网络化控制系统的研究综述
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
*
[ 1]
收稿日期 : 2006- 06- 27 作者简介 : 付贤政 ( 1977- ) , 男 , 安徽金寨人 , 安徽国防科技职业学院教师 , 安徽大学电子科学与技术学院在读硕士 。 胡良兵 ( 1978- ) , 男 , 安徽舒城人 , 合肥工业大学电气与自动化工程学院硕士研究生 。
88Leabharlann 付贤政 , 胡良兵 : 网络化控制系统的研究综述
[ 4] [ 3] [ 1]
和 1994年
[ 5]
提出的基于确定性预测延时的补偿方法, 该方法利用一个观测器来估计被控对象的
状态, 并基于过去输出的量测值来预估控制量 , 这些控制量和过去输出的量测值存储在一个 F IFO 的队 列和一个移位寄存器上, 由于观测器和预估器的性能高度依赖模型精度 , 所以设备模型要求必须非常精 确。 1995年
STD - 1553B 航空总线以及 F IP等 , 此类网络的控制信号和传感信号等以确定性的方式按一定的逻辑调 度顺序获得网络的使用权 , 因此网络中传感器和控制器之间、 控制器与执行器之间的延迟是恒定的。但 在实际应用中也会出现一些特殊的情况, 例如控制器和远程系统之间会出现时钟不同步的现象而引起 网络迟延的变化。 随机访问式服务网络有 CAN, E thernet等 , 这类网络由于采用公平竞争及随机访问的介质访问方 式 , 排队以及数据冲突等因素会导致链路延迟发生变化 , 引起随机时变延迟 , 不同的网络传输路径引起 的传输时间差异 , 轮询式服务网络和随机访问式网络的异构连接等可能造成随机性的网络延迟问题。 针对这类网络延迟, 不少的文章中提出了延迟建模的方法, 例如 Po isson process, M arkov chain, F luid flow m ode,l ARAM 模型等 , 这些技术已被引入到网络化控制系统的研究中 , 但在实际问题分析中对于特定的 网络和应用 , 通常需要修改和重新建模。 从控制的角度看 , 网络控制系统中的时延将使系统相位滞后, 大大降低控制系统的性能, 例如使系 统的上升时间增大、 超调量增大、 稳定时间变长等, 甚至导致系统不稳定 , 即使系统仍然保持稳定 , 稳定 区域也会显著减小。从调度的角度来看, 时延将使信息不能准时到达, 丢失截止期甚至会产生多米诺效 应。因此, 在系统设计时不考虑这些因素 , 就达不到期望的控制要求。 4 网络化控制系统的控制方法 针对网络时延问题和控制性能的要求 , 许多研究者提出了各种控制方法 , 减小时延的影响或对时延 进行补偿, 使控制系统仍能保持稳定或满足一定的期望指标。下面着重讨论近年来网络化控制系统研 究中的一些控制方法。 4 . 1 增广确定离散时间模型法 1988年 H alev i和 Ray 提出了一种对周期延时网络的增广确定离散时间模型方法用于控制线性被 控对象 , 模型简单直接。 在 1990 年 , L iou 和 Ray 把该方法修改为可处理传感器和控制器采样速率不一 致的情况。 这种方法的主要思想是联合线性被控对象模型和线性控制器的动态方程得到增广的状态 空间方程。这个方程包括了设备的历史输入和输出值以及当前控制器和设备的状态向量, 最终建立一 个有限维的时变离散状态模型来分析系统的稳定性和性能。该方法中也同时考虑了采样拒绝 (采样时 间大于延迟时间 ) 和空采样 ( 即采样时间小于延迟时间 )的情况。 4 . 2 缓冲队列方法 这种方法是通过缓冲器队列把 NCS 中的随机网络延时转换成时不变的确定性延时, 然后利用 NCS 的确定性或可能性信息对系统进行控制算法设计。最早利用这种方法的是 Luck 和 Ray, 分别在 1990 年
7模糊逻辑调节方法2001年almutairi等提出对线性被控对象用pi调节器进行网络延时补偿的模糊逻辑调节方法该方法中pi调节器的增益由控制器的输出与对应的由网络延时引起的系统输出的差通过外部调节这样pi控制器在网络环境中不需要重新设计修改或受干扰用该方法对一个直流电机调速系统进行了设计与传统的pid控制相比较在参数不确定的情况下表现出了更好的鲁棒性
