网络控制系统概述

网络控制系统（NCS）大连理工大学概述绪论第一节网络控制系统的概念第二节网络控制系统的基本问题第三节网络控制系统研究的问题、方法与现状概述通信与控制系统ICCS（IntegratedCommunicationandControlSystems），又称网络控制系统NCS(Net-workedControlSystems)是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，是指某个区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。现代社会，网络无处不在，它充满了社会的各个领域，如管理决策、资源共享、自动化制造工厂、电广、机器人、高级的航天航空器和电气化运输工具等许多高科技领域和大型企业。NCS的概念自从20世纪90年代初被提出，就立刻引起了人们的关注，同时对传统的控制系统理论和应用提出了新的挑战。绪论一、网络控制系统按照结构分类集中控制系统分散控制系统分布式控制系统（集散控制系统）二、分布式控制系统的产生一、网络控制系统按照结构分类1、集中控制系统（CentralizedControlSystem，CCS）2、分散控制系统（DecentralizedControlSystem，DCS）3、分布式控制系统（DistributedControlSystem，DCS）（集散控制系统）1、集中控制系统控制计算机基本控制过程1基本控制过程2基本控制过程3基本控制过程4基本控制过程5集中控制系统的概念单机系统，用一台计算机对多个对象或设备进行集中管理和集中控制，有时称为“群控”。2、分散控制系统多机系统，多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互联的关系。从整个系统来说，在功能上、逻辑关系上、物理上以及地理位置上都是分散的。以计算机网络为组成核心的控制系统都是分散式系统。自动控制在机械加工中的应用3、分布式控制系统将微处理器作为核心的集中分散控制系统。、利用控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和阴极射线管（CRT）显示技术——4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，TDCS）。主要特点：集中管理、分散控制。分布控制系统典型结构比较分散控制系统和分布控制系统结构相似：分层、子系统、联系不同：（1）采用的技术不同；（2）各子系统有密切联系和信息交换，系统对各子系统的总体目标和任务进行协调和分配。分布控制系统也是多机系统，严格地说是分散控制系统的一种。1.30年代初期：分散控制方式直接作用式气动控制器；控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器；运行人员分布在全厂各处；适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业。二、分布式控制系统的产生控制系统的发展史2.30年代末期：集中控制中央控制室，信息远距离传输问题；变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室；优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制；注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大——运行管理的集中，仍然分散控制；采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表。控制系统的发展史控制系统的发展史控制系统的发展史3.50年代末60年代初：集中控制方式计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中。特点：控制集中、管理集中缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。集中控制系统控制计算机基本控制过程1基本控制过程2基本控制过程3基本控制过程4基本控制过程54.70年代:分布控制方式分析集中控制的失败，提出了分布式控制系统的概念；把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调特点：控制分散、管理集中控制系统的发展史分布式控制系统以微处理器作为核心的集中分散控制系统，利用4C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。又称集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，TDCS）。主要特点：集中管理、分散控制。总结：控制系统的发展历史(循环)1.30年代初期：分散控制→(控制分散、管理分散)2.30年代末期：集中控制→(控制分散、管理集中)3.50年代末60年代初：集中控制→(控制集中、控制集中)4.70年代:分布控制(控制分散、管理集中)第一节网络控制系统的概念一、网络控制系统的发展历史四个历史阶段（四代）二、网络控制系统的基本结构三大块三、开放系统第三代的主要特点网络控制系统产生的原因模拟仪表难以胜任生产规模的不断扩大；仪表技术应适应工业技术发展的要求；计算机集中控制的风险太大；系统上下及子系统之间的通信联系要求越来越高。一、网络控制系统的发展（四个历史阶段）1.第一阶段（初创期）（1975—1980年）DCS的雏形，三大组成部分：过程控制装置操作管理装置数据通信系统基本特点：集中管理、分散控制；融入4C技术，数据通信系统为初级局域网。分布控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔（Honeywell）公司推出第一代典型产品（公司）：Honeywell公司的TDC2000Foxboro公司的SPECTRUM横河公司的CENTEM西门子(Siemens)公司的TELEPERMM2.