網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能分析及仿真研究-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

PAGE39摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的集成成為控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，為此提出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）。本文介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的工業(yè)背景和研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問(wèn)題的研究進(jìn)展。分析了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延產(chǎn)生原因及特性，根據(jù)采樣時(shí)間的不同和驅(qū)動(dòng)方式的不同進(jìn)行了建模分析。根據(jù)不同的模型分析了固定時(shí)延、隨機(jī)時(shí)延的補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了針對(duì)不確定時(shí)延采用Fuzzy-PID控制器的設(shè)計(jì)和仿真研究。在最后，介紹了一種Matlab環(huán)境下的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)仿真工具箱Truetime，給出了具有時(shí)延特征的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，時(shí)延補(bǔ)償，F(xiàn)uzzy-PID控制器ABSTRACTWiththedevelopmentofcomputertechnology,someconsiderableattentionshavebeendirectedtotheintegratedcontrolsystemsandnetworkcommunicationcontrolsystem.SoNetworkControlSystem（NCS）isproposed.Inthisthesis，thepaperintroducestheengineeringbackgroundandresearchachievements,andfocusesontheprogressofnetworkdelay.Thecausesandthecharacteristicofnetwork-induceddelayareanalyzed.Accordingtothedifferentofsamplingtimeanddriveway,modelisbuiltandanalyzed.Dependingonthedifferentmodels,thecontrollerwiththecompensationaboutthefixedtimedelayandrandomdelaycontrolleraredesigned.ThispaperfocusesonusingFuzzy-PIDcontrolleragainstuncertaintydelaytodesignandsimulationtesting.Inconclusion，Simulinktoolbox，namedbyTruetime，basedonMatlabhasbeenintroducedinthispaper.AndthecharacteristicsoftheNCSsimulationresultsaregiven.KEYWORDS：Networkedcontrolsystems,Network-induceddelay,Delaycompensation,Fuzzy-PIDcontroller目錄第一章緒論 11.1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展與基本概念 11.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展 11.1.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的描述 31.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延研究現(xiàn)狀 41.2.1NCS的數(shù)學(xué)模型的建立 41.2.2NCS控制器設(shè)計(jì)方法 51.3本文研究的出發(fā)點(diǎn)與主要工作 71.3.1目的和意義 71.3.2研究?jī)?nèi)容 8第二章 具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS分析 92.1引言 92.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣技術(shù) 102.2.1同步采樣和非同步采樣 102.2.2時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式和事件驅(qū)動(dòng)方式 112.2.3多速率采樣 122.3控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延分析 122.3.1控制網(wǎng)絡(luò) 132.3.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延分析 162.4小結(jié) 18第三章具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS建模與控制 193.1引言 193.2具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS的數(shù)學(xué)建模 193.3具有固定時(shí)延的NCS的控制器設(shè)計(jì) 213.4具有隨機(jī)時(shí)延的NCS的控制器設(shè)計(jì) 223.4.1基于時(shí)延統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)控制器設(shè)計(jì) 233.4.2基于時(shí)變、有界時(shí)延的隨機(jī)時(shí)延的補(bǔ)償 243.5小結(jié) 26第四章Fuzzy-PID網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì) 274.1引言 274.2模糊控制理論基礎(chǔ) 274.2.1模糊控制系統(tǒng)的組成 274.2.2模糊控制器原理 284.2.3模糊控制器的輸入輸出變量 304.2.4模糊控制器設(shè)計(jì)的基本方法 314.3帶PID的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 314.4模糊補(bǔ)償PID控制器設(shè)計(jì) 324.5fuzzy-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì) 334.6小結(jié) 34第五章基于matlab/simulink的NCS仿真環(huán)境研究 355.1引言 355.2Truetime工具箱結(jié)構(gòu)與功能 355.2.1計(jì)算機(jī)模塊 365.2.2網(wǎng)絡(luò)模塊 365.3初始化 375.4網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究 385.5仿真說(shuō)明 395.5.1PID控制器設(shè)計(jì)仿真 405.5.2Fuzzy-PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真 425.6小結(jié) 44第六章總結(jié)與展望 456.1總結(jié) 456.2研究展望 45參考文獻(xiàn) 46致謝 49第一章緒論1.1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展與基本概念隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工段、車(chē)間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)，因此迫切要求工業(yè)自動(dòng)化水平也提高到了一個(gè)嶄新的高度。從歷史上看，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的通訊方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，包括早期的DCS，目前這種方式已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)某些新的需求，比如模塊化、集散分布、綜合診斷、快捷方便的維護(hù)及低成本化等。從整體上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)己呈現(xiàn)出向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、節(jié)點(diǎn)智能化、分布化的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)，順應(yīng)了這一趨勢(shì)，是完全網(wǎng)絡(luò)化、分布化的控制系統(tǒng)。1.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展至今先后主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）、以及基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)的廣泛研究。傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)一般采用一個(gè)中央控制單元（CPU）完成控制計(jì)算、信息處理等所有工作，控制器和對(duì)象之間的連接采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，其典型結(jié)構(gòu)如圖1-1。圖1-1集中式控制系統(tǒng)示意圖隨著現(xiàn)場(chǎng)采集信息量的增加，集中式控制對(duì)中央控制單元的硬件性能要求越來(lái)越高，軟件編程也越來(lái)越復(fù)雜。因此，產(chǎn)生了集散式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）來(lái)代替集中式控制系統(tǒng)，如圖1-2所示。圖1-2DCS示意圖DCS，又稱分布或分散控制系統(tǒng)，它以微處理機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)地理上和功能上的控制，同時(shí)通過(guò)高速數(shù)據(jù)通道把各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中起來(lái)，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化。DCS的設(shè)計(jì)原則是分散控制，集中操作，分級(jí)管理，分而自治和綜合協(xié)調(diào)。對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的任務(wù)由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制單元（PLC，單片機(jī)等）完成，總體的控制任務(wù)和操作監(jiān)視等其他任務(wù)由中央控制單元完成，從而實(shí)現(xiàn)了控制功能和管理信息的分離。雖然提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，但集散控制系統(tǒng)和集中式控制系統(tǒng)都有一些共同的缺點(diǎn)，就是隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的增加，系統(tǒng)復(fù)雜，成本大大提高，以及系統(tǒng)的抗干擾性、靈活性不夠、擴(kuò)展不方便等[1]。為了從根本上解決這些問(wèn)題，新型的分布式控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystems，F(xiàn)CS）應(yīng)運(yùn)而生，如圖1-3所示。圖1-3FCS示意圖目前現(xiàn)場(chǎng)總線的主要種類有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN。與傳統(tǒng)的DCS相比，F(xiàn)CS具有如下一些技術(shù)特點(diǎn)[2]：（1）FCS是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)：把通信線路一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表互聯(lián)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化傳輸，極大地提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，有效地避免了模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中存在的信號(hào)衰減、精度下降和信號(hào)干擾等問(wèn)題。（2）FCS能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連：傳感器、變送器、執(zhí)行器的等設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中已成為由微處理機(jī)為控制核心的智能設(shè)備，可以通過(guò)一對(duì)雙絞線、同軸電纜、光纖、或電源線互連，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。（3）FCS具有良好的互操作性：實(shí)現(xiàn)“即插即用”，并且用戶可以對(duì)不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。