限, 大多工作在监控模式下 , 在随后出现的直接数字控制 ( DDC) 系统中, 计算机成为控制回路的一部分。 如图 1 所示的 DDC 系统中, 过程控制的模拟仪表被一台计算机取代, 带模拟量输出的传感器和带模拟量 输入的执行器与计算机之间采用点对点连接。过程信号的传感、 计算与执行都在计算机控制下进行。 随着计算机技术的快速发展和控制系统规模的 增大, 越来越需要计算能力的分布化。 H oneyw e ll公 司在 1975 年开发出 第一个分布式控制系统 ( DCS) TDC2000 。在如图 2 所 示的 DCS 系统中 , 几台控制 计算机作为过程工作站用来控制工 业过程, 操作员 站和各种辅助工作站用来监视和保存过程数据以及 进行过程优化。传感器和执行器直接连接到控制计 算机上 , 只有开关 信号、 监视信息、 警报信息等通过 串行网络传输。
A Survey of N etw orked Control Syste ms
FU X ian- zheng , HU L iang- bing
[ Ab stract]
1 2
( 1. A nhu iN ational D efence V ocationa l Co llege , Luan 237011, Ch ina ; 2 . H e fe iU niversity of T echnology , H efe i 230009 , Ch ina)
第十一卷 第三期 安徽电气工程职业技术学院学报 V o. l 11, N o. 3 JOURN AL O F ANHU I ELECTR I CAL ENG I N EER I NG PRO FESS I ONAL TECHN I QU E COLLEG E
2006 年 9月 Sep tem ber 2006
sc
, 控制器到执行器的延迟
ca
以及控制器的计算处理延迟 89
安徽电气工程职业技术学院学报
第十一卷
第三期
c
。 网络化控制系统的延时
是上述三个延迟的总和。延迟特性根据系统所使用的网络类型的不同, 有
不同的分析方法。 目前网络从数据链路层的数据传输服务方式上可 分为轮询式服务网络 ( cyclic serv ice netw ork) 和随机访 [ 2] 问式服务网络 ( random access netw o rk) 。 轮询式服务 网络, 例如 IEEE802 . 4 , SAE 令牌总线 网络, PROF IBUS , IEEE802 . 5 , SAE 令牌环 网络, M IL 图 4 网络化控制系统时延分布
[ Key word s] 1 引言
netw orked contro l system; control m ethodo logy ; delay analysis
随着计算机控制技术的快速发展 , 控制系统的应用领域越来越广泛 , 控制对象日益复杂, 控制系统 朝着更加分散化、 智能化的方向发展。复杂控制系统通常被分解成若干个分布式的单一功能子系统 , 系 统操作灵活 , 设计简单 , 方便安装与维护。与此同时 , 网络技术越来越成熟, 使得用户可以进行远程的数 据传输及交互操作, 并且其成本、 布线复杂性、 维护难度等大大降低。由于网络技术的优点 , 大量的研究 及应用开始集中在将数据网络用于远程的工业控制及工业自动化领域中。 将网络集成到控制系统中 取代传统的计算机控制系统中点对点的连接具有很多优点, 但是, 在反馈控制回路中加入通信网络的同 时 , 也增加了控制系统分析和设计的复杂性。因此 , 网络化控制系统必须解决的主要问题之一 , 就是在 网络带宽有限的情况下如何保证控制系统的实时性和稳定性。网络化控制系统近年来逐渐成为控制领 域一个研究热点 , 大量的科技文献都从不同的角度对其进行了研究和讨论。本文主要介绍了网络化控 制系统的定义、 发展和典型结构 , 着重综述了目前网络化控制系统的控制方法, 最后对网络化控制系统 的未来发展进行了展望。 2 网络控制系统的定义与发展 所谓网络化控制系统 , 是指在串行网络上实现控制回路的系统, 即控制系统中的控制器、 传感器和 执行器等元件通过串行网络来交换控制及传感等信号。 始于 20 世纪 50 年代的计算机控制系统, 因其体积大、 功耗高、 可靠性差, 使之在控制系统的应用很有
