网络控制系统的实时扩展及协同控制研究

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1、万方数据西南大学硕士学位论文皇!皇!曼寰!量II皇!苎!皇!曼!!鼍!苎曼葛!曼曼鼍皇!皇鼍曼!!詈詈皇!!寡曼皇鼍曼曼!!!曼曼孽!!皇!!曼皇鼍网络控制系统是一种传感器、控制器、执行器等节点空间分离，以网络为传输媒介将其构成一个闭环的控制系统，同时实现节点之间数据共享，是一种完全分布式和网络化的控制系统。相比传统控制系统，网络控制系统打破了系统在空间距离上的束缚，其布线简单、安装快捷、高诊断能力、可靠性高、容易实现信息共享、易于维护和扩展、降低费用等优点，拓宽了控制应用范围，具有广泛的研究及应用意义。然而，由于将网络通信引入控制系统，连接智能设备和自动化系统，使得系统的结构和控制

2、都变得更为复杂。与传统控制系统相比，其主要特征主要体现在两个方面：1)网络控制系统具有传感器、控制器、执行器等设备物理空间分离的特征，各设备站之间通过网络通信进行互联，即在原有的控制基础上，各设备必须满足通信协议约束条件，使得系统扩展问题由硬件接口转移到网络通信协议上来。2)网络控制系统各通信节点通过共享网络资源，完成数据传输。但由于网络带宽约束、通信链路分时复用、外界干扰、数据传输时间不确定、通信报文包协议约束等原因使得网络控制系统在传输过程中不可避免的存在网络诱导延时、数据重传、丢包、中断、网络拥塞、数据分包传输、时序错乱等问题[3．9】，使得传统控制系统建模、控制器的设计、控制

3、算法稳定性分析、最优控制控制等理论都需要和网络调度相结合，然后经过重新评估和分析后才能得以应用。因此，网络控制系统的扩展性和网络调度在理论研究和实际应用都具有深远意义。除此之外，自马里兰大学Walsh教授提出被大家广为接受的网络化控制系统概念以来，网络控制系统已成为国内外控制、计算机、通信等多领域的一个研究热点。在国际上，2004年，国际控制领域最具权威的IEEE控制系统分会自动控制杂志(IEEETransactionsonAutomaticContr01)第一次成立了控制系统的专刊，在2007年电子与电子工程师协会集(ProceedingofIEEE)qb也成立了网络控制系统专刊。

4、此外，国际上，自动化期刊(Automatica)、国际自动控制联合世界大会(IFAC—wc)、美国控制会议(ACC)、IEEE控制与决策会议(CDC)，在国内，自动化学报、控制与决策、控制理论与应用、中国控制与决策会议(CDCC)、中国控制会议(cco、智能控制与自动化大会(WCICA)等重要学术期刊和会议都有网络控制系统专题和各种研讨会，这反映了网络控制系统作为多领域交叉学科，其理论研究和工程应用有诸多问题值得探讨，同时也从另一个侧面说明了该领域研究具有的重要意义。1．2课题研究网络控制系统的相关问题网络控制系统融合了通信技术、控制技术、计算机技术等领域，其多学科优势互补的同时，也

5、不可避免地导致了一些新的问题，给传统的系统结构、建模和万方数据第1章绪论控制理论等等多个方法带来了新的机遇和挑战。网络控制系统的灵活性、扩展性不仅与调度算法有关，而且与网络通信模型有关。整个闭环控制系统的性能不仅与控制器所采用的控制算法有关，而且与传感器、控制器和执行器等设备节点所共享的网络资源有关；所以，研究网络控制系统扩展性、调度算法及控制理论等问题需要综合考虑网络控制系统中存在的一些基本问题，如下所述。1．2．1网络动态扩展性问题随着控制系统大型化、功能复杂化、应用需求多样化等因素，使得网络控制系统结构复杂度越来越高，并且系统运行过程中存在网络节点动态增减的情况，这都使得系统的

6、设计和维护难度加大，这要求网络控制系统有更好的灵活性和动态扩展能力，以适应动态的网络环境，比如在线更替老化设备、新增控制回路、网络测点动态增减等。网络控制系统扩展性问题首先集中在网络通信模型适应网络节点动态入网过程中，主要包括节点通信组网和网络控制系统角色识别，前者主要侧重于设备对网络通信协议自适应过程，包括设备通信地址自动获取、地址复用检测和获取链路控制权等；后者侧重于网络控制系统功能识别，新入网节点与现有网络节点组成控制回路，协同完成控制功能。在网络控制系统，由于各网络节点通常由微控制器、收发器及模数转化电路构成，具有简易、廉价等特点，致使网络控制系统设备节点不能像智能PC机具有

7、唯一的MAC地址或网卡地址，所以网络的调度器或路由器不能直接对新入网节点直接分配通信地址等操作，而且当前几百种现场总线和工业实时以太网协议并存和协议的不完全开放等因素加剧了实现网络控制系统动态扩展难度。所以网络通信协议、网络通信模型与网络控制系统扩展性密切相关，是解决一切控制问题的基石。1．2．2数据传输问题网络控制系统常见的通信类型【10】如表1．1所示，该表也给出常见MAC协议的网络通信协议代表及其主要特点。由于受网络拓扑结构、所采用通信协议类型不同、