网络控制系统
网络化控制系统
网络化控制系统-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1网络化控制系统——理论、技术及工程应用（第一讲）第一章网络化控制系统概论网络化控制系统的产生与发展随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了重大的变革。
网络化控制系统（Networked Control System, NCS）应运而生，其主要标志就是在控制系统中引入了计算机网络，从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点专线的铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性（工程技术大系统：大型工业联合企业用嵌入式Internet技术,将以太网接口、TCP/IP协议等直接内嵌在现场设备中，从而产生了基于TCP/IP协议的网络化智能现场仪表（或称其为IP传感器/执行器）。
这种面向网络的IP传感器/执行器，将传感、信号处理、控制功能、以太网接口、TCP/IP协议、实时操作系统（Real-Time Operation System, RTOS）以及小型Web Server等软、硬件全部封装在一起，使现场设备成为名副其实的简约Web服务器，在Internet上通过IE浏览器就可以直接对其进行组态和维护管理。
8、组建对象模型/分布式组建对象模型/多媒体对象技术（COM/DCOM/ActiveX）、动态数据通信技术（Dynamic Data Exchange, DDE）、面向过程控制的对象连接与嵌入技术（OLE for Process Control, OPC），实时数据库技术、动态图形显示技术、Internet/Intranet技术、平台服务技术等直接推动网络化控制系统的相关软件技术得到进一步的丰富和扩展，功能逐渐增强；形成了诸多应用模块的应用软件系统。
另外由于控制网络与信息网络的集成技术发展，网络化控制系统的软件进一步层次化，出现了直接控制层软件、监督控制层软件和高层管理软件。
网络控制系统综述
１ 引言
网络控制系统（ ｔ ｒ ｅ ｏ ｔｏ Ｓ ｓ ｍｓＮＣ ） Ｎｅｗｏｋ ｄ Ｃ ｎｒ ｌ ｙｔ ， Ｓ ， ｅ 又称为 网络化 的控制 系统 ，是一种全分布 、 网络化 实时 反馈控制系统 。它 是指某区域现场传感器 、控 制器 及执 行器和通信网络的集合 ， 以提供设备之 间的数据传 输 ， 用 使该 区域 内不 同地 点 的用户实 现资源共 享和协 调操作 。 它是上世纪 ９ ０年代初提出的概念 ， 是计算机技术 、通信
２ 计 算 机 控 制 系统 的 发 展 历 程
２ ０世纪 中期的 自动控制生产规模很小 ， 数字计算机
支结构的通信网络 。它突破了 Ｄ Ｃ Ｓ系统 中采用专用 网络 的缺 陷 ， 把专 用封闭协议 变成标 准开放协议 。 同时它使 系统具有 完全数字计算和 数字通信能力 。结构上 它采用 了全分布式方 案 ， 把控制功能彻底 下放 到现场 ， 提高了系
Ａ ｅ ｆｈ ｔ ｒｅ ｎｒｌ ｙ ｔ ｍｓ Ｓｕｖ ｙｏ ｅＮｅｗｏ ｋ ｄＣｏ ｔ ｓｅ ｒ ｔ ｏＳ
ＸＵ ｎ － ｉ ＸＵ ａ ｇ ｙ ｎ Ｆｅ ｇ ｑ ｎ， Ｘｉ ｎ － ｕａ
（ｉｎｉ ｏｙｅｈ ｉ Ｕｎｖｒｉ ｏ ｕｅ ｅｈ ｏｏ ｙａ ｄＡｕｏ ｔｄＩｓ ｔｔ，ｉ ｊｎ３ ０ ６ ，ｈｎ ） ＴБайду номын сангаасｊ Ｐ ｌｔｃ ｎｃ ｉ ｅｓｙＣ ｐ ｔｒ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｔｍａ ｔｕｅ ａ ｉ ０ １ ０Ｃ ｉａ ｎ ｔ Ｔ ｅ ｎ ｉ Ｔｎ
一
３ ２ 网络 时延 ．