图 3 网络化控制系统
3 网络控制系统的特性 网络化控制系统相对于传统的点对点控制方式具有很大的优势和长处 , 但网络本身的特性也给网 络化控制系统带来了新的问题。首先 , 控制系统中不同的组件对有限的网络资源 ( 例如网络带宽等 ) 的 争用就是影响网络化控制系统信号延迟和扭曲的主要原因 , 大量的文章说明网络延迟一直是影响网络 化控制系统环路性能和稳定性的主要因素。 我们通过简单的单回路网络化控制系统来分析网络延迟问题。如图 4 所示, 系统中有三种基本的 延迟, 即传感器与控制器之间的网络延迟
图 1 直接数字控制系统
图 2 分布式控制系统
到了 20 世纪 90 年代, 微处理器的发展对计算机在控制系统中的应用产生了深刻影响。随着 AS I C 芯片设计技术的发展和硅片价格下降 , 传感器和执行器可以带有网络接口, 并成为实时控制网络中的独 立节点 , 这导致了 NCS 的出现。在如图 3所示的 NCS 中, 所有的控制器、 传感器、 执行器共享同一串行 网络。近 20 年来 , 控制网络获得迅速发展 , 目前应用于控制领域中的网络化控制系统有现场总线控制 系统 ( fieldbus contro l system ) 、 工业以太网 ( industrial E thernet) 控制系统以及无线网控制系统 ( w ire less NCS) 等。特别是作为其主流的现场总线技术已形成了一系列国际标准, 比较有影响的有 CAN, F IP, FF, PROF IBUS 等。
[ 6]
Chan 和 O aguner提出了另一种缓冲队列方法用于控制随机延时网络的 NCS , 称为基于概
率的预估器延时补偿方法 , 利用在队列中包序号中的概率信息来改进状态预测。这种方法需要知道所 有的状态信息, 如果所有状态信息不可获得的话, 就需要使用一个观测器。有了这些预测状态 , 控制律 就可以使用各种控制算法来进行。尽管如此, 这个排队方法本身并不是一个真正意义上的控制算法 , 更 像是一个预测状态变量的方法。文献 [ 7]在此基础之上将滑模变构控制和预估控制的方法引入控制器 90
网络化控制系统的研究综述
付贤政 , 胡良兵
1
* 2
( 1. 安徽国防科技职业学院, 安徽 六安 237011; 2. 合肥工业大学, 安徽 合肥 230009)
[摘 要 ] 通过实时数据通信网络形成闭环回路的控制系统称为网络化控制系统 ( NCS) 。文章系统 地阐述了网络化控制系统的产生和发展 , 分析了网络化控制系统的特性。 通过对当前的研 究现状分析着重介绍了网络控制系统的控制方法 , 最后对网络化控制系统的未来发展作了 展望 。 [ 关键词 ] 网络化控制系统; 控制方法; 时延分析 TP273. 5 [文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1672- 9706( 2006) 03- 0088- 05 [ 中图分类号 ]
Contro l syste m in the contro l loops closed through the real- t i m e data comm un ic ation netw orked is ca lled netw o rked contro l system ( NCS) . In the paper , the appearance and deve lo p m ent o f NCS are introduced firs. t Netw orked contro l system characteristic is deta ile dly ana lyzed. T hen th e control a lg orithm s of NCS are em phasized through research actu ality analysis . A t last the fu tu re deve lo p m ents o f NCS are prospected.