（4）FCS具有分散的功能塊，便于用戶組態(tài)：將功能塊分散到多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表中并進(jìn)行統(tǒng)一組態(tài)，有助于用戶根據(jù)需要靈活的選用各功能塊，構(gòu)成需要的控制回路，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。（5）FCS具有開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以與同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)又可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，既可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)又可以與企業(yè)外部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。（6）FCS對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。由上可見(jiàn)，控制系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化、數(shù)字化發(fā)展，也在不斷的提高自身對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)力和可靠性，使得控制系統(tǒng)更加網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化。1.1.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的描述隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)采用分布式控制的方式。分布式控制的形式多種多樣，很多復(fù)雜的控制系統(tǒng)例如制造業(yè)設(shè)備、運(yùn)輸工具、機(jī)器人等采用串行通訊網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控計(jì)算機(jī)、控制器、現(xiàn)場(chǎng)傳感器及執(zhí)行器間信息和控制信號(hào)的交換通道，這種通過(guò)串行通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制回路的控制系統(tǒng)被稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NetworkedControlSystems，NCS)，有的文獻(xiàn)用綜合通訊和控制系統(tǒng)(IntegratedCommunicationandControlSystems，ICCS)或者基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)(Network-basedControlSystems)來(lái)稱呼具有這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)[3]?！癗etworkControlSystems”最早于1998年出現(xiàn)在馬里蘭大學(xué)G.C.Walsh的論著中，但未給出明確的定義。只是用圖示說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，指出在該系統(tǒng)中控制器與傳感器通過(guò)串行通信形成閉環(huán)。而同濟(jì)大學(xué)的于之訓(xùn)等用了“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”；重慶大學(xué)的張結(jié)斌等用了“分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”這樣的術(shù)語(yǔ)。清華大學(xué)的顧洪軍給出了明確的定義[4]：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS，NetworkControlSystems），又稱網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)。是指在各區(qū)域內(nèi)一些現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、控制及操作設(shè)備和通信線路的集合，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使該區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的設(shè)備和用戶實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作。其本質(zhì)是信息（參考輸入、對(duì)象輸出和控制輸入等）在控制系統(tǒng)各部件間（傳感器、控制器和執(zhí)行器等）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換。NCS典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-4所示。圖1-4NCS示意圖NCS中的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣義的范疇，包含了FCS、工業(yè)以太網(wǎng)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、甚至Internet，這也是與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的。視其回路中所嵌入的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分為廣義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和狹義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。一般認(rèn)為通過(guò)FCS和工業(yè)以太網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是狹義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，而由通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)比如計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)、Internet等網(wǎng)絡(luò)組成的控制系統(tǒng)則被視為廣義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本文主要針對(duì)狹義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析。1.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延研究現(xiàn)狀工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于一般的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，它傳遞信息是以引起物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)為最終目的，分析的對(duì)象不再是孤立的控制過(guò)程，而是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、調(diào)度管理和魯棒性問(wèn)題等。其通信網(wǎng)絡(luò)特別強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性[5]。實(shí)時(shí)性向來(lái)是控制系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題，由于連接到通訊介質(zhì)上的每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)信息源，而通訊介質(zhì)是分時(shí)復(fù)用的，待發(fā)送信息只有等到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)才能被發(fā)送出去，這就不可避免地導(dǎo)致了傳輸延遲的發(fā)生。而閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的，相應(yīng)地就把延遲環(huán)節(jié)引入到這些系統(tǒng)。不但會(huì)降低系統(tǒng)的控制性能，而且還是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的一個(gè)潛在因素[6]。因此，在研究NCS存在的許多新問(wèn)題時(shí)，如：網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、數(shù)據(jù)包的多包傳輸及丟失等，主要還是集中在對(duì)NCS的時(shí)延補(bǔ)償這個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題上。1.2.1NCS的數(shù)學(xué)模型的建立目前，NCS的建模是NCS分析、仿真和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此NCS的建模問(wèn)題在NCS的研究中具有重要意義．雖然NCS的概念早已被提出并取得了一系列成果，但其建模問(wèn)題依然沒(méi)有很好地解決。以下為幾種有條件的模型建立：針對(duì)NCS的建模問(wèn)題，Halevi和Ray考慮了傳感器-控制器和控制器-執(zhí)行器單時(shí)延的情況，而且在傳感器和控制器的采樣時(shí)刻之間只有一個(gè)時(shí)間差。他們用增廣狀態(tài)把過(guò)去的延遲信號(hào)也包括進(jìn)來(lái)，導(dǎo)出一個(gè)閉環(huán)模型[7][8]。LianFengLi推導(dǎo)出一個(gè)離散的多輸入多輸出NCS模型，在該模型中，有分布式通信延遲。此外，為了得到傳感器和控制器之間真實(shí)的時(shí)間延遲，還表征了分布式傳感器的異步采樣機(jī)制。但是，在該模型中，所有的延遲都是定界在一個(gè)采樣周期之內(nèi)的，而且并沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)丟失的情況[9]。朱其新、胡壽松在考慮系統(tǒng)噪聲、控制器的動(dòng)態(tài)特性及輸出反饋的情況下建立了多包傳輸、單保傳輸有數(shù)據(jù)包丟失、多包傳輸有數(shù)據(jù)包丟失時(shí)NCS的離散隨機(jī)模型的統(tǒng)一建模方法[10]。樊衛(wèi)華等討論了同時(shí)存在傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)包丟失的NCS建模問(wèn)題，并借助ADS的一些結(jié)論，討論了NCS的穩(wěn)定性，給出具有典型雙線形矩陣不等式的結(jié)論，但是他們既沒(méi)有考慮控制器-執(zhí)行器之間的延遲，也沒(méi)有考慮不同的節(jié)點(diǎn)的分布式異步多時(shí)延情況[11]。以往的建模方法都有一個(gè)共同的局限性，即基本上都針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不超過(guò)一個(gè)采樣周期的情況來(lái)研究的。近年來(lái)人們開(kāi)始逐步涉及時(shí)延大于一個(gè)采樣周期時(shí)NCS的建模并取得一定的成果。從目前研究情況看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模逐漸從單變量到多變量，從確定性到不確定性發(fā)展，但是這只是一個(gè)開(kāi)端。1.2.2NCS控制器設(shè)計(jì)方法現(xiàn)階段根據(jù)以上不同的模型，分析和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制器逐漸由單變量到多變量、由確定到隨機(jī)、由經(jīng)典控制理論到智能控制理論和高級(jí)控制算法發(fā)展。目前所采用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法主要有：確定性控制設(shè)計(jì)方法、隨機(jī)控制設(shè)計(jì)方法、智能控制方法、魯棒控制設(shè)計(jì)方法。確定性控制設(shè)計(jì)方法應(yīng)用確定性設(shè)計(jì)方法應(yīng)首先將隨機(jī)時(shí)變延遲通過(guò)在控制器和執(zhí)行器之間設(shè)置緩沖區(qū)轉(zhuǎn)化為固定延遲，然后針對(duì)轉(zhuǎn)化后的固定延遲設(shè)計(jì)控制器。Rogelio針對(duì)模型(時(shí)間驅(qū)動(dòng))提出了基于觀測(cè)器的分布延遲補(bǔ)償器[12]。在該補(bǔ)償器算法中，首先在控制器和執(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)，將時(shí)變的傳輸延遲轉(zhuǎn)化為固定的傳輸延遲。其優(yōu)點(diǎn)是可用已有的確定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析方法對(duì)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，不受延遲特性變化的影響；其缺點(diǎn)是將所有延遲都轉(zhuǎn)化為最大延遲，人為地將傳輸延遲擴(kuò)大化，因此降低了系統(tǒng)應(yīng)有的控制性能。對(duì)于具有隨機(jī)傳輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，若按最大傳輸延遲來(lái)設(shè)計(jì)控制器，則所得閉環(huán)控制系統(tǒng)不一定穩(wěn)定。