測、計算、激勵）在單獨的模塊中執(zhí)行。僅僅開/關(guān)信號、監(jiān)控信息、報警信息等通過串行網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。今天，借助于特定用途集成電路芯片設(shè)計和硅材料的大幅降價，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)都可安裝網(wǎng)絡(luò)接口，因此成為實時控制網(wǎng)絡(luò)的獨立節(jié)點。因此，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，實時檢測和控制數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要密切協(xié)作以完成控制任務(wù)?，F(xiàn)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的候選網(wǎng)絡(luò)有DeviceNet、Ethernet和FireWire等有限幾個網(wǎng)絡(luò)。每個網(wǎng)絡(luò)有自己為特定應(yīng)用場合而設(shè)計的通訊協(xié)議。此外，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特性主要取決于網(wǎng)絡(luò)本身的性能參數(shù)，這些參數(shù)包括傳輸速率，介質(zhì)訪問協(xié)議，數(shù)據(jù)包長度等。主要有兩種方法來解決網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計中碰到的這些問題。一種方法是在設(shè)計控制系統(tǒng)時不考慮數(shù)據(jù)包延遲和丟失的問題，而是設(shè)計一個使這些事件發(fā)生的可能性最小化的通訊協(xié)議。例如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交通超過網(wǎng)絡(luò)管理的極限時，已提出各種堵塞控制和避路算法以獲得更好的性能。另一種方法是將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和交通作為已知條件，設(shè)計詳細考慮上述問題的控制策略。為了管理延遲，可以形成基于延遲微分方程研究的控制策略。這里我們討論針對網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的延遲和數(shù)據(jù)包丟失的分析和設(shè)計策略。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二單元課文A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題現(xiàn)在，我們將分析網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的一些基本問題，包括網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的延遲，系統(tǒng)輸入和輸出的單個數(shù)據(jù)包或多重數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的丟失。網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的延遲在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中當(dāng)傳感器、執(zhí)行器和控制器通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的延遲。這種延遲會降低在設(shè)計時沒有考慮這個問題的控制系統(tǒng)的性能降低，甚至?xí)瓜到y(tǒng)不穩(wěn)定。取決于控制網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的延遲可以是常數(shù)，時變，甚至隨機的。介質(zhì)訪問控制協(xié)議通常分為兩種：隨機訪問和按時序訪問。載波偵聽多路訪問在隨機訪問網(wǎng)絡(luò)中用的最多，而令牌和分時多路訪問通常用在按時序訪問網(wǎng)絡(luò)中。圖5-2A-2隨機存取網(wǎng)絡(luò)上兩個節(jié)點的時序圖使用載波偵聽多路訪問協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)包括DeviceNet和Ethernet。圖5-2A-2給出了這種網(wǎng)絡(luò)各種可能出現(xiàn)的情況。圖形描述了連續(xù)傳遞信息（具有固定時間順序）的兩個節(jié)點。在載波偵聽多路訪問網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點在每次傳遞信息前監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)情況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時空閑的，它馬上開始傳遞信息，如圖5-2A-2中的情況1所示。否則節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)空閑前一直等待。當(dāng)兩個以上節(jié)點要同時傳遞信息時，會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)沖突。解決沖突的方法依賴于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。DeviceNet是一種控制器局域網(wǎng)，它使用帶有位智能仲裁的載波偵聽多路訪問協(xié)議。由于控制器局域網(wǎng)的信息是劃分優(yōu)先次序的，當(dāng)傳遞沖突發(fā)生時，具有最高優(yōu)先級別的信息繼續(xù)傳遞，而優(yōu)先級別較低的信息的傳遞被中斷，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時再傳遞，如圖5-2A-2中的情況2所示。使用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議。以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議，當(dāng)產(chǎn)生沖突時，所有沖突節(jié)點都將避讓等待一段時間（所等待的時長是由二進制指數(shù)避讓算法決定的），然后重新發(fā)送，如圖5-2A-2中所示的第三種情況。