网络控制系统与网络化串级控制系统的结构分析

《网络控制系统与网络化串级控制系统的结构分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、万方数据综述与评论化工自动化及仪表。2009，36(2)：1—5ControlandInstrumentsinChemicalIndustry网络控制系统与网络化串级控制系统的结构分析黄从智，白焰，李新利(华北电力大学自动化系，北京102206)摘要：基于实际工业过程控制．引入了网络化串级控制系统的概念。针对网络控制系统中存在多个网络及多个控制回路，提出了节点设备连接阵和网络传输阵的概念。分析网络控制系统的三种典型结构形式，并用系统配置图、方框图以及节点设备连接阵和网络传输阵等方法描述了这三种不同结构的网络控制系统。在此基础上指出网络化串

2、级控制系统的四种典型结构．并分别采用这三种方法进行描述。对网络控制系统和网络化串级控制系统结构的分析和描述，为系统的进一步分析和设计奠定了坚实的基础。关键词：网络控制系统；网络化串级控制系统；节点设备连接阵；网络传榆阵；结构中图分类号：m73文献标识码：A文章编号：1000—3932(2009)02-0001-05l引言反馈控制系统中，控制回路是通过实时网络闭合的，称之为网络控制系统⋯(NetworkedControlSystem，NCS)。由于其具有成本低廉、维护方便等突出特点，网络控制系统在电力系统、石油化工等工业过程控制中得到了广泛

3、的应用。目前，网络控制系统已经成为国内外过程控制的一个研究热点，文献[1—3]总结了最新进展。很多研究者针对网络控制系统的建模和稳定性Hq-、控制器设计一“副等问题进行了深入的研究。但在实际工业过程控制中，串级控制系统是除单回路反馈控制外应用最广泛的重要控制结构，随着DCS和FCS的广泛应用，在串级控制系统中越来越多地通过专用网络或现场总线来传输实时控制信息。串级控制系统中，控制回路是通过实时网络闭合的，称之为网络化串级控制系统¨刨(NetworkedCascadeControlSystem，NCCS)。网络化串级控制系统是一类特殊的网络

4、控制系统，它充分结合了网络控制系统和串级控制系统的优点，不仅可以大大降低系统成本、提高系统诊断维护水平，还可以快速克服内部扰动，提高系统工作频率。将网络引入控制系统的控制回路中，为工业过程控制实际应用带来了极大的便利，但也给控制系统的分析和综合带来了巨大的挑战。传统的控制理论中所作的假设，如数据包的无延迟、无差错、无丢失的准确传输等不再成立，系统的分析和设计变得异常复杂。在网络控制系统和网络化串级控制系统中，由于配置方式的不同，可能会导致不同的系统结构。而不同的系统结构中，网络存在的位置又各不相同，从而相应地有不同的系统分析和综合方法。因

5、此，有必要针对网络控制系统和网络化串级控制系统的结构进行深入研究。本文从工业过程控制实际出发，针对NCS和NCCS的网络结构进行了研究，提出了节点一设备连接阵和网络传输阵的概念并分析了它们的性质，采用系统配置图、方框图、节点设备连接阵和网络传输阵等三种方法分别描述了NCS的三种常见结构，并描述分析了NCCS的四种典型结构。2节点设备连接阵和网络传输阵为简化问题分析，以下设备仅指与控制回路直接相关的现场设备，包括传感器、控制器、执行器等三类设备。网络节点仅指与控制回路直接相关的节点，即至少包含三类设备之一的节点，而不包括与控制回路无关的节点

6、，如智能化外围设备等其它节点。定义l节点设备连接阵P定义为：P=(P。)(i=1，2，⋯，m汀=1，2，⋯，n)，其中，m为网络中的节点数，／1为网络中的设备数。P。=1表示设备．『挂在网络节点i上，P。=0表示设备-『未挂在网络节点i上。由定义1可知，节点一设备连接阵P描述了各网络节点上是否挂接有设备，以及挂接的是哪些设备。推论1由于一个设备只能挂在某一个网络节点上而不可能挂在多个网络节点上，故P的每一列有且仅有一个元素为l，其它元素均为0。推论2一个网络节点上至少需要挂一个设备，因此P的每一行至少有一个元素为1。推论3P的每一列所有元

7、素之和均为l，P的收稿日期：2009．02·11(修改稿)万方数据·2·化工自动化及仪表第36卷每一行所有元素之和大于等于1，P的所有元素之和为n。定义2网络传输阵Q定义为：Q=(q。)(i√=l，2，⋯，m)是维数为m的对称矩阵，m为网络中的节点数。q。=1表示节点i与节点_『之间存在需要传输的实时信息，且传输方向是从节点i到节点．『，否则q。=0，节点i与节点_『之间不需要传输实时信息。网络传输阵Q描述的是控制回路中需要传输各种实时信息(包含传感信息和控制信息)的网络在节点之间存在的位置，还描述了节点之间各实时信息传输的方向。推论4Q

8、的对角线元素必定全部为0，即g“=0(i=1，2，⋯，m)。3网络控制系统的结构分析为简化问题分析，在网络控制系统中，设备仅指与NCS控制回路直接相关的现场设备，包括变送器、控制器、执行器等三