探究控制网络系统性能分析、系统设计和网络互连的研究与应用

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1、中南大学博士学位论文控制网络系统性能分析、系统设计和网络互连的研究与应用姓名：彭可申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：陈际达20040401中南大学博士学位论文摘要随着现实生产、生活中大型复杂分布式控制应用的不断增长，计算机和网络通讯技术被广泛应用于控制领域。控制、计算机和网络技术的交叉与融合，促成了控制网络系统(CNS)这一新控制模式的产生和发展。控制网络技术引起了控制领域的深刻变革，控制网络系统必将成为未来自动控制系统的主流。然而，目前控制网络系统还远未形成一个体系完善、技术方法有效、内涵和外延明确

2、的研究领域；仍有许多理论与实际问题亟待研究和解决，特别是其理论与实际工程脱离的情况比较严重。本论文正是在这样的背景下，针对控制网络系统性能分析、系统设计和网络互连中部分关键问题进行了研究与探讨。文章包含了控制网络系统以及相关领域中热点技术、应用问题的分析与综合，并且就某些方面提出了作者独创的观点、分析方法和具体解决方案。全文共分为六章，主要研究内容和结论如下：第一章首先给出控制网络和控制网络系统的定义，论述了它们的特点和优点。其次，在对于控制系统网络化发展趋势进行分析的基础上，提出了控制网络系统发展的三个主要阶段及其技

3、术特性。接着，分析了当前控制网络系统发展的现状，指出不同控制网络系统间互连与集成是现阶段的主要特点。最后，详细介绍了目前国内外控制网络系统理论与应用的研究现状。第二章探讨了控制网络系统中网络协议的服务性能(QoS)。首先，利用图表对比法分析了Ethernet、CAN和LON三种CSMA类型控制网络协议的静态服务性能；指出静态服务性能分析可用于指导网络选型，它对于控制网络系统的初期设计具有重要价值。其次，通过对控制网络传输时延的构成分析，指出控制网络系统中网络传输时延和通讯可靠性主要依赖于其数据链路层，尤其是MAC层协议

4、；进而运用解析与仿真方法分析了CSMA、TokenBus和主从Polling三种主要MAC层协议类型的动态服务性能。本章还提出一种利用有限状态机和RationalRoseRealTime建模软件来仿真控制网络协议动态服务性能的分析方法；通过该方法得到了网络协议动态性能的仿真结果。最后，提出了两种基于CSMA协议的改进方法，即优先级轮循CSMA协议和总线以太网CSMA／CD--Master／SlavePolling切换混合协议；通过理论与仿真分析验证了它们对于网络协议实时性和可靠性的改进效果。第三章主要针对控制网络系统中

5、控制性能分析(QoCP)的三个子问题进行了研究：1．采用非线性规划理论，作者独立解决了多回路控制网络系统中如何确定优化采样频率的问题；并且给出其实用工程化的求解方法。2．针对网络传输时延、信息丢失等不同情况，分析和得到控制网络系统的稳定性条件。3．通过设置接收缓冲区使得随机网络传输时延确定化，同时利用混沌优化算法整定控制器参数；本文对控制网络系统完成了二自由度内模优化控制器的设计。中南大学搏士学位论文摘要第四章探讨了控制网络系统设计方法问题：1．对于控制网络底层节点的设计，本文提出一种多处理器结构功能模块化的软硬件协同

6、设计方法。该方法极大地提高了单个节点的处理能力、扩展性以及可靠性。作者基于该方法开发了一种CPLD+多MCU结构的LonWorks多功能节点，并已成功应用于实际工程。2．综合前述章节对于网络协议服务性能和系统控制性能的分析，同时借鉴软件工程中UML建模语言与面向生命周期法的开发步骤；本章提出一种控制网络系统的整体形式化建模和设计方法。该方法对于控制网络系统的理论建模研究和实际工程开发都具有一定指导意义；文中还进一步列举示例，验证了所提出系统设计方法的有效性。第五章主要研究控制网络系统的互连和集成问题。首先分析和对比了控

7、制网络系统与计算机网络系统的结构模型。其次，阐述了当前不同网络之间互连与集成的主流实用技术。采用硬件网关来解决不同网络互连问题，系统具有良好的实时性能；利用OPC、实时数据库、中间件和Web等软件技术进行控制网络系统的互连集成，能够使得控制网络和计算机信息网络在技术上进一步融合，系统具有良好的扩展性和兼容性。最后，本章还介绍了作者基于现有技术条件实现的两个网络互连设计方案及其实际系统的构建工作。LON总线与RS一422／485混合楼宇控制网络系统的开发具有一定实用推广价值。采用MCU或DSP处理器的以太网TCP／IP协

8、议网关设计具有很高的性价比，为当前技术条件下实现面向控制应用的以太网TCP／IP协议提供了一条途径。第六章总结全文的主要研究成果和创新点，同时进一步展望了今后的研究方向。关键词：控制网络系统，网络服务性能，系统控制性能，形式化建模，系统整体设计，网络互连，Ⅱ．主塑奎堂堕主兰垡堡塞苎茎AbstractAstheapplication