基于无线传输的网络控制系统分析

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1、第1章绪论1．1课题背景与意义现代计算机网络技术已经渗透到了科学研究和工业应用的各个方面。在工业控制自动化领域，人们越来越趋向于将计算机网络和控制系统集成在一起，利用网络作为媒介，连接控制系统中的不同部件，从而形成不同层面上的操作和信息处理。在现代工业控制自动化技术潮流的推动下，系统的模块性、控制的分散性、系统的自诊断性、快速方便的维护和低成本要求在控制系统设计中越来越突出。传统工业控制系统中，各部件点对点连接的通信结构已经远远不能满足这样的要求。工业网络化控制技术就是为满足这些要求而发展起来的。网络控制技术是计算机网络、通信技术和自动控制技术相结合的产物。它是在现场总线技术的基础上发展起

2、来的，同时比现场总线一词具有更深更广的技术内涵。网络控制系统(NetworkedControlSystem,NCS)是将多个分散在生产现场的，具有数字通信能力的测量控制仪器和仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，并能够共同完成自动控制任务的网络与控制系统。现场总线技术产生于20世纪80年代。随着自动控制系统的网络化、信息化进程的不断加快，现场总线近年来逐渐成为研究的热点。十几年来欧洲、北美的一些企业陆续推出了几十种控制网络，其中有一些已被列入国际标准，如FF(FoundationFieldbus)、LonWorks、CA

3、N(ControllerAreaNetwork)、PROFIBUS(ProcessFieldBus)、工业以太网(IndustrialEthernet)等。但是这些标准都是采用有线传输介质，例如双绞线、同轴电缆等。由此带来了地面和墙体布线、网络线路维护等一系列问题，特别是在一些设备需要较大范围移动的场合，固定的线路给应用带来了很多不便。燕山大学工学硕士学位论文近年来无线通信技术得到了蓬勃发展。基于无线传输的网络系统其性能指标，如传输速率、误码率、传输距离等，都有了很大的提高。将无线通信技术应用于网络控制系统，可以使得网络控制系统延伸至光缆或电缆铺设不便的特殊地理环境，还适用于对控制网络中的

4、节点有移动性要求的场合。同时无线网络系统也可作为有线网络控制系统的备份和补充。本课题利用无线信道在控制系统各模块问进行数字化的信息交换，进而组建成实时控制网络，为构建和改造控制系统提供了一种新的方案。随着无线通信技术和控制技术的逐渐成熟和应用，无线控制网络虽然不能取代有线网络，却足以作为其一种重要的补充，并可与其一起组成一种安全、可靠、灵活、高效的新型工业控制模式。所以研究无线网络状态下的控制系统仍具有很高的实用价值。1．2国内外研究现状将通信网络加入到反馈控制回路，首要问题是网络延时(传感器一控制器延时和控制器一传感器延时)问题，它们在共享介质的装置交换数据时发生。这种延时既可能是定常的

5、，也可能是时变的，如在设计控制系统时不考虑这种延时将降低控制系统的性能，甚至使系统不稳定【1】。目前设计网络控制系统时，一般有以下两种方法12J。(1)研究控制算法在已经存在网络延时的前提下，考虑控制算法，提高系统对延时的鲁棒性，抵抗延时对系统造成的影响。(2)研究网络通信协议考虑网络传输过程，设计一个通信协议使得网络传输延时发生的可能性最小。如设计各种阻塞和调度算法用于在网络流量超过网络处理能力的情形下提高其性能。通常在闭环网络控制系统中，被控对象为连续时间对象，经传感器按一定周期采样后产生的信号在网络中传输：控制器为数字控制器，其输出通过执行器施加到被控对象上。根据网络中各个节点工作方

6、式的不同，可得到不同的被控对象离散时间模型。需要说明的是，网络上节点的工作方式可以分为时间驱动型(tiIIle．driven)和事件驱动型(evem．driven)[31两种。所谓2第1章绪论时间驱动方式，是指节点在采样时钟的作用下定时采样信号，然后发送到相应节点。而事件驱动是指信号一旦到达节点，节点就立即被激活，对数据进行处理和发送，即“信号到达”这个事件“驱动”节点执行相应的动作，因此称为事件驱动工作方式。对于不同的控制技术设计者可采用不同的工作方式[41。近年来大量文献研究了网络控制系统的时间延迟、实时性和如何克服网络延时对控制系统性能的影响等问题。许多学者提出了多种不同的网络控制系

7、统模型和时延补偿等控制技术。1．2．1状态增广法在具有定长时延的离散时间系统中，常用的方法是状态增广法。它通过将经延迟后的对象输入输出变量作为增广状态，并建立新的状态空间方程，与原始状态方程联立共同来描述系统。增广状态的维数与系统状态维数、输入维数以及延时大小有关，因而描述系统的增广状态方程的维数常常会变得很大，系统的复杂性也相应增加。一些学者以状态增广法为基础，针对不同的网络特性提出了自己的方法。Raji针对具有周期性