熊遠(yuǎn)生，俞立，徐建明將時(shí)間延遲的不確定性通過(guò)引入一個(gè)信息接收緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲的確定化的基礎(chǔ)上，將滑模變結(jié)構(gòu)控制和預(yù)估控制的方法引入控制器的設(shè)計(jì)中，得出的結(jié)果的時(shí)間延遲可以大于一個(gè)采樣周期[13][14]。隨機(jī)控制設(shè)計(jì)方法應(yīng)用隨機(jī)控制的方法關(guān)鍵在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的合理建模和估計(jì)，可假設(shè)時(shí)延符合某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律并且是相互獨(dú)立的，從概率分布的角度將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)作為系統(tǒng)中的隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程，設(shè)計(jì)隨機(jī)最優(yōu)控制律。Ray對(duì)隨機(jī)時(shí)變分布延遲下的輸出反饋時(shí)延網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于最小方差濾波器和動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理，得到了具有隨機(jī)延遲補(bǔ)償?shù)腖QR控制器(DCLQR)，但不滿足確定性等價(jià)原理[15]。于之訓(xùn)對(duì)控制器是事件驅(qū)動(dòng)的，在第k步傳感器到控制器之間延遲未知的情況下，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃和最優(yōu)控制理論，得出了使系統(tǒng)均方指數(shù)穩(wěn)定的控制律[16]。針對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)傳輸延遲，提出控制器節(jié)點(diǎn)采用事件驅(qū)動(dòng)的方式，同時(shí)在傳感器和控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送端設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)，以確保信息按產(chǎn)生的時(shí)間先后依次到達(dá)接收端，采用這種控制模式，利用傳輸延遲的Markov特性，得到了具有多步隨機(jī)傳輸延遲的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。并得到了滿足給定二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制律的解析表達(dá)式，成功地解決了原來(lái)事件驅(qū)動(dòng)模式下對(duì)這類網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無(wú)法獲取其解析隨機(jī)控制律的難題[17]。Nillson假設(shè)時(shí)延的概率分布已知，不超過(guò)一個(gè)采樣周期，傳感器采用事件驅(qū)動(dòng)，控制器和執(zhí)行器采用事件驅(qū)動(dòng)。并利用Markov鏈對(duì)時(shí)延的概率分布進(jìn)行了建模，給出了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的LQG隨機(jī)最優(yōu)控制律，該控制律滿足確定性等價(jià)原理[18]。WeiZhen針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分布未知的情況，改進(jìn)了Nilsson的LQG控制律，提出時(shí)延在線估計(jì)方法——平均時(shí)延窗口(ADW，AverageDelaysWindow)方法。該方法無(wú)需網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步和延時(shí)補(bǔ)償，即可獲得延時(shí)信息。并在10kbit/s的CAN總線上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[19]。WeiZhang針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中普遍存在的通訊延遲問(wèn)題，對(duì)于控制器是時(shí)間驅(qū)動(dòng)的，利用在控制器和執(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)的方法，提出了一種延遲補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的濾波處理[20]。LianFengLi針對(duì)MIMO網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)延分析和建模，并設(shè)計(jì)了最優(yōu)控制器[8]。智能控制設(shè)計(jì)方法確定性控制方法和隨機(jī)性控制方法都是基于時(shí)延和被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型之上的，而在實(shí)際的NCS中往往存在著諸多的不確定性，而智能控制對(duì)解決變化的問(wèn)題和情況具有較好的適應(yīng)能力，因此目前多采用智能控制策略來(lái)解決時(shí)延不確定和時(shí)延補(bǔ)償問(wèn)題，以提高系統(tǒng)的魯棒性。KyungChang針對(duì)基于Profibus—DP的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，在考慮傳輸遲延的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于遺傳算法(GeneticAlgorithm)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定的控制器，并對(duì)馬達(dá)的控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[21]。SukLee利用模糊(Fuzzy)控制魯棒性較好的特性，設(shè)計(jì)了基于模糊邏輯的控制器，并與傳統(tǒng)的PID控制器和時(shí)延補(bǔ)償PID控制器進(jìn)行了比較，說(shuō)明了模糊控制的效果優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法[22]。Almutairi研究了基于IP網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，利用對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的補(bǔ)償來(lái)提高系統(tǒng)的性能。首先利用Fuzzy理論設(shè)計(jì)了模糊補(bǔ)償器，直接對(duì)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，并給出了離線和在線的整定算法。進(jìn)一步又考慮對(duì)模糊規(guī)則參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，并對(duì)馬達(dá)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)[23]。任長(zhǎng)清對(duì)基于互聯(lián)網(wǎng)的液壓遠(yuǎn)程控制進(jìn)行了研究，為了解決不確定性變化的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)解決網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問(wèn)題，同時(shí)采用延時(shí)預(yù)測(cè)算法解決網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不確定性變化的問(wèn)題，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性[24]。王曉峰研究了基于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[25]。近兩年在已有成果上學(xué)者們繼續(xù)研究應(yīng)用遺傳算法[26]、模糊控制[27]、預(yù)測(cè)控制[28]對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延控制設(shè)計(jì)。魯棒控制設(shè)計(jì)方法魯棒控制理論是針對(duì)實(shí)際工程中模型不確定性發(fā)展起來(lái)的，因此對(duì)于此類問(wèn)題可以直接應(yīng)用魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法來(lái)解決。采用該方法的關(guān)鍵是要將時(shí)延環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的一個(gè)不確定塊，同時(shí)可以考慮被控對(duì)象本身的不確定性，然后針對(duì)轉(zhuǎn)化后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)魯棒控制器[29]。這樣設(shè)計(jì)出的控制器能同時(shí)保證NCS的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能指標(biāo)，該性能指標(biāo)是確定性的性能指標(biāo)，而不是概率意義上的性能指標(biāo)。由于NCS實(shí)際為采樣控制系統(tǒng)，所以其等價(jià)模型為離散形式的，要使用采樣系統(tǒng)魯棒控制器的設(shè)計(jì)理論。當(dāng)然，在系統(tǒng)的采樣時(shí)間遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)的情況下，可以近似地將整個(gè)采樣系統(tǒng)看作是一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)系統(tǒng)，這樣做得出的結(jié)果可能比較保守。1.3本文研究的出發(fā)點(diǎn)與主要工作1.3.1目的和意義目前，NCS中控制理論的研究大大落后于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)發(fā)展推廣應(yīng)用給控制理論提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，針對(duì)控制理論的研究首次表現(xiàn)出滯后于控制系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀，網(wǎng)絡(luò)控制理論的研究刻不容緩。1.3.2研究?jī)?nèi)容本文主要圍繞網(wǎng)絡(luò)性能的研究、網(wǎng)絡(luò)引起時(shí)延的補(bǔ)償、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了以下幾方面的研究工作。（1）在介紹網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生背景、概念的基礎(chǔ)上，著重介紹網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的幾個(gè)主要問(wèn)題及近年來(lái)的研究進(jìn)展。（2）研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，不同的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析的基礎(chǔ)上，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)和時(shí)間驅(qū)動(dòng)這兩類網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了理論和仿真分析。（3）提出了一種基于模糊控制的時(shí)延補(bǔ)償策略。（4）介紹truetime工具箱，并利用其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。第二章 具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS分析2.1引言網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是指在通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如傳感器、控制器、變送器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等連接在一起，互相聯(lián)系、互相作用，共同構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，協(xié)同完成控制功能。由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中傳感器、控制器、執(zhí)行器都通過(guò)共同的通信介質(zhì)相連，各設(shè)備間可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息傳遞，但是，通信網(wǎng)絡(luò)是分時(shí)復(fù)用的，在同一時(shí)刻，只能有一個(gè)設(shè)備能夠發(fā)送信息。待發(fā)送信息只有等到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)才能發(fā)送出去?，F(xiàn)實(shí)中控制網(wǎng)絡(luò)的帶寬和承載能力有限，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中設(shè)備較多，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送的信息量很大，因此，信息的沖撞、重發(fā)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，使信息在傳輸過(guò)程中不可避免地存在時(shí)延。