這些類型網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包受到隨機延時的影響，在最壞情況下數(shù)據(jù)包的傳遞時間是無法限定在某一時間范圍內(nèi)，因此，CSMA網(wǎng)絡(luò)通常是一種不確定性網(wǎng)絡(luò)。但是，如果網(wǎng)絡(luò)信息被劃分優(yōu)先次序，最高優(yōu)先級別的信息有更好的機會及時傳遞信息。令牌傳遞協(xié)議出現(xiàn)在令牌總線（IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.4）、令牌環(huán)（IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.5）和光纖分布式數(shù)據(jù)接口MAC結(jié)構(gòu)中，時分多址協(xié)議用于FireWire網(wǎng)絡(luò)。這類網(wǎng)絡(luò)的時序圖如圖5-2A-3所示。這些協(xié)議通過讓網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點按照預(yù)先確定好的時間表傳遞信息從而消除了對共享網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的爭奪。在令牌總線中，令牌是繞著邏輯環(huán)傳遞，但是在令牌環(huán)中，令牌繞著物理環(huán)傳遞。在時序網(wǎng)絡(luò)中，可以安排信息的周期性傳遞。P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二單元課文A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題

圖5-2A-3按時序訪問網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點的時序圖P5U2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems第五部分第二單元課文A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的基本問題

例如，F(xiàn)ireWire網(wǎng)絡(luò)有一個可分成小時間空檔的傳遞周期，在傳遞周期中保證每一個同步傳遞有一個時間空檔進行傳遞。在時序網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)?shù)却钆苹驎r間空檔時產(chǎn)生延時。當(dāng)周期性地傳遞數(shù)據(jù)包時，等待令牌或時間空檔的時間都是有限的。單數(shù)據(jù)包與多重數(shù)據(jù)包傳輸單數(shù)據(jù)包傳輸指的是傳感器或執(zhí)行器數(shù)據(jù)被集中在一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中同時傳輸，而多重數(shù)據(jù)包傳輸中傳感器或執(zhí)行器數(shù)據(jù)由互相獨立的多個數(shù)據(jù)包傳輸，這些數(shù)據(jù)包不可能同時到達控制器和系統(tǒng)。多重數(shù)據(jù)包傳輸?shù)囊粋€原因是由于數(shù)據(jù)包容量限制，分組交換網(wǎng)絡(luò)在一個數(shù)據(jù)包中只能攜帶有限的信息。因此，大量數(shù)據(jù)必須分成多個數(shù)據(jù)包進行傳遞。另一個原因是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器分布在巨大的物理空間內(nèi)，不可能將數(shù)據(jù)放在一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包內(nèi)。傳統(tǒng)采樣系統(tǒng)認為系統(tǒng)輸出和控制輸入是同時傳遞的，但對帶有多重數(shù)據(jù)包傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言是不可能的。由于網(wǎng)絡(luò)訪問延時，控制器不可能在作控制運算的時間內(nèi)收到所有更新的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)。不同的網(wǎng)絡(luò)適合不同類型的數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)，最初是為傳遞數(shù)據(jù)文件而設(shè)計的，最多一個數(shù)據(jù)包可容納1,500個字節(jié)。因此，將傳感器數(shù)據(jù)集中在一個數(shù)據(jù)包內(nèi)進行傳輸對這種網(wǎng)絡(luò)來說是更高效的。與以太網(wǎng)不同，以小容量控制數(shù)據(jù)頻繁傳輸為特點的DeviceNet每個數(shù)據(jù)包最大容量為8個字節(jié)，因此傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)常被裝在DeviceNet上的不同數(shù)據(jù)包中。丟失網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包當(dāng)出現(xiàn)節(jié)點失敗或信息沖突時，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)偶爾會丟失網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。雖然大部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都有重新傳遞機制，這些機制僅在有限的時間內(nèi)有效。這段時間一過，數(shù)據(jù)包丟失。而且，對諸如傳感器測量值、運算后的控制信號這些實時反饋控制數(shù)據(jù)而言，放棄那些舊的、未被傳遞的信息，傳遞新獲得的數(shù)據(jù)包（如果可能）是有益的。用這樣的方法，控制器總是得到用于控制計算的最新數(shù)據(jù)。通常反饋控制系統(tǒng)能容忍丟失一些數(shù)據(jù)，但確定僅以某一速率傳遞數(shù)據(jù)包時系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)包傳遞速率的下限是非常有意義的。