[ 1]
收稿日期 : 2006- 06- 27 作者简介 : 付贤政 ( 1977- ) , 男 , 安徽金寨人 , 安徽国防科技职业学院教师 , 安徽大学电子科学与技术学院在读硕士 。 胡良兵 ( 1978- ) , 男 , 安徽舒城人 , 合肥工业大学电气与自动化工程学院硕士研究生 。
88Leabharlann 付贤政 , 胡良兵 : 网络化控制系统的研究综述
[ 4] [ 3] [ 1]
和 1994年
[ 5]
提出的基于确定性预测延时的补偿方法, 该方法利用一个观测器来估计被控对象的
状态, 并基于过去输出的量测值来预估控制量 , 这些控制量和过去输出的量测值存储在一个 F IFO 的队 列和一个移位寄存器上, 由于观测器和预估器的性能高度依赖模型精度 , 所以设备模型要求必须非常精 确。 1995年
STD - 1553B 航空总线以及 F IP等 , 此类网络的控制信号和传感信号等以确定性的方式按一定的逻辑调 度顺序获得网络的使用权 , 因此网络中传感器和控制器之间、 控制器与执行器之间的延迟是恒定的。但 在实际应用中也会出现一些特殊的情况, 例如控制器和远程系统之间会出现时钟不同步的现象而引起 网络迟延的变化。 随机访问式服务网络有 CAN, E thernet等 , 这类网络由于采用公平竞争及随机访问的介质访问方 式 , 排队以及数据冲突等因素会导致链路延迟发生变化 , 引起随机时变延迟 , 不同的网络传输路径引起 的传输时间差异 , 轮询式服务网络和随机访问式网络的异构连接等可能造成随机性的网络延迟问题。 针对这类网络延迟, 不少的文章中提出了延迟建模的方法, 例如 Po isson process, M arkov chain, F luid flow m ode,l ARAM 模型等 , 这些技术已被引入到网络化控制系统的研究中 , 但在实际问题分析中对于特定的 网络和应用 , 通常需要修改和重新建模。 从控制的角度看 , 网络控制系统中的时延将使系统相位滞后, 大大降低控制系统的性能, 例如使系 统的上升时间增大、 超调量增大、 稳定时间变长等, 甚至导致系统不稳定 , 即使系统仍然保持稳定 , 稳定 区域也会显著减小。从调度的角度来看, 时延将使信息不能准时到达, 丢失截止期甚至会产生多米诺效 应。因此, 在系统设计时不考虑这些因素 , 就达不到期望的控制要求。 4 网络化控制系统的控制方法 针对网络时延问题和控制性能的要求 , 许多研究者提出了各种控制方法 , 减小时延的影响或对时延 进行补偿, 使控制系统仍能保持稳定或满足一定的期望指标。下面着重讨论近年来网络化控制系统研 究中的一些控制方法。 4 . 1 增广确定离散时间模型法 1988年 H alev i和 Ray 提出了一种对周期延时网络的增广确定离散时间模型方法用于控制线性被 控对象 , 模型简单直接。 在 1990 年 , L iou 和 Ray 把该方法修改为可处理传感器和控制器采样速率不一 致的情况。 这种方法的主要思想是联合线性被控对象模型和线性控制器的动态方程得到增广的状态 空间方程。这个方程包括了设备的历史输入和输出值以及当前控制器和设备的状态向量, 最终建立一 个有限维的时变离散状态模型来分析系统的稳定性和性能。该方法中也同时考虑了采样拒绝 (采样时 间大于延迟时间 ) 和空采样 ( 即采样时间小于延迟时间 )的情况。 4 . 2 缓冲队列方法 这种方法是通过缓冲器队列把 NCS 中的随机网络延时转换成时不变的确定性延时, 然后利用 NCS 的确定性或可能性信息对系统进行控制算法设计。最早利用这种方法的是 Luck 和 Ray, 分别在 1990 年
7模糊逻辑调节方法2001年almutairi等提出对线性被控对象用pi调节器进行网络延时补偿的模糊逻辑调节方法该方法中pi调节器的增益由控制器的输出与对应的由网络延时引起的系统输出的差通过外部调节这样pi控制器在网络环境中不需要重新设计修改或受干扰用该方法对一个直流电机调速系统进行了设计与传统的pid控制相比较在参数不确定的情况下表现出了更好的鲁棒性