從閉環(huán)控制的角度看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象、傳感器是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的，因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以表示為圖2-1。圖2-1閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中，表示控制器到執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，表示傳感器到控制器的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象一般都是現(xiàn)實(shí)中的物理對(duì)象，它的輸入和輸出都是模擬量，可以用連續(xù)時(shí)間狀態(tài)方程或傳遞函數(shù)來(lái)描述，而控制器算法一般由計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以用離散時(shí)間狀態(tài)方程或脈沖傳遞函數(shù)來(lái)描述?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)將被控對(duì)象的模擬量輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)卻將通信網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的控制器數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可表示為圖2-2。圖2-2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從圖2-2可以看出，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)[30]，由于前向通道和反饋通道中都有和網(wǎng)絡(luò)延遲有關(guān)的純滯后環(huán)節(jié)，因此控制系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計(jì)都是非常困難的。2.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)具有純滯后環(huán)節(jié)的計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)，因此，計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)中的采樣技術(shù)都可用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。2.2.1同步采樣和非同步采樣2.2同步采樣就是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的所有采樣開(kāi)關(guān)都等周期同時(shí)開(kāi)閉。圖2-3是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)都采用同步采樣工作方式的采樣開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序圖。圖2-3同步采樣工作方式下采樣開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序圖2.2非同步采樣就是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中所有采樣開(kāi)關(guān)等周期但不同時(shí)閉合。圖2-4是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中r個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用非同步采樣工作方式，而控制器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用同步采樣工作方式的采樣開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序圖。圖2-4r個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用非同步采樣的采樣開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序圖2.3控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延分析控制網(wǎng)絡(luò)不同于一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，由于它本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工業(yè)生產(chǎn)對(duì)其要求的不同，決定了時(shí)延產(chǎn)生的機(jī)理不同。因此，還需研究控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。2.3.1控制網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與一般的信息網(wǎng)絡(luò)有很多共同點(diǎn)，但又有不同之處和獨(dú)特的地方。由于工業(yè)控制系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)可靠性和實(shí)時(shí)性，所以，應(yīng)用于測(cè)量與控制的數(shù)據(jù)通信不同于一般電信網(wǎng)的通信，也不同于信息技術(shù)中一般計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信。控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的具體不同如下[31]：（1）控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)最基本的要求。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.01~0.5s，制造自動(dòng)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求為0.5~2.0s，信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間要求為2.0~6.0s。在信息網(wǎng)絡(luò)的大部分使用中實(shí)時(shí)性是可以忽略的。（2）控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有在高溫、潮濕、振動(dòng)、腐蝕，特別是電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)、可靠、完整的傳送數(shù)據(jù)的能力，并能抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和劍鋒干擾。在可燃和易爆場(chǎng)合，控制網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有本質(zhì)安全性能。（3）在企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于分散的單一用戶可借助控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入某個(gè)系統(tǒng)，通信方式多使用廣播或組播方式；在信息網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)自助系統(tǒng)與另一個(gè)自助系統(tǒng)一般都建立一對(duì)一通信方式。（4）控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中相互兼容，即互操作性問(wèn)題。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代制造系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)層次，即信息管理層、過(guò)程監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層[32]，如圖2-8所示。圖2-8現(xiàn)代制造系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（1）信息管理層網(wǎng)絡(luò)：主要用于企業(yè)的計(jì)劃、銷售、生產(chǎn)、庫(kù)存以及企業(yè)經(jīng)營(yíng)等方面信息的傳輸，在信息管理層上傳輸?shù)男畔⒁话愣际欠菍?shí)時(shí)性的，并且數(shù)據(jù)包較大，信息傳輸頻率較低。數(shù)據(jù)通信的發(fā)起是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)則的，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此要求網(wǎng)絡(luò)必須具有較大的帶寬在。信息管理層網(wǎng)絡(luò)主要由以太網(wǎng)組成。（2）過(guò)程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)：主要用于將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息置入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行先進(jìn)控制和優(yōu)化計(jì)算，以及傳輸更新現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作配置信息或命令。過(guò)程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒕哂兄芷谛浴?shí)時(shí)性特點(diǎn)。過(guò)程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膶?shí)時(shí)信息出現(xiàn)較大延時(shí)或丟失時(shí)就會(huì)導(dǎo)致多個(gè)設(shè)備不能協(xié)調(diào)工作。一般由令牌網(wǎng)和以太網(wǎng)組成。（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)：主要用于控制系統(tǒng)中大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的測(cè)量與控制信息以及其它一些信息(例如狀態(tài)信息、故障信息等)的傳輸。傳感器、控制器和執(zhí)行器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)相連。傳輸?shù)男畔⒕哂兄芷谛院蛯?shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度較小但傳輸?shù)念l率較高。對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓撸ㄐ彭憫?yīng)的實(shí)時(shí)性和確定性要求較高?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⑷绻霈F(xiàn)延時(shí)或丟失現(xiàn)象就會(huì)降低控制系統(tǒng)的性能甚至使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)一般由現(xiàn)場(chǎng)總線例如CAN總線組成。這三層網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋相連，由于在它們上面?zhèn)鬏數(shù)男畔⒕哂胁煌奶卣?，因此這三層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該獨(dú)立組成。在總線或環(huán)形拓?fù)渲?，網(wǎng)上設(shè)備共享傳輸線路。為了解決同一時(shí)間有幾個(gè)設(shè)備爭(zhēng)用傳輸介質(zhì)的問(wèn)題，需要某種介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，以便協(xié)調(diào)各設(shè)備訪問(wèn)介質(zhì)的順序，在設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。媒體訪問(wèn)控制層(MediumAccessControl-MAC)負(fù)責(zé)對(duì)媒體的訪問(wèn)以及通信的可靠性和通信質(zhì)量，因此對(duì)信息的傳輸時(shí)間有很大的影響。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時(shí)延受到網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)的負(fù)載情況、網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和數(shù)據(jù)包的大小等因素的影響。下面從媒體訪問(wèn)控制方式的角度比較以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和CAN總線三種控制網(wǎng)絡(luò)。2.3.1.以太網(wǎng)[33]采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection-CSMA/CD)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。