网络控制系统研究综述

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1、网络控制系统研究综述［文章摘要］本文介绍了控制系统的研究发展现状，网络控制系统出现的背景和研究内容，从网络和控制两个角度对网络控制系统进行了讨论。分析了控制网络信息流传输的若干问题，以及网络控制系统的建模与控制器设计、可靠性和安全性等问题，在分析现状的同时探讨了网络控制系统的一些发展方向。［关键词］网络控制系统时延分析安全性可靠性八八执行赭入迟,cam为控制器到执行器的传输延迟。

2、通信两络I控制器1概述控制网络体系结构的变革对包括控制理论在内的许多研究领域都将产生重大影响，对传统控制理论相应地提出了新的挑战，对控制系统的分析也将从“系统与控制”的概念转

3、变到“网络和控制”的范畴，分析的对象不再是孤立的控制过程，而是整个网络控制系统的稳定性分析、调度管理和鲁棒性问题等。由于连接到通讯介质上的每个设备都是一个信息源，而通讯介质是分时复用的，待发送信息只有等到网络空闲时才能被发送出去，这就不可避免地导致了传输延迟的发生。每个控制网络可以有多个控制系统构成，其中有-部分是闭环控制系统。由于这些闭环控制系统是通过网络形成闭环的，因此称之为闭环网络控制系统。由于信息传输延迟的存在，相应地就把延迟环节引入了这些系统。网络控制系统的结构框图如图1所示。厂小…J为传感器到控制器的传输延时图1进入21世纪，信息技术的飞速

4、发展实现了将控制系统由传统的封闭集中体系向开放的分布式体系发展，随之应运而生了，网络控制系统NCS(NetworkedControlSystems)又称为通信与控制系统ICCS(IntegratedCommunicationandControlSystems)o它是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，将某个区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用八实现资源共享和协调操作［1,2］。网络化控制是复杂大系统控制和远程控制系统的客观需求，传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智能化。为通信网络在控制系

5、统更深层次的应用提供了必要的物质基础，而高速以太网和现场总线技术的发展和成熟解决了网络控制系统自身的可靠性和开放性问题，使之成为现实。NCS广泛地应用于自动化制造工厂、电厂、机器人、高级的航天航空器和电气化运输工具［3,4］。与其它相关的计算机控制系统(如直接数字控制系统，分布式控制系统和现场总线控制系统)不同的是，NCS中所冇的实时性传感器和控制数据是通过网络传输的，网络节点必须紧密协调工作来完成控制任务。而直接数字控制系统中计算机是直接对过程进行控制的，分布式控制系统中许多的实时性控制任务(传感，计算，执行)是在各自的模块中完成的，仅仅开/关信号、

6、监控信号、警报信号等这类信息是通过网络来传输的。从网络结构上来说，NCS和现场总线控制系统并没有区别，都是总线网络，多个节点共享信道传输实时或者非实时信息.但是从定义上看，FCS着重点是节点之间实吋或者非实时信息的传输和共享，而NCS强调在串行实吋总线上建立闭环控制回路。从这一点上看，NCS对于网络的实时性要求更高，网络结构也更加分散化。NCS中的控制网络是一个大的范畴，包括了现场总线，但是不局限于现场总线，还可以包括工业以太网、无线网络等多种形式，这也是与网络技术的发展相适应的。姐合式複拟控——集中式数字控制系统IV制系统I集中式主从式分布式Q现场誇

7、制现场沪2.1NCS的数学模型图3曲型网络拴聯绕段或5信息浣向如图4所示，被控对象为连续时间对象，而控制器为一数字类型的控制器，控制器输出通过一执行器施加到被控对象上。乙表示传感器到控制器的传输延迟，乙“表示控制器到执行器的传输延迟，r(.为控制量的计算吋间，可将其归并入匚“。节点的工作方式可以分为时间驱动(TimeDriven)和事件驱动(EventDriven)［31］两种。所谓时间驱动的工作方式，是指节点在采样时钟的作用下定时采样信号，然后进行发送。而事件驱动是指信号一到达节点，节点立即被激活，対数据进行处理和发送，即“信号到达”这个事件“驱动”

8、节点执行相应的动作，因此叫事件驱动的工作方式。设NCS屮被控对象的连续状态方程为x(t)=Ax(t)+Bu(t-t)曲)=3)根据节点不同的工作方式，可以得到不同的系统离散时间模型。吴迎年［5］等根据结点的不同的工作方式，总结了NCS的多种离散化模型。山于网络延时的存在，使得网络控制系统的分析变得复杂，尤其是当时延为随机情况时，此时系统为一随机不确定系统，正是由于网络传输时间这种随机时变性和不确定性更增加了NCS分析和设计的难度。2.2NCS中的状态估计在NCS屮，进行状态估计的主要作用是利用带延迟的部分状态信息计算系统的全状态，这方面的估计问题一般通

9、过最优状态估计来完成。另外，由于NCS中信息是通过网络传送的，而网络的可用带宽是有限的。用状态