网络控 制 中的时 延 ，主要来源 于数据在 网络 上的传 输时延和控制器的运算时延（ｒ ， ） 这些时延的位置分布 如图 ２所示『ｌ ７。数据在 网络上 的传输 时延由传感器 到控 制器 时延（ ） ｒ 以及控制器到执行器时延（ｒ ） 两段构成， 他们具有相 似的特点 ， 通常都是时变的 ， 控制器执行运算 产生 的时延 ｒ 通 常也 是时变的 。但依据不 同的 网络结 构与协议又 可以分 为周期性 、确定性 时延 以及 随机性 时 延两种情 况。针对 不 同的时 延 ， 多人提 出了不同的处 很
网络控制系统发展趋势综述
突 破集 中控制 模 式 的束 缚 ，系 统可靠 性 有 限 。
现场 总线技术 （ Ｃ ）兴起于２ 世纪９ 年代 ，其 ＦＳ ０ ０
适 应 了各行 业 现 场 测 控方 面 的 需 求 ，形 成 了多标 准 并 存 的局 面 。Ｆ Ｓ 以现 场 总 线 作 为 底 层 网络 ，通 过 网 Ｃ是 络 集 成 构 成 的 自动 控 制 系 统 。 它 突 破 了Ｄ Ｓ 统 中采 Ｃ系 用专 用 网络 的缺 陷 ，把 专 用封 闭协 议 变 成标 准 开 放 协 议 ，将 现 场 的 各种 控 制 器 和 仪表 设备 相 互 连接 ，把 控
了三 次 比较 大 的变 革 ，７ 年代 无 动 态 流 程 图 、操 作 站 ０ 是 专用 的 ，通信 网络 采 用 轮询 方 式 。８ 年 代通 信 网 络 ０
制 系 统和 计 算 机 集 中式 控 制 系 统 的优 点 ，体 现 了 管理 的 集 中性 和 控 制 的分 散 性 。 虽然 与Ｄ Ｓ 比 ，Ｄ Ｓ 有 Ｄ相 Ｃ具
系统扩展和维护 以及能够实现信息资源共享 。随着 自
动控 制 、计 算机 、通 信 、 网络 等 技 术 的 发展 ，企 业 的
信息系统也在不断 的更新发展 ，因此网络控制系统须 满足复杂控制系统和远程控制系统 的客观要求 。
一
由于控制系统的开放性差等原因使得工业以太 网
技 术迅 猛 发 展 。 由于 以太 网具 有广 泛 的技 术 支持 ，传
制单元作为 网络系统连接起来共同完成控制任务的系
统 。网络 控 制 系 统 充分 体 现 了 控制 系 统 向网络 化 、 集
成化、分布化 、节点智能化方 向的发展趋势，在工业
DCS控制网络系统及网络控制技术
图9-6 和利时第四代集散控制系统体系结构
9
3. 集散控制系统特点
(1) 分散性和集中性
系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。 集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。
(2) 自治性和协调性
各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网 络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能 和优化处理。
(3) 友好性
采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。
(4) 适应性、灵活性和可扩充性
采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可 以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的 大小配置。
10
3. 集散控制系统特点（续）
(5) 实时性
• 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管 理与现场分离，管理更能综合化和系统化。
9.3.1 控制网络的技术基础 9.3.2 以太控制网络系统的组成及其特点 9.3.3 以太网用于工业现场的关键技术
25
9.3.1 控制网络的技术基础
1. 控制网络的局域网技术
– 局域网LAN（Local Area Network）的概念产生 于20世纪60年代末。IEEE于1980年成立的局域网 标准委员会制定了802标准。