其基本工作原理是：當(dāng)某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑時(shí)為止，否則將立即發(fā)送；如果兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，它們發(fā)送的報(bào)文將發(fā)生沖突，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)，還必須監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)或多個(gè)報(bào)文發(fā)生碰撞時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間后重新發(fā)送。該隨機(jī)時(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制指數(shù)補(bǔ)償算法確定。重發(fā)的時(shí)間在之間的時(shí)間片中隨機(jī)選擇（此處代表被節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的第次碰撞事件），一個(gè)時(shí)間片尾重發(fā)循環(huán)所需的最小時(shí)間。但是，在10次碰撞發(fā)生后，該間距將被凍結(jié)在最大時(shí)間片（即1023）上，16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器報(bào)告失敗信息。有3種CSMA堅(jiān)持退避算法：（1）不堅(jiān)持CSMA：假如介質(zhì)是空閑的，則發(fā)送；假如介質(zhì)是忙的，則等待一段隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)第一步。（2）為1堅(jiān)持CSMA：即如介質(zhì)是空閑的，則發(fā)送；假如介質(zhì)是忙的，則繼續(xù)偵聽(tīng)，直到介質(zhì)空閑，立即發(fā)送；假如沖突發(fā)生，則等待一段隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)第一步。（3）為P堅(jiān)持CSMA：假如介質(zhì)空閑，則以P的概率發(fā)送，或以1-P的概率隨機(jī)延遲一個(gè)時(shí)間單位后再聽(tīng)，這個(gè)時(shí)間單位等于最大的傳播延遲；假如介質(zhì)是忙的，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)知道介質(zhì)空閑，重復(fù)第一步?？梢?jiàn)，CSMA/CD是一種隨機(jī)性通信協(xié)議，通信延時(shí)是隨機(jī)的，并且可能無(wú)界。但是，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，幾乎沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)，以太網(wǎng)上存在的這種碰撞成了主要問(wèn)題，因?yàn)樗鼧O大的影響了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時(shí)，并導(dǎo)致以太網(wǎng)實(shí)際性能的下降。由于一系列碰撞后，報(bào)文可能丟失，因此，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無(wú)法得到保障。就是說(shuō)，以太網(wǎng)的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和通信響應(yīng)的“不確定性”[34]。2.3.1.控制網(wǎng)[35]采用令牌傳遞總線(Token-passingBus)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。此方式采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)按一定的順序形成一個(gè)邏輯環(huán)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在環(huán)中均有一個(gè)指定的邏輯位置，末站的后站就是首站，即首尾相連?？偩€上各站的物理位置跟邏輯位置無(wú)關(guān)。令牌總線采用稱為令牌的控制幀來(lái)調(diào)整對(duì)總線的訪問(wèn)控制權(quán)。收到令牌的節(jié)點(diǎn)在一段規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被授予對(duì)介質(zhì)的控制權(quán)，因而該節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送一幀或者多幀信息。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的傳輸已經(jīng)完成或者規(guī)定的時(shí)間已經(jīng)用完時(shí)，它將令牌傳遞給邏輯環(huán)中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于只有收到令牌的節(jié)點(diǎn)才能將信息幀發(fā)送到總線上，因此令牌傳遞總線訪問(wèn)方式不可能產(chǎn)生碰撞。假如取得令牌的節(jié)點(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送，則發(fā)送報(bào)文，隨后將令牌送至下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；否則，若取得令牌的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有報(bào)文要發(fā)送，則立即將令牌送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)接收到令牌的過(guò)程是順序依次進(jìn)行的，因此對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都有公平的訪問(wèn)權(quán)。最壞的情況下，一個(gè)節(jié)點(diǎn)等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間等于全部節(jié)點(diǎn)令牌傳送時(shí)間和報(bào)文發(fā)送時(shí)間的總和。如果只有一個(gè)站點(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送，則等待時(shí)間只是全部令牌傳遞時(shí)間的總和，而平均等待時(shí)間是它的一半，實(shí)際等待時(shí)間應(yīng)在這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。令牌傳遞總線訪問(wèn)方式是一種確定性協(xié)議，可以估算出最大的通信延時(shí)，網(wǎng)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道信息的來(lái)去方向，保證了較高的信息傳輸?shù)拇_定性，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的輕重不敏感。但是在負(fù)載較輕時(shí)，有很多時(shí)間浪費(fèi)在令牌的傳遞上。2.3.1.CAN(ControllerAreaNetwork)[36]即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，最初是為汽車(chē)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在已經(jīng)在過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。CAN總線采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/避免碰撞(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance-CSMA/CA)的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，又稱為非破壞仲裁的CSMA/CD(CSMA/CDwithNon-destructiveArbitration-CSMA/NDA)。實(shí)質(zhì)上CAN總線采用CSMA/CD協(xié)議并引用非破壞性仲裁機(jī)制解決媒體共享問(wèn)題。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有地址，而節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)的編碼被放置在報(bào)文的標(biāo)志字段中。網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。要傳送信息的節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽(tīng)總線，如果總線空閑，該節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送信息。如果同時(shí)有兩個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會(huì)發(fā)生碰撞。它是采用非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳輸信息。這樣大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重地情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。CAN總線上的每個(gè)信息都有唯一的標(biāo)識(shí)符，信息幀的發(fā)送是以發(fā)送標(biāo)識(shí)符的高位開(kāi)始的，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻向總線上發(fā)送信息時(shí)，它們首先將信息幀從標(biāo)識(shí)符高位開(kāi)始逐位向總線上發(fā)送，然后監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，如果其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到位數(shù)據(jù)和它發(fā)送出去的位數(shù)據(jù)不相同，它就不再往網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息。另一個(gè)節(jié)點(diǎn)贏得仲裁，繼續(xù)發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點(diǎn)是否接收此信息完全取決于其對(duì)標(biāo)識(shí)符濾波的設(shè)置情況。CAN總線是面向信息的協(xié)議，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有錯(cuò)誤檢測(cè)和處理功能，保證了信息傳輸出錯(cuò)率極低。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的信息最大通信延時(shí)是可以估算的。這些特點(diǎn)使其適合于工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合?？梢酝ㄟ^(guò)表2-1對(duì)三種控制網(wǎng)絡(luò)作簡(jiǎn)單的比較概括：網(wǎng)絡(luò)類型EthernetCANBusControlNet訪問(wèn)方式隨機(jī)隨機(jī)令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CSMA/CDCSMA/CATP數(shù)據(jù)包大小72-1500最大為87-504時(shí)延類型隨機(jī)、無(wú)界隨機(jī)、有界確定、周期有界表2-1幾種典型網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)特性2.3.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延分析上一小節(jié)對(duì)以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和CAN總線三種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出它們的特點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的特性，本小節(jié)將討論網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時(shí)延的組成，并討論影響時(shí)延的一些因素。從圖2-1可知，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在著兩種網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，它們是傳感器到控制器的網(wǎng)絡(luò)延遲和控制器到執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)延遲。另外，控制器中控制程序根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳送來(lái)的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到控制量，這一過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間稱為控制器的處理時(shí)間。同樣地，傳感器采樣實(shí)時(shí)信號(hào)以及執(zhí)行器對(duì)控制信息的響應(yīng)都需要時(shí)間，分別稱之為傳感器處理時(shí)間和執(zhí)行器的處理時(shí)間。因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，時(shí)延可以分為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延兩類。下面將從這兩方面詳細(xì)分析時(shí)延的組成。