限, 大多工作在监控模式下 , 在随后出现的直接数字控制 ( DDC) 系统中, 计算机成为控制回路的一部分。 如图 1 所示的 DDC 系统中, 过程控制的模拟仪表被一台计算机取代, 带模拟量输出的传感器和带模拟量 输入的执行器与计算机之间采用点对点连接。过程信号的传感、 计算与执行都在计算机控制下进行。 随着计算机技术的快速发展和控制系统规模的 增大, 越来越需要计算能力的分布化。 H oneyw e ll公 司在 1975 年开发出 第一个分布式控制系统 ( DCS) TDC2000 。在如图 2 所 示的 DCS 系统中 , 几台控制 计算机作为过程工作站用来控制工 业过程, 操作员 站和各种辅助工作站用来监视和保存过程数据以及 进行过程优化。传感器和执行器直接连接到控制计 算机上 , 只有开关 信号、 监视信息、 警报信息等通过 串行网络传输。
A Survey of N etw orked Control Syste ms
FU X ian- zheng , HU L iang- bing
[ Ab stract]
1 2
( 1. A nhu iN ational D efence V ocationa l Co llege , Luan 237011, Ch ina ; 2 . H e fe iU niversity of T echnology , H efe i 230009 , Ch ina)
第十一卷 第三期 安徽电气工程职业技术学院学报 V o. l 11, N o. 3 JOURN AL O F ANHU I ELECTR I CAL ENG I N EER I NG PRO FESS I ONAL TECHN I QU E COLLEG E
2006 年 9月 Sep tem ber 2006
sc
, 控制器到执行器的延迟
ca
以及控制器的计算处理延迟 89
安徽电气工程职业技术学院学报
第十一卷
第三期
c
。 网络化控制系统的延时
是上述三个延迟的总和。延迟特性根据系统所使用的网络类型的不同, 有
不同的分析方法。 目前网络从数据链路层的数据传输服务方式上可 分为轮询式服务网络 ( cyclic serv ice netw ork) 和随机访 [ 2] 问式服务网络 ( random access netw o rk) 。 轮询式服务 网络, 例如 IEEE802 . 4 , SAE 令牌总线 网络, PROF IBUS , IEEE802 . 5 , SAE 令牌环 网络, M IL 图 4 网络化控制系统时延分布
[ Key word s] 1 引言
netw orked contro l system; control m ethodo logy ; delay analysis
随着计算机控制技术的快速发展 , 控制系统的应用领域越来越广泛 , 控制对象日益复杂, 控制系统 朝着更加分散化、 智能化的方向发展。复杂控制系统通常被分解成若干个分布式的单一功能子系统 , 系 统操作灵活 , 设计简单 , 方便安装与维护。与此同时 , 网络技术越来越成熟, 使得用户可以进行远程的数 据传输及交互操作, 并且其成本、 布线复杂性、 维护难度等大大降低。由于网络技术的优点 , 大量的研究 及应用开始集中在将数据网络用于远程的工业控制及工业自动化领域中。 将网络集成到控制系统中 取代传统的计算机控制系统中点对点的连接具有很多优点, 但是, 在反馈控制回路中加入通信网络的同 时 , 也增加了控制系统分析和设计的复杂性。因此 , 网络化控制系统必须解决的主要问题之一 , 就是在 网络带宽有限的情况下如何保证控制系统的实时性和稳定性。网络化控制系统近年来逐渐成为控制领 域一个研究热点 , 大量的科技文献都从不同的角度对其进行了研究和讨论。本文主要介绍了网络化控 制系统的定义、 发展和典型结构 , 着重综述了目前网络化控制系统的控制方法, 最后对网络化控制系统 的未来发展进行了展望。 2 网络控制系统的定义与发展 所谓网络化控制系统 , 是指在串行网络上实现控制回路的系统, 即控制系统中的控制器、 传感器和 执行器等元件通过串行网络来交换控制及传感等信号。 始于 20 世纪 50 年代的计算机控制系统, 因其体积大、 功耗高、 可靠性差, 使之在控制系统的应用很有