① 组态向导（软件助手）
– 组态向导提供预定义的参数，组态工程师可借鉴它来进行或修改 组态过程。
② 库和模块
– 已建立的对象可储存在一个库内，也可将它们从库中调出。这样 使用户可以开发公司、技术或部门专用的标准，有助于快速建立 项目。
③ 交叉引用组态
– 可以通过交叉索引列表的画面，提供处理大量数据的组态工具， 具有数据的导入/导出功能，可以导入和导出变量、导入和导出 消息、导入和导出文本。
多媒体网络集中控制系统方案
多媒体网络集中控制系统方案多媒体网络集中控制系统方案一、引言本文档旨在提供一个多媒体网络集中控制系统的详细方案，以满足各种应用场景的需求。
该系统可以通过网络连接多个终端设备，并通过集中控制器实现对这些终端设备的统一管理和控制。
本文将详细介绍系统的硬件组成、软件功能、网络架构以及实施方案。
二、系统硬件组成⒈集中控制器：该设备负责管理和控制网络中的所有终端设备，具备强大的计算能力和多种接口以兼容不同类型的终端设备。
⒉终端设备：可以是电视、投影仪、音响等多种多媒体设备，通过网络连接到集中控制器，实现对其进行集中控制和管理。
⒊交换机：用于构建网络架构，连接集中控制器和终端设备，提供稳定的数据传输和通信能力。
⒋服务器：存储多媒体资源，通过网络提供给终端设备进行播放，可以支持实时流媒体传输和存储式播放。
三、软件功能⒈终端管理：集中控制器可以实时监控和管理所有终端设备，包括在线状态、播放内容、音量控制等。
⒉资源管理：集中控制器可以管理和分配多媒体资源，包括音频、视频等，以满足不同终端设备的需求。
⒊任务调度：集中控制器可以根据时间、地点等条件执行任务调度，包括定时播放、区域播放等。
⒋用户权限：集中控制器可以设定不同用户权限，限制其对系统的访问和操作，保证系统的安全性。
四、网络架构⒈局域网：在局域网内部署系统，可以实现高速网络传输和实时控制，适合小范围的应用场景。
⒉广域网：通过云服务器将多个局域网连接起来，实现跨区域的多媒体网络集中控制，适合大范围的应用场景。
⒊无线网络：可以通过WiFi或蓝牙等无线通信技术实现终端设备的无线连接，提高系统的灵活性和便捷性。
⒋云服务：可以将多媒体资源存储在云服务器上，通过网络传输到终端设备进行播放，减小系统的存储负担。
五、实施方案⒈需求分析：根据不同的应用场景和用户需求，进行需求分析，明确系统的功能和性能，并确定合适的硬件设备和软件功能。
⒉系统设计：根据需求分析的结果，进行系统设计，包括硬件选型、网络架构、软件功能的设计，确保系统的可靠性和稳定性。
第一章控制网络系统概述
1.3.2 控制网络系统的研究现状
国内外学者对于控制网络系统理论与应用的研究，目 前主要集中在以下几个方面： 1.对于各种控制网络协议本身性能和特性的分析与对 比。这主要包括数学建模分析、计算机仿真和实 际网络实验结果。 2.针对各种控制网络协议的改进方法、网络通讯调度 算法以及路由算法等方面的研究。这主要体现在 两个层次上。局域网内协议改进与通讯调度算法 的研究集中在网络数据链路层，即MAC和LLC子 协议层。广域网研究表现为寻求不同网络间基于 路径或时间最短的路由算法。 3.解决由于采用了控制网络技术，对系统性能和控制 策略上带来的影响。闭环控制网络系统中信息传 输延时、数据丢失和分帧传输都将对控制网络系 统的稳定性和控制性能带来不利影响。
1.1.2 控制网络系统的特点
1．分布式的网络体系结构 2．全数字化通讯 3．模块化的功能设计 4．节点间较强的藕合性 5．网络通讯的强实时性 6．低成本和恶劣环境的适应性 7．网络的局域性 8．系统的开放性和兼容性 9．系统的可扩展性和易重构性
1.1.3 控制网络系统的优点
1．提高了控制系统的精度和可靠性 2．增强了系统信息集成能力，有利于不同网 络的互连集成 3．便于安装和维护 4．可以降低系统成本 5．可以作为实现各种复杂分布式或优化控制 算法的应用平台 6．对于系统开发者和用户而言，它都打破了 技术垄断
1.5.2