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，源節(jié)點(diǎn)得到某一信息并將之通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理所經(jīng)歷的所有時(shí)間可以分為產(chǎn)生時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、傳輸時(shí)延和傳遞時(shí)延。圖2-9是網(wǎng)絡(luò)通訊模型[37]。產(chǎn)生時(shí)延就是源節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求得到某一格式的信息所用的時(shí)間。例如傳感器節(jié)點(diǎn)采樣物理信號(hào)，將之轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且按總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行編碼所需的時(shí)間就是傳感器節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生時(shí)延。產(chǎn)生時(shí)延和源節(jié)點(diǎn)的任務(wù)數(shù)、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)及其處理時(shí)間有關(guān)。一般情況下，認(rèn)為任務(wù)的處理時(shí)間是個(gè)常數(shù)或者忽略不計(jì)，這要視具體任務(wù)而定。圖2-9CAN總線的通訊模型排隊(duì)時(shí)延就是信息在源節(jié)點(diǎn)隊(duì)列里等待直到其得到總線的使用權(quán)所需的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延和源節(jié)點(diǎn)要傳送的信息數(shù)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與調(diào)度方法有關(guān)。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是影響排隊(duì)時(shí)延的主要因素，因此在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，應(yīng)選擇合適的通訊網(wǎng)絡(luò)，使排隊(duì)時(shí)延不致太大而影響系統(tǒng)性能。傳輸時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)傳輸信息所用的時(shí)間。它和控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀大小、節(jié)點(diǎn)距離、媒體電氣特性以及網(wǎng)速有關(guān)。傳遞時(shí)延就是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)送來(lái)的信息到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理此信息所需的時(shí)間，例如控制器節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)送來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)到控制器節(jié)點(diǎn)處理此數(shù)據(jù)所需的時(shí)間就是傳遞時(shí)延。它是將節(jié)點(diǎn)收到的信息傳遞給下一個(gè)任務(wù)所必需的等待時(shí)間。傳遞時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣技術(shù)和緩沖區(qū)的大小等因素有關(guān)。因此，所有有系統(tǒng)的總時(shí)延為。從上述分析可以看出，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、信息優(yōu)先級(jí)、信息長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)速率、節(jié)點(diǎn)間距離、采樣技術(shù)和信息調(diào)度算法等諸多因素有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮各種因素，使時(shí)延符合系統(tǒng)要求。第三章具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS建模與控制3.1引言上一章分析和研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延產(chǎn)生的原因及特性，本章將利用模型建立來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償問(wèn)題。3.2具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS的數(shù)學(xué)建模具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的NCS結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示，被控對(duì)象為連續(xù)時(shí)間對(duì)象，而控制器為離散控制器，控制器輸出通過(guò)執(zhí)行器施加到被控對(duì)象上。圖3-1具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延NCS結(jié)構(gòu)圖設(shè)NCS中被控對(duì)象的連續(xù)狀態(tài)方程為：根據(jù)第二章對(duì)時(shí)延產(chǎn)生的分析，針對(duì)節(jié)點(diǎn)不同的工作方式，可以得到不同的系統(tǒng)離散時(shí)間模型。為了對(duì)NCS進(jìn)行建模，首先對(duì)系統(tǒng)作如下假設(shè)：（1）傳感器節(jié)點(diǎn)采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)被控對(duì)象的輸出進(jìn)行等周期采樣，采樣周期為h；（2）控制器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行起節(jié)點(diǎn)均采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式；（3）控制器節(jié)點(diǎn)采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式而執(zhí)行器采用事件驅(qū)動(dòng)方式；（4）控制器節(jié)點(diǎn)采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式而執(zhí)行器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式；（5）控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)均采用事件驅(qū)動(dòng)方式；（6）整個(gè)控制回路總的時(shí)延，且為固定或隨機(jī)的；（7）整個(gè)控制回路總的時(shí)延，且為固定或隨機(jī)的。基于以上假設(shè)的不同組合，我們可以得到NCS的不同數(shù)學(xué)模型。例如：基于假設(shè)（1）、（5）、（6）的NCS的各節(jié)點(diǎn)的時(shí)序圖為：圖3-2NCS中控制器和執(zhí)行器均采用事件驅(qū)動(dòng)方式的時(shí)序圖由此假設(shè)可得離散時(shí)間模型為[38]：（3-1）其中，，，?；诩僭O(shè)（1）、（5）、（7）的NCS的各節(jié)點(diǎn)的時(shí)序圖如圖3-3所示。圖3-3NCS中控制器和執(zhí)行器均采用事件驅(qū)動(dòng)方式時(shí)序圖對(duì)于假設(shè)（7），為了避免出現(xiàn)k時(shí)刻發(fā)出的信息比k+1時(shí)刻發(fā)出的后到的情況，可采用在傳感器和控制器段設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)的方法，這樣可以保證信息按照時(shí)間先后順序到達(dá)。由圖3-3可知，在執(zhí)行器為時(shí)間驅(qū)動(dòng)的情況下，在一個(gè)采樣周期[kh,(k+1)h)內(nèi)加到被控對(duì)象的控制量分段連續(xù)且最多有個(gè)不同值，假設(shè)在采樣周期[kh,(k+1)h)內(nèi)各控制信號(hào)到達(dá)執(zhí)行器端的時(shí)間序列為，，，，，則可得離散模型為[39]：（3-2）其中，。以上介紹的兩種模型是NCS的常見(jiàn)的建模形式。此外，還可以基于七種假設(shè)的不同組合可以得到其他的數(shù)學(xué)模型?？梢钥闯?，由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的存在，使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析變得復(fù)雜。若當(dāng)時(shí)延為隨機(jī)情況時(shí)，則這種隨機(jī)時(shí)變和不確定性，使得NCS分析和設(shè)計(jì)更具有難度和挑戰(zhàn)性。3.3具有固定時(shí)延的NCS的控制器設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，一般可分為固定時(shí)延和隨機(jī)時(shí)延，嚴(yán)格的固定時(shí)延在任何一種網(wǎng)絡(luò)中都不存在，但如果在控制器和執(zhí)行器的接收端設(shè)置緩沖區(qū)可以將時(shí)延固定，如圖3-4所示。圖3-4帶有緩沖區(qū)的NCS轉(zhuǎn)化為固定時(shí)延的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用確定性分析和設(shè)計(jì)方法對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到對(duì)時(shí)延的補(bǔ)償。已有的NCS確定性控制方法主要有：增廣確定性離散時(shí)間模型方法、基于觀測(cè)器的分布時(shí)延補(bǔ)償方法、Smith預(yù)估控制、變結(jié)構(gòu)控制等等。對(duì)于時(shí)不變控制器，前向通道和反饋回路的時(shí)延可以疊加在一起分析。因此，圖3-4可以等效為圖3-5的形式：圖3-5確定性系統(tǒng)的等價(jià)機(jī)構(gòu)圖設(shè)被控對(duì)象離散模型為：（3-3）其中可控，可觀測(cè)。1.補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)采用觀測(cè)器法建立時(shí)延補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下[40]：觀測(cè)器模型：（3-4）步預(yù)測(cè)器：，（3-5）預(yù)測(cè)控制：，（3-6）其中為的步預(yù)測(cè)估計(jì)，為狀態(tài)反饋增益矩陣，為延遲補(bǔ)償器的觀測(cè)器增益矩陣。觀測(cè)誤差定義為：為延遲補(bǔ)償器的觀測(cè)器增益矩陣的確定，有以下的定理：定理3.1使步延遲補(bǔ)償器的預(yù)測(cè)均方誤差最小的觀測(cè)器增益矩陣即為時(shí)的一步預(yù)測(cè)性最小方差增益矩陣，即。又根據(jù)Kalman濾波理論，有，其中為最小方差Kalman濾波增益。定理3.2：若被控系統(tǒng)（3-3）一致完全可控和一致完全可觀測(cè)，且系統(tǒng)可控，則整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。綜上，可以利用分離定理分別設(shè)計(jì)和，在此基礎(chǔ)上通過(guò)觀測(cè)器和步預(yù)測(cè)器得到當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)值，然后通過(guò)狀態(tài)反饋來(lái)控制對(duì)象。由定理3.1可知，此控制器還具有濾波功能，可以有效的消除噪聲對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的影響。3.4具有隨機(jī)時(shí)延的NCS的控制器設(shè)計(jì)NCS的時(shí)延通常是隨機(jī)的。隨機(jī)的原因主要是由信息在網(wǎng)絡(luò)中的等待，重發(fā)時(shí)間決定的，所以在設(shè)計(jì)控制器模型時(shí)必須考慮時(shí)延的隨機(jī)性。具有隨機(jī)時(shí)延的NCS控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的合理建模和估計(jì)。目前，隨機(jī)時(shí)延模型主要分兩類：一類是已知時(shí)延統(tǒng)計(jì)規(guī)律，相互獨(dú)立的變量，在此基礎(chǔ)上借助隨機(jī)控制理論設(shè)計(jì)使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器。這是一類比較理想的建模方法，往往只適用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小的情況；另一類是將時(shí)延看成一個(gè)時(shí)變、有界量。這是一類實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延情況比較相符的時(shí)延模型。傳統(tǒng)的控制理論已不能很好的解決這類問(wèn)題。因此，近幾年來(lái)，不少研究學(xué)者便著眼于現(xiàn)代控制理論，智能控制理論來(lái)研究這類問(wèn)題，并取得了不少的研究成果。目前對(duì)這類時(shí)延的補(bǔ)償方法主要有：基于線性矩陣不等式方法，預(yù)測(cè)控制方法，以及魯棒控制方法，遺傳算法，模糊控制方法等等。3.4.1基于時(shí)延統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)控制器設(shè)計(jì)針對(duì)上述的第一類時(shí)延模型，對(duì)基于時(shí)延統(tǒng)計(jì)規(guī)律的獨(dú)立隨機(jī)時(shí)延，可利用最優(yōu)隨機(jī)控制理論設(shè)計(jì)了使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器。其具體方法如下：NCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，其中傳感器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)，控制器和執(zhí)行器均采用事件驅(qū)動(dòng)。被控對(duì)象連續(xù)模型為：假設(shè)，因此滿足3.2節(jié)中假設(shè)（1）（5）（6），應(yīng)用（3-1）式得：（3-8）其中，，，定義性能指標(biāo)函數(shù)：（3-9）其中為加權(quán)陣，，為半正定。定理3.3對(duì)于上述給定的系統(tǒng)，如果狀態(tài)量為可測(cè)輸出，即，那么能量損失函數(shù)最小控制律由以下LQG控制方法[41]給出為：（3-10）式中：定理3.3給出了利用全狀態(tài)反饋的控制算法，控制量的生成依賴當(dāng)前的狀態(tài)和以前的控制量，每一步的迭代過(guò)程包含了隨機(jī)時(shí)延和的均值。