第二阶段（成熟期）（1980—1985年）系统硬件和软件技术不断更新，系统功能扩大或增强；数据通信系统：总线网或环网；局域网；通信系统各自为政、不同厂家通信困难——“自动化孤岛”。第二代典型产品（公司）：Honeywell公司的TDC3000西屋公司的WDPFABB公司的MASTER3.第三阶段（扩展期）（1985年以后）主要特征：开放系统局域网：10兆宽带、5兆载带通信标准符合国际标准组织的ISO的OSI（OpenSystemInterconnect）开放系统互连的参考模型；不同制造厂家的产品可以进行数据通信，克服了“自动化孤岛”等困难；系统的软件和控制功能也有所增强。美国Foxboro公司在1987年推出的I/AS系统标志着集散控制系统进入了第三代其他代表产品:Honeywell公司的带有UCD网的TDC3000横河公司带有SV-NET网的CENTUM-XL4.第四阶段（网络开放期）（1990年以后）管控一体化硬件：开放式的工作站，RISC(ReducedInstructionSetComputing精简指令集)代替CISC（复杂指令集），客户机/服务器的结构；开放性、可操作性、互相联系、共享资源及运行第三方软件等已成为各制造厂家生产分布式控制系统的标准；在软件上则采用UNIX系统和X-Windows的图形界面，系统的软件更丰富;计算机集成制造(CIMS)系统得到了应用。第四代代表产品：Honeywell公司的TPS控制系统横河公司的CENTUM-CSFoxboro公司的I/AS50/51控制系统ABB公司Advant系列OCS开放控制系统计算机集成制造系统组成框图二、网络控制系统的基本问题2.1通信媒体类型及通信协议Internet通信协议无线局域网传感器网络工业以太网现场总线按网络类型和媒体访问控制方式划分：随机访问网络CSMA协议(载波监听多路访问)CSMA/CD协议(带有冲突检测的载波监听多路访问)CSMA/AMP协议(带有信息优先级仲裁的载波监听多路访问)轮换服务访问网络令牌总线（IEEE802.4标准）令牌环网（IEEE802.5标准）采用不同通信协议的通信网络有着不同的通信特征，网络控制系统也会具有不同的特性，如时延特性、节点驱动方式等。这些特性会影响整个控制系统性能。传感器节点执行器节点2.2节点驱动方式节点驱动控制器节点驱动方式时钟驱动（网络节点在特定的时间启动工作）事件驱动（网络节点在特定的事件启动工作）优点：实时性强缺点：设备多，易出现网络诱导时延、空采样、数据丢包等现象优点：减少等待时间，避免了空采样、数据丢包等现象缺点：事件驱动不易实现2.3节点时钟同步方式当传感器时钟驱动，控制器或执行器也为时钟驱动时，则时钟驱动的节点间必须同步。同步方式硬件同步（一般是通过实际介质传递同步时钟信号）软件同步（一般是通过网络广播具有高优先级的同步时钟信号）优点：实时性强缺点：造价高优点：易实现缺点：编程复杂2.4多采样率多采样率：是指控制系统中两个或两个以上的采样器以不同的采样周期进行采样。原因：由于网络控制系统具有节点分散化、控制回路复杂化和功能多样化的特点，多个传感器采用相同的采样周期进行采样，已不能满足系统功能的需求。多采样率多采样率2.5网络诱导时延网络诱导时延：在网络控制系统中，多个网络节点共享网络信道。由于网络带宽有限且网络中的数据流量变化不规则，当多个节点通过网络交换数据时常常出现数据碰撞，多路径传输、连接中断、网络拥塞等现象。特点：随机的，有界的，不确定的。2.6单包传输和多包传输单包传输：是在网络控制系统中，传感器或控制器等待传输的单位信息被封装成一个数据包进行传输。多包传输：是在网络控制系统中，传感器或控制器等待传输的单位信息被封装成多个数据包进行传输。特点：采用单包传输或多包传输，取决于网络节点的各个传感器所处的地理距离或控制网络中传输的数据包容量。数据单包传输1001…1001…1001…数据多包传输2.7数据包丢失数据包丢失的情况过载：网络带宽有限，负载较大，数据碰撞，网络拥塞和节点失败主动丢弃：实时控制系统中，往往是将一定时间未到的数据包主动丢弃掉，保证信号有效性。数据包丢失数据包丢失2.8网络调度网络调度：是在网络控制系统中，系统节点在共享网络中发送数据出现碰撞时，规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔。目的：尽量避免网络中信息冲突和拥塞现象的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失，提高网络控制性能。调度方法静态调度（离线调度）动态调度（实时调度）协议，算法等2.9网络拥塞网络拥塞：当网络中存在过多的数据包时，超负荷工作的网络性能就会急剧下降，这种现象称为拥塞。后果：数据包丢失率增加，端到端的数据传输时延增大，严重可使整个系统瘫痪。原因：提供给通信网络的数据负载超过网络资源的容量和处理能力。目标：就是控制网络中的分组，使其维持在一定的水平。2.10网络性能指标和服务质量1、时延。时延表示网络中两个节点间传输一位数据所需要的时间。计算机在网络中所处的位置不同，时延将有所不同。2、吞吐量。吞吐量是网络容量的度量单位，指单位时间内有多少位数据进入网络，用b/s表示3、网络服务质量。是衡量网络所提供服务的“良好”程度的一种抽象概念。描述：吞吐量、差错率、端对端的时延、时延的可预测性和时延抖动等。三、网络控制系统研究的问题、方法与现实状框网络控制系统研究源于计算机网络技术提高多媒体信息传输和远程通信服务质量（QoS）为目标，实现的是通过网络对系统的控制（Controlthroughnetwork）.源于自动控制技术以满足系统稳定性及其他动态特性（QoP）为目标，实现网络对系统的控制。评价指标：网络吞吐量、数据传输率、误码率、时延可预测性、任务可调度性研究方案：网络QoS、网络拓扑结构、任务调度算法、网络路由、网络数据量、通信协议等评价指标：平稳性(超调量）、快速性（调节时间）研究方案：在现有的通信网络基础上控制性能，针对NCS的问题和特性，建立系统的连续、离散或高质量的模型混合，分析系统稳定的条件，设计控制器，保证系统的稳定性和高质量的控制性能。研究内容：控制网络体系结构，各种数据传输技术，针对NCS的建模、稳定性分析与控制系统设计，鲁棒控制技术，观测器的设计，网络诱导延时的补偿与控制，数据包丢失的分析