P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性1.課文內(nèi)容簡介：主要介紹《網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)》中的帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模、小于一個采樣周期的延時、長時間延時、積分器和一般標(biāo)量系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域分析等問題。2.溫習(xí)離散控制系統(tǒng)關(guān)于采樣周期、穩(wěn)定性分析方面的內(nèi)容。3.生詞與短語clock-drivenadj.時鐘驅(qū)動的event-drivenadj.事件驅(qū)動的lumpedadj.集總的piecewisecontinuous分段連續(xù)infeasibleadj.不可行的P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性4.難句翻譯[1]wecanusethestabilitytriangletoexplicitlycalculatetherelationbetweenand.我們可以采用穩(wěn)定三角形精確地計算出和之間的關(guān)系。[2]Itmaybeanalyticallyinfeasibletoderivetheexactstabilityregionforgeneralsystems;however,stabilityregionsforsuchsystemscanstillbedeterminedbysimulation.對于一般的系統(tǒng)不太可能推導(dǎo)出精確的穩(wěn)定區(qū)域，然而卻可以通過仿真的方法來確定。P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性5.參考譯文

B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建?？紤]網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型如圖5-2B-1所示。圖5-2B-1帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型模型由連續(xù)系統(tǒng)P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和離散控制器組成。這些公式中，并且具有兼容的維數(shù)。有兩種網(wǎng)絡(luò)延時：傳感器到控制器延時和控制器到執(zhí)行器延時。不失問題的一般性可將控制器的各種運算延時歸納為或。對固定控制律（時不變控制器）而言，傳感器到控制器延時和控制器到執(zhí)行器延時可集中看作以便于分析。P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性我們討論具有如下配置的系統(tǒng)：a)時鐘驅(qū)動的傳感器，它周期性地在采樣時刻對系統(tǒng)輸出采樣；b)事件驅(qū)動的控制器，它由外部中斷機制完成控制并且傳感器數(shù)據(jù)一到即開始控制信號運算；c)事件驅(qū)動的執(zhí)行器，它指的是一旦獲得數(shù)據(jù)，系統(tǒng)輸入即發(fā)生改變。（采樣周期）時系統(tǒng)信號的時序如圖5-2B-2所示。圖5-2B-2網(wǎng)絡(luò)延時圖解P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性小于一個采樣周期的延時首先考慮每一次采樣延時時間小于采樣周期的情況。這種情況意味著用得最多的兩個控制信號和需要在采樣周期內(nèi)使用。系統(tǒng)方程可以寫作公式中是分段連續(xù)的且僅在時刻數(shù)值發(fā)生改變。以周期對系統(tǒng)采樣我們得到P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性公式中定義作為增廣狀態(tài)矢量，增廣閉環(huán)系統(tǒng)為公式中如果延時是常數(shù)，即系統(tǒng)仍是時不變的，這就簡化了系統(tǒng)分析。因此我們能想象靜態(tài)時序安排網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，諸如令牌環(huán)或令牌總線，它能提供恒定的延時。即使在這種簡化的系統(tǒng)分析中，下一個問題是，“系統(tǒng)能承受多大的延時？”P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性另一個問題是如果傳感器發(fā)出的信息與時間有關(guān)則傳感器到控制器的延時可以由預(yù)估器補償。傳統(tǒng)的一步預(yù)測估計能補償小于一個采樣周期的延時，因為的估計僅取決于的值。我們將在關(guān)于網(wǎng)絡(luò)延時補償?shù)恼鹿?jié)里再討論這個問題。長時間延時當(dāng)延時時間大于一個采樣周期時（即，），系統(tǒng)在一個采樣周期內(nèi)可能接受零個、一個、大于一個（直到）控制信號。在對任意k值滿足的特殊情況，當(dāng)時，每一個采樣周期可收到一個控制信號。在這種情況中，通過分析可得P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性公式中并且增廣狀態(tài)矢量為對更一般的情況而言，必須完成枯燥、單調(diào)的理論推導(dǎo)，甚至矩陣的結(jié)構(gòu)都是時變的，因為它取決于所接受控制信號的時間序列。從傳統(tǒng)觀念上說，快速采樣速率對采樣系統(tǒng)是理想的以便于離散控制設(shè)計和性能指標(biāo)與連續(xù)系統(tǒng)近似。但在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，快速采樣速率會增加網(wǎng)絡(luò)負載，反過來網(wǎng)絡(luò)負載加大會導(dǎo)致信號更長時間的延時。因此在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計中找到既能承受網(wǎng)絡(luò)延時又能取得預(yù)期系統(tǒng)性能指標(biāo)的采樣速率是非常重要的。繪制網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)于關(guān)于采樣速率h、網(wǎng)絡(luò)延時τ的穩(wěn)定區(qū)域有助于了解這兩個參數(shù)之間的關(guān)系。注意我們在這兒考慮的是常數(shù)延時，這點可通過采用合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)。P5U2BStabilityofNCSswithNetwork–inducedDelay第五部分第二單元課文B帶網(wǎng)絡(luò)延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性積