第五章基于matlab/simulink的NCS仿真環(huán)境研究5.1引言目前，控制系統(tǒng)研究最常用的仿真工具是Matlab仿真軟件，它也是目前研究NCS的主要仿真手段之一。但事實(shí)上僅僅采用Matlab仿真對(duì)于研究NCS存在一定的局限性。這是因?yàn)镹CS是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，其周期性的采樣過(guò)程要求采樣數(shù)據(jù)能夠盡可能地在每個(gè)采樣周期內(nèi)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破魃?。這些都要求有實(shí)時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的支持。對(duì)于這樣一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究，其關(guān)鍵問(wèn)題就在于測(cè)試端到端的響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷及采樣周期對(duì)控制性能的影響，以確定控制器參數(shù)，而對(duì)NCS的仿真需要同樣體現(xiàn)這些特性。從通訊的角度看，NCS的仿真過(guò)程應(yīng)能體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性，包括總線類型、網(wǎng)絡(luò)速率等。從控制的角度看，NCS的仿真過(guò)程應(yīng)能體現(xiàn)控制特性，包括超調(diào)量、上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等，其常用的軟件為Matlab/Simulink平臺(tái)。但這一平臺(tái)缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性的有效反映。因此，開(kāi)發(fā)出能體現(xiàn)體現(xiàn)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和網(wǎng)絡(luò)特性的仿真工具，對(duì)研究NCS顯得至關(guān)重要。5.2Truetime工具箱結(jié)構(gòu)與功能EkerJ.andCervinA開(kāi)發(fā)了基于Matlab/Simulink的Truetime工具箱[48]。如圖5-1。Truetime工具箱主要包括了TrueTimeComputer與TruetimeNetwork兩個(gè)接口模塊。圖5-1版本1.5的Truetime工具箱Truetime具有很強(qiáng)的功能：用于研究因強(qiáng)占或者傳輸時(shí)延等時(shí)間不定性對(duì)控制性能的影響；基于測(cè)量實(shí)際時(shí)變，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制器，用于系統(tǒng)的補(bǔ)償；進(jìn)行新的更加靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法實(shí)驗(yàn)，如CPU時(shí)間和通信帶寬的反饋調(diào)度和基于QoS的調(diào)度方法；用于仿真事件驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)等方面的研究。5.2.1計(jì)算機(jī)模塊TruetimeComputer模塊具有靈活的實(shí)時(shí)內(nèi)核，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，與網(wǎng)絡(luò)模塊連接的信號(hào)端口（信號(hào)接收（Rcv），信號(hào)發(fā)送（Snd）），實(shí)時(shí)調(diào)度（schedule）顯示端口等，此外，還有一個(gè)外部中斷通道（Interrupts）可以處理外部中斷。該模塊主要用于執(zhí)行用戶定義的線程以及中斷處理，如I/O任務(wù)，控制器任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)交互任務(wù)等獨(dú)立的計(jì)算機(jī)模塊功能。該模塊可以是時(shí)間驅(qū)動(dòng)也可以是事件驅(qū)動(dòng)，按照用戶定義的任務(wù)執(zhí)行，代碼采用Matlab或C++編寫(xiě)。其結(jié)構(gòu)圖如圖5-2。圖5-2TruetimeComputer模塊參數(shù)設(shè)定5.2.2網(wǎng)絡(luò)模塊TruetimeNetwork模塊按選定方式工作，該模塊包括兩個(gè)信號(hào)端口（信號(hào)接收（Rcv），信號(hào)發(fā)送（Snd）），以及一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)度（schedule）顯示端口。參數(shù)設(shè)定包括節(jié)點(diǎn)數(shù)目、傳輸速率，媒體訪問(wèn)控制協(xié)議和其他參數(shù)，其中收發(fā)信號(hào)端口可以通過(guò)Matlab模塊擴(kuò)充至多個(gè)接口，媒體訪問(wèn)控制協(xié)議包括CSMA/CD（隨機(jī)載波監(jiān)聽(tīng)/沖突檢測(cè)）、CSMA/CA（載波監(jiān)聽(tīng)多路獲取/沖突避免）、TDMA（時(shí)分多路復(fù)用）、FDMA（頻分多路復(fù)用）、roundrobin（令牌網(wǎng)）或SwitchedEthernet等方式，如圖5-3。TruetimeNetwork模塊采用事件驅(qū)動(dòng)方式工作，當(dāng)有消息進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)模塊執(zhí)行工作。信息包含發(fā)送和接收計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的信息、用戶數(shù)據(jù)（如測(cè)量信號(hào)或控制信號(hào)）、傳送時(shí)間和可選擇的實(shí)時(shí)特性（如優(yōu)先級(jí)或時(shí)限）。圖5-3TruetimeNetwork模塊參數(shù)設(shè)定5.3初始化使用Truetime進(jìn)行仿真時(shí)，首先要對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)模塊TruetimeNetwork和各個(gè)節(jié)點(diǎn)即計(jì)算機(jī)模塊TruetimeComputer進(jìn)行初始化，初始化涉及輸入和輸出端口的數(shù)目，選擇優(yōu)先級(jí)函數(shù)、定義代碼函數(shù)、建立線程與中斷句柄等。初始化時(shí)，用戶首先要設(shè)置各種參數(shù)，并且編寫(xiě)各種代碼函數(shù)實(shí)現(xiàn)所需功能，代碼可以采用Matlab語(yǔ)言或者C++編寫(xiě)，編寫(xiě)代碼可通過(guò)調(diào)用偽碼完成，在計(jì)算機(jī)內(nèi)核中提供了一組能夠被用戶調(diào)用的實(shí)時(shí)偽碼，表5-1給出了部分偽碼示例[49]，編寫(xiě)的代碼用于創(chuàng)建各種任務(wù)與網(wǎng)絡(luò)中斷句柄。初始化中計(jì)算機(jī)內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)是兩個(gè)基本的初始化內(nèi)容，分別采用了ttInitKernel（nbrInp，nbrOutp，prioFcn）與ttInitNetwork（nodenumber，handlemame）形式表示。ttInitKernel中nbrInp為輸入通道的數(shù)目，nbrOutp為輸出通道的數(shù)目，prioFcn為采用的調(diào)度策略，而ttInitNetwork中nodenumber為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的地址，handlername中nodenumber為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的地址，handlername為被調(diào)用的中斷句柄名，如ttInitKernel（1，0，‘RM’）表示采用了RM（單調(diào)速率）調(diào)度策略。如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)4控制器初始化為ttInitNetwork（4，‘msgRcv’）。ttAnalogIn（ch）從輸入通道取值ttAnalogOut（ch，val）設(shè)定輸出通道值ttSendMsg（rec，data，len）從網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息ttGetMsg（）從網(wǎng)絡(luò)輸入隊(duì)列中獲取消息ttwait（ev）等一個(gè)事件ttCreateTimer（time，ih）在指定時(shí)間觸發(fā)中斷句柄ttSetPriority（val）改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級(jí)表5-1偽碼舉例初始化的主要步驟：（1）初始化功能塊內(nèi)核，設(shè)置功能塊輸入、輸出端口的數(shù)目和調(diào)度策略。調(diào)度策略一般采用prioFP（固定優(yōu)先級(jí)）方式。因此在后面的仿真平臺(tái)搭建時(shí)初始化程序?yàn)椋簍tInitKernel(1,0,'prioFP')，即初始化controller節(jié)點(diǎn)中truetimekernel模塊，1個(gè)輸入，無(wú)輸出，調(diào)度協(xié)議為FP協(xié)議。（2）定義任務(wù)函數(shù)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)采用驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)置不同的任務(wù)調(diào)度策略。對(duì)于時(shí)間驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，調(diào)用ttCreatePeriodicTask函數(shù)，設(shè)置周期性的任務(wù)調(diào)度策略，以及實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣功能。對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，調(diào)用ttCreateInterruptHandler函數(shù)，設(shè)置中斷式任務(wù)調(diào)度策略，使節(jié)點(diǎn)在接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后觸發(fā)相應(yīng)的任務(wù)。（3）初始化網(wǎng)絡(luò)端口，設(shè)置節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口代號(hào)。控制網(wǎng)絡(luò)功能由TruetimeNetwork功能塊實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)類型、節(jié)點(diǎn)數(shù)、傳輸速率以及丟包率等參數(shù)可以通過(guò)TruetimeNetwork功能塊的設(shè)置窗口進(jìn)行設(shè)置。具體的參數(shù)選擇根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型的不同而不同。根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同的工作方式，可以得到不同的系統(tǒng)離散時(shí)間模型。為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，首先對(duì)系統(tǒng)作如下假設(shè)：傳感器節(jié)點(diǎn)采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)被控對(duì)象的輸出進(jìn)行等周期采樣，采樣周期為h；控制器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)都采用事件驅(qū)動(dòng)方式，即信息的到達(dá)時(shí)間即為響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)將傳感器、控制器和執(zhí)行器作為系統(tǒng)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別用一個(gè)TrueTimeKernel模塊仿真，傳感器節(jié)點(diǎn)采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，它包含了一個(gè)周期性任務(wù)，將定期采樣的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到控制器節(jié)點(diǎn)；控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用事件驅(qū)動(dòng)方式，控制節(jié)點(diǎn)處理控制信號(hào)并將結(jié)果送至執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制信號(hào)并輸出結(jié)果。