网络控制系统文献综述

网络控制系统文献综述1.概述随着电子计算机和网络通信技术的发展以及控制和管理要求的不断提高,使得控制系统正由封闭的集中体系加速向开放分布式体系发展。从控制系统的出现就生了控制信息交流和共享的问题。由于技术上的限制,控制系统早期采取一种封闭结构,这同计算机技术发展早期相似;而且控制系统网络化发展(如图1)也跟计算机网络的发展进程有某种相似的对应关系。在计算机控制系统的发展过程中,每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计算机技术的发展[1]。实际上,大多数情况下,正是在计算机领域一种新技术出现以后,人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。进入21世纪,自动化与工业控制技术需要更深层次的渗透通信与网络技术。一方面,现代工厂与智能设备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间,其间的通信需要数据通讯网络来实现,这是网络环境下典型的控制系统[2](如图2)。另一方面,通信网络的管理与控制也要求更多的采用控制理论与策略。集中式控制系统和集散式控制系统都有一些共同的缺点,即随着现场设备的增加,系统布线十分复杂,成本大大提高,抗干扰性较差、灵活性不够、扩展不方便等。为了从根本上解决这些问题,必须采用分布式控制系统来取代独立控制系统。分布式控制系统就是将控制功能下放到现场节点,不需要一个中央控制单元来集中控制和操作,通过智能现场设备来完成控制和通信任务。分布式控制系统可以分为现场总线控制系统和网络控制系统,前者可以看作是后者的初级阶段[3]。从网络结构上来说,NCS和FCS并没有区别,都是总线网络,多个节点共享信道,用来传输实时或非实时数据;但从定义上看,FCS侧重的是节点之间实时或非实时数据的传输和共享,而NCS则强调在通信网络上建立闭环控制回路,从这一点上看,NCS中的网络是一个广义的范畴,包括了FCS,但不局限于FCS,还可以包括工业以太网、无线通信网络、甚至Internet,这也是与网络技术的发展相适应的。“NetworkedControlSystems”最早于1998年出现在马里兰大学G.C.Walsh的论著中,但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构,指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控制系统”;重庆大学的张结斌等用了“分布式网络控制系统”这样的术语。清华大学的顾洪军给出了明确的定义[4]:定义1网络控制系统(NCS,NetworkedControlsystems),又称为网络化的控制系统,即在网络环境下实现的控制系统。是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合,用以提供设备之间的数据传输,使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统包括狭义的在内,而且还包括通过企业信息网络以及Internet实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制等。这里的“网络化”一方面体现在由于控制网络的引入,现场设备控制进一步趋向于分布化、扁平化和网络化,其拓扑结构参照计算机局域网,包含星型、总线型和环型等几种形式;另一方面体现在现场控制与上层管理相联系,将孤立的自动化孤岛连接起来形成网络结构(如图3)。其中,由于企业资源计划(ERP)在维持和增强企业竞争力方面的重要作用,它已成为工厂自动化系统中不可缺少的组成部分,它能提供灵活的制造解决方案,使系统对消费者的需求能够作出快速反应。从以上可以看出,控制技术和控制系统应该与企业的商业战略相联系,不仅需要将控制系统的各部分集成到一起,而且需要将控制系统(硬件和软件)集成到整个企业系统之中。企业的这种组织管理模式客观上便要求信息网络与控制网络的一体化(如图4),二者的分离必将会阻碍信息的上行下达,降低企业的生产管理效率。将控制网络融入企业信息网络,可以实现:集中管理、高层监控和企业的综合自动化,为进一步连入更大的网络系统,如Intranet、WAN、Internet等打下基础,从而实现远程监控、远程诊断和远程维护。而网络控制系统正是在这种背景下应运而生的。2.NCS的研究内容及研究现状网络控制系统一般有两种理解,一种是对网络的控制(ControlofNetwork);另一种是通过网络传输信息的控制系统(ControlthroughNet-work)[5]。这两种系统都离不开控制和网络,但侧重点不同。前者是指对网络路由、网络数据流量等的调度与控制,是对网络自身的控制,可以利用运筹学和控制理论的方法来实现[6,7];后者是指控制系统的各节点(传感器、控制器、执行器等)之间的数据不是传统的点对点式的,而是通过网络来传输的,是一种分布式控制系统,可通过建立其数学模型用控制理论的方法进行研究。将计算机网络系统应用于控制系统中代替传统的点对点(PointtoPoint)式的连线,具有简单、快捷、连线减少、可靠性提高、容易实现信息共享、易于维护和扩展、降低费用等优点[8]。正因为如此,近几年来以现场总线为代表的网络控制系统得到了前所未有的快速发展和广泛应用。但控制网络在具备多重优点的同时,也具有很明显的缺点和急待解决的问题[2,9~12]:①种通信协议没有统一;②和广泛采用的TCP/IP协议不兼容,其间需复杂的转换;③端对端(EndtoEnd)的通信延迟;④网络的拥塞现象、误码和丢包问题。自从“NetworkedControlSystems”被提出,并被作为一个系统研究以来已经取得了一定的成果。网络控制系统作为控制和网络的交叉学科涉及内容相当广泛,总体来说可以从网络角度和控制角度进行研究.