图 3 网络化控制系统
3 网络控制系统的特性 网络化控制系统相对于传统的点对点控制方式具有很大的优势和长处 , 但网络本身的特性也给网 络化控制系统带来了新的问题。首先 , 控制系统中不同的组件对有限的网络资源 ( 例如网络带宽等 ) 的 争用就是影响网络化控制系统信号延迟和扭曲的主要原因 , 大量的文章说明网络延迟一直是影响网络 化控制系统环路性能和稳定性的主要因素。 我们通过简单的单回路网络化控制系统来分析网络延迟问题。如图 4 所示, 系统中有三种基本的 延迟, 即传感器与控制器之间的网络延迟
图 1 直接数字控制系统
图 2 分布式控制系统
到了 20 世纪 90 年代, 微处理器的发展对计算机在控制系统中的应用产生了深刻影响。随着 AS I C 芯片设计技术的发展和硅片价格下降 , 传感器和执行器可以带有网络接口, 并成为实时控制网络中的独 立节点 , 这导致了 NCS 的出现。在如图 3所示的 NCS 中, 所有的控制器、 传感器、 执行器共享同一串行 网络。近 20 年来 , 控制网络获得迅速发展 , 目前应用于控制领域中的网络化控制系统有现场总线控制 系统 ( fieldbus contro l system ) 、 工业以太网 ( industrial E thernet) 控制系统以及无线网控制系统 ( w ire less NCS) 等。特别是作为其主流的现场总线技术已形成了一系列国际标准, 比较有影响的有 CAN, F IP, FF, PROF IBUS 等。
[ 6]
Chan 和 O aguner提出了另一种缓冲队列方法用于控制随机延时网络的 NCS , 称为基于概
率的预估器延时补偿方法 , 利用在队列中包序号中的概率信息来改进状态预测。这种方法需要知道所 有的状态信息, 如果所有状态信息不可获得的话, 就需要使用一个观测器。有了这些预测状态 , 控制律 就可以使用各种控制算法来进行。尽管如此, 这个排队方法本身并不是一个真正意义上的控制算法 , 更 像是一个预测状态变量的方法。文献 [ 7]在此基础之上将滑模变构控制和预估控制的方法引入控制器 90
网络化控制系统的研究综述
付贤政 , 胡良兵
1
* 2
( 1. 安徽国防科技职业学院, 安徽 六安 237011; 2. 合肥工业大学, 安徽 合肥 230009)
[摘 要 ] 通过实时数据通信网络形成闭环回路的控制系统称为网络化控制系统 ( NCS) 。文章系统 地阐述了网络化控制系统的产生和发展 , 分析了网络化控制系统的特性。 通过对当前的研 究现状分析着重介绍了网络控制系统的控制方法 , 最后对网络化控制系统的未来发展作了 展望 。 [ 关键词 ] 网络化控制系统; 控制方法; 时延分析 TP273. 5 [文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1672- 9706( 2006) 03- 0088- 05 [ 中图分类号 ]
Contro l syste m in the contro l loops closed through the real- t i m e data comm un ic ation netw orked is ca lled netw o rked contro l system ( NCS) . In the paper , the appearance and deve lo p m ent o f NCS are introduced firs. t Netw orked contro l system characteristic is deta ile dly ana lyzed. T hen th e control a lg orithm s of NCS are em phasized through research actu ality analysis . A t last the fu tu re deve lo p m ents o f NCS are prospected.