該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。圖3網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真模型圖4參數(shù)設(shè)置界面圖5以太網(wǎng)下的系統(tǒng)輸出圖6令牌網(wǎng)下的系統(tǒng)輸出圖7設(shè)備網(wǎng)下的系統(tǒng)輸出網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失是影響網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的另外一個(gè)重要的因素，通過(guò)設(shè)定不同的丟包率來(lái)研究其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。圖8參數(shù)設(shè)置界面無(wú)丟包：圖9系統(tǒng)的輸入和輸出丟包率0.1：圖10系統(tǒng)的輸入和輸出丟包率0.15：圖11系統(tǒng)的輸入和輸出丟包率0.2：圖12系統(tǒng)的輸入和輸出丟包率越大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響越大，當(dāng)丟包率達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)使系統(tǒng)不再穩(wěn)定。（1）在令牌網(wǎng)下，傳輸速率為1.5M：圖13系統(tǒng)響應(yīng)曲線（無(wú)沖突、干擾和數(shù)據(jù)丟失）網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)占網(wǎng)絡(luò)資源的20%情況下，調(diào)度策略為固定優(yōu)先級(jí)（FixedPriority），系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度情況：圖14系統(tǒng)響應(yīng)曲線（2）在令牌網(wǎng)下，傳輸速率為93.75Kbit/s，調(diào)度策略為固定優(yōu)先級(jí)（FixedPriority）：圖15系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖16網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)占網(wǎng)絡(luò)資源的20%情況下，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度情況，調(diào)度策略為固定優(yōu)先級(jí)（FixedPriority）：圖14系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖15網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度（3）在令牌網(wǎng)下，傳輸速率為93.75Kbit/s，網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)占網(wǎng)絡(luò)資源的20%、丟包率為10%情況下，調(diào)度策略為固定優(yōu)先級(jí)（FixedPriority），系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度情況：圖16系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖18網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度在令牌網(wǎng)下，傳輸速率為93.75Kbit/s，網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)占網(wǎng)絡(luò)資源的20%、丟包率為10%情況下，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度情況，調(diào)度策略為PrioRM（單調(diào)速率）：圖19系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖20網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度在令牌網(wǎng)下，傳輸速率為93.75Kbit/s，網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)占網(wǎng)絡(luò)資源的20%、丟包率為10%情況下，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度情況，調(diào)度策略為PrioEDF：圖20系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖21網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度在令牌網(wǎng)下，傳輸速率為93.75Kbit/s，網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)占網(wǎng)絡(luò)資源的20%、丟包率為10%情況下，系統(tǒng)的輸出和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度情況，調(diào)度策略為PrioDM：圖20系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖21網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，傳輸速率、干擾率、數(shù)據(jù)包的丟失率以及數(shù)據(jù)包的大小都會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)控制性能，對(duì)于多任務(wù)的控制系統(tǒng)調(diào)度策略對(duì)控制性能也有很大的影響。調(diào)度策略對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問(wèn)題：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的所有控制信息都要通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息不可避免產(chǎn)生碰撞、丟失和重發(fā)等現(xiàn)象，因此必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息進(jìn)行合理調(diào)度，否則控制信息產(chǎn)生的較大時(shí)延，會(huì)降低控制系統(tǒng)的控制性能，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)破壞，因此在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究中必須考慮網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問(wèn)題。第六章總結(jié)與展望網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是將通信網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)也加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)控制和上層管理之間的聯(lián)系。但隨之也帶來(lái)了如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、數(shù)據(jù)包的多包傳輸及丟失等諸多問(wèn)題，本文在此背景下針對(duì)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的時(shí)延進(jìn)行了研究和分析。6.1總結(jié)本文首先介紹了工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，引出了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的產(chǎn)生原因、概念和亟待解決的若干問(wèn)題。然后深入分析了目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究、網(wǎng)絡(luò)引起的時(shí)延補(bǔ)償，系統(tǒng)地闡述了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)一些學(xué)者的著作進(jìn)行了綜述。對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的采樣技術(shù)進(jìn)行分析，并分析了三種不同協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和性能。通過(guò)研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的時(shí)延組成和特性，建立不同條件的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)數(shù)學(xué)模型，利用設(shè)置緩沖區(qū)對(duì)固定時(shí)延進(jìn)行了補(bǔ)償器設(shè)計(jì)。分別利用隨機(jī)理論、最優(yōu)控制和LMI法對(duì)隨機(jī)時(shí)延的補(bǔ)償作了研究。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模復(fù)雜和不確定性，應(yīng)用智能控制中的模糊控制理論，建立了模糊補(bǔ)償PID控制器和Fuzzy-PID復(fù)合控制器。介紹基于Matlab/Simulink的Truetime的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的仿真平臺(tái)的建立和實(shí)驗(yàn)，并以直流伺服電機(jī)為控制對(duì)象進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明控制器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和可行性。6.2研究展望目前對(duì)NCS的研究多基于大量的假設(shè)條件，而這些假設(shè)條件在實(shí)際的應(yīng)用中往往顯得過(guò)于苛刻。本文從控制理論的角度應(yīng)用智能控制研究NCS中的控制器設(shè)計(jì)，雖然取得了一些成果，但仍有許多工作值得進(jìn)一步的研究:（1）目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究主要從兩方面展開(kāi):一是從通信技術(shù)著手，通過(guò)研究如何設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使得通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且使這些數(shù)據(jù)能夠滿足各自的實(shí)時(shí)性要求；二是從傳統(tǒng)控制理論角度出發(fā)，研究不定時(shí)延系統(tǒng)的控制方法。如果將兩方面結(jié)合起來(lái)，將是一種不錯(cuò)的嘗試思路。（2）目前NCS中網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)的建模方法還相對(duì)較少，并且缺乏普遍適用性，大多針對(duì)單輸入單輸出回路的簡(jiǎn)單描述，如何對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線上的多個(gè)回路進(jìn)行綜合建模，產(chǎn)生一個(gè)通用的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)模型，是頗有研究意義的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[1]王慧.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2000.245～256[2]陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,1996.[3]黎善斌,王智,張衛(wèi)東,孫優(yōu)賢.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望.信息與控制.2003.3：239～244[4]顧洪軍.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模及性能分析方法的研究：[博士學(xué)位論文].北京：清華大學(xué).2001[5]李昌禧、張洪、李躍忠、劉紅麗.測(cè)量、控制與管理一體化技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2004[6]張?jiān)粕?網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).重慶：重慶大學(xué)出版社.2003[7]A.Ray,Y.Halevi.IntegratedCommunicationandControlSystems:PartI-Analysis.J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