下面将从控制的角度出发,综述NCS的研究内容和现状。2.1NCS的建模与控制器设计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,其中有一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5所示。图5中,τsc1…τscR为传感器到控制器的传输延迟,τca1…τcaM为控制器到执行器的传输延迟。由于NCS中传输延迟的存在不但会降低系统的控制性能,而且还是引起系统不稳定的一个潜在因素,因此,设计控制器时如果没有考虑信息的传输延迟,则将按无延迟情况设计出的控制器用于实际的网络控制系统中,将使系统的性能大打折扣,甚至引起系统的不稳定。一般可认为,当时间延迟远小于采样周期时,时延的影响可以忽略不计;但当时间延迟相对于采样周期而言不能忽略时,设计闭环网络控制系统的控制器就必须考虑信息的传输延迟。时延可能是固定的、有界的甚至是随机的,这取决于所采用的网络协议和所选用的硬件,以及网络的负载情况等。由于传输延迟的这种特殊性,使得网络控制系统的分析与综合变得异常复杂。尤其是随机时变性导致网络控制系统为一时变的分布式不确定系统,而对于这类系统,目前尚无有效的方法对其进行分析与设计。怎样在不确定性延时存在的情况下设计出满足要求的网络控制器,是一个富有挑战性的课题。目前NCS中控制理论的研究大大落后于网络控制系统实际应用。网络控制系统的出现发展推广应用给控制理论提出了严峻的挑战,针对控制理论的研究首次表现出滞后于控制系统应用的现状,网络控制理论的研究刻不容缓[13]下面是从控制系统的角度对NCS进行研究,分析和建立网络控制系统模型,设计控制算法,以满足和提高网络控制系统的性能。2.1.1NCS的数学模型如图6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。图6中,τsc表示传感器到控制器的传输延迟,τca表示控制器到执行器的传输延迟,τc为控制量的计算时间,可将其归并入τca。节点的工作方式可以分为时间驱动(Time-Driven)和事件驱动(Event-Driven)[14]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,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,因此叫事件驱动的工作方式。设NCS中被控对象的连续状态方程为x(t)=Ax(t)+Bu(t-τ)y(t)=Cx(t)(1)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。为了对NCS进行建模,首先对系统作如下假设(以下的分析将每次取其中的几条假设来建模):(1)传感器节点采用时间驱动方式,对被控对象的输出进行等周期采样,采样周期为h;(2)控制器节点采用时间驱动方式而执行器节点采用事件驱动方式;(3)控制器和执行器节点均采用事件驱动方式,即信息的到达时间即为相应节点的动作时间;(4)整个控制回路总的时间延迟0τk=τsck+τck+τcakh,且τk为固定的或随机的;(5)整个控制回路总的时间延迟0τk=τsck+τck+τcakmh,m1,且τk为固定或随机的。基于假设(1)、(2)、(4)的NCS的各节点时序如图7所示。由此假设可得其离散时间模型为x(k+1)=Φx(k)+Γu(k-τk)(2)其中Φ=eAh,Γ=10eAhdt·B基于假设(1)、(3)、(4)的NCS的各节点时序如图8所示。由此假设可得其离散时间模型为x(k+1)=Φx(k)+Γ0u(k)+Γ1u(k-1)(3)y(k)=Cx(k)(4)u(k)=-L(τk)·x(k)(5)其中Φ=eAh,Γ0(τk)=0kleAtdt·B,Γ1(τk)=klleAtdt·B对于以上离散时间模型:①当τk为固定值时,即网络时延固定时,状态反馈矩阵L(τk)可以通过设计合适的控制策略如极点配置或最优化方法得到;②当τk为随机值时,即在每个采样周期,τk是变化的时,除非预先知道τk的值,否则L(τk)将无法得到。在由现场总线组成的控制网络中,可以通过时钟同步和在数据信息中加盖时间戳的方法得到τsck。而在一般情况下可以认为τck为固定值。但由于在控制器得到来自传感器的信息并进行控制输出的计算时,τcak预先未知,因为τcak是在控制量通过网络传输到执行器端后才可能得到的。基于假设(1)、(3)、(5)的NCS的各节点时序如图9所示。对于假设(5),如果0τkmh;m1,则可能出现k时刻发出的信息比k+1时刻发出的后到的情况,有两种方法处理此问题:方法一是在发送端和接收端设置缓冲区,严格按时间先后顺序对数据进行排列,以保证其先后顺序;方法二是对于先发送而后到的信息,由于不再进行控制量的计算,直接将其抛弃。这里的建模考虑了用第一种方法来处理此问题。在图9中,k-1时可执行器节点所用的控制信号为3kxu,k时刻所用的控制信号为2kxu,k+1时刻所用的控制信号也为2kxu,k+2时刻所用的控制信号为kxu……这里控制器采用事件驱动方式,即x(k)(k=0,1,2,…)一到控制器节点,控制器立即计算出控制量u,这里用kxu表示这个控制量是由x(k)计算得到的。k时刻的网络延时k定义为:假定k时刻控制器端的控制量为kpxu,则k=P,且maxk=n,则可得NCS离散时间模型为x(k+1)=Φx(k)+β0Γkxu+β1Γ1kxu+…+βnΓknxu(6)其中Φ=eAh,Γ=0leAtdt·B,β0,β1,…,βn∈{0,1},且0niiB=1也就是说,在采样时刻k,执行器端的控制量为kxu,1kxu,…,knxu中的一个。以上从控制角度分析了NCS常见的建模形式。可以看出,由于网络延时的存在,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