现场总线的发展
ISA/SP50：1984年 Profibus：1986年 ISP和ISPF：1992年 WbrldFIP：1993年 HARI…和HCF：1986年 FF(FielbdusFoundatino)：1994年 不同行业的大公司利用自身的行业背景，推出了适合一定应 用领域的现场总线，如德国Boseh公司推出的CAN (eontrollerAreaNetwokr)、美国Echeofn公司推出的 onW6rkS等。 现场总线自二十世纪八十年代产生以来，经历了市场的竞争、 淘汰、合并与重组等过程。自二十世纪八十年代产生以来， 经历了市场的竞争、淘汰、合并与重组等过程，到目前为 止，世界上各式各样的现场总线有100多种，其中，宣称为 开放型的现场总线就有40多种。
神经网络控制系统3篇
神经网络控制系统（一）神经网络控制系统简介神经网络控制系统是一种基于人工神经网络算法的控制系统，它主要通过对数据的学习和分析，不断优化参数，最终实现对系统的有效控制。
神经网络控制系统由多个神经元构成，每个神经元具有一定的输入和输出，它们之间通过权值连接相互联系。
通过不断地输入训练数据，系统能够自我调整，进而快速、精确地完成控制任务。
（二）神经网络控制系统的基本特点1.自适应性神经网络具有非常高的自适应能力，能自动学习和适应复杂的系统结构和变化。
2.非线性神经网络能够处理高度非线性的系统，并且能够自适应地调整变量之间的关系。
3.分布式处理神经网络是由多个节点组成的分布式处理系统，能够实时地响应和处理输入。
4.模式识别神经网络能够对数据进行有效的分类和识别，并在数据发生变化时及时调整模型。
5.容错性神经网络由多个节点组成，如果某个节点发生故障，其他节点仍然可以正常工作，保证系统的稳定性和可靠性。
（三）神经网络控制系统的应用范围1.智能控制神经网络控制系统能够对复杂的系统进行智能控制，如机器人、工业自动化等。
2.数据处理神经网络控制系统能够对海量数据进行处理和分析，为数据挖掘和决策提供支持。
3.医疗诊断神经网络控制系统能够对医疗数据进行分析，辅助医生进行疾病的诊断和治疗。
4.金融风控神经网络控制系统能够对金融领域的数据进行分析，预测市场趋势和风险，并在投资决策方面提供支持。
5.交通运输神经网络控制系统能够对交通流量进行分析和控制，优化交通路线，减少拥堵和事故。
总之，随着人工智能和大数据技术的不断进步，神经网络控制系统将会在更多的领域得到应用，为我们的生活和工作带来更多的便利和效益。
网络控制系统
3.3 网络的误码现象
误码现象在各种网络中都是存在的.工业网络可以被 看成是一个不可靠的通道,当数据在其中传输的时候,会 有各种各样的干扰,这样就有可能发生丢包,数据传输错 误等现象.通常每个网络控制系统对误码都有一定的容忍 限度.
3.4通信带宽限制 3.4
网络的存在会对控制系统造成严重的影响,当多个应 用竞争有限的网络资源时,如果没有合适的协调机制,就 会造成拥塞.在普通的网络调度策略中,公平性是一个重 要的目标.然而,网络控制系统又有其自身的特点,那就 是实时性.因此,并非我网络的吞吐量越大越好,最重要 的是要保证实时性的信息在其规定的时限内完成传输.
2-1 直接结构
2-2 递阶结构
3.网络系统的基本问题
闭环控制系统的结构框图如图3-1.每个控制网络可以 有多个控制系统构成,其中一部分是闭环控制系统.这些 闭环控制系统是通过网络形成闭环的,由于信息传输延迟 的存在,相应的就把延迟环节引入了系统.图中,τ ksc 表 τ ca 示传感器到控制器的传输延迟, k 表示控制器到执行器 的传输延迟,下标k表示采样时刻. 网络控制系统的基本问题主要表现如下:
与传统的以中央控制单元为核心的控制系统相比,网 络控制系统中的网络资源属各用户共享,所以需要解决以 下四个矛盾: (1)难以预测用户需要的网络资源的确切时间; (2) 难以预测用户占用网络资源的时间; (3) 一旦用户需要占用网络资源,用户希望及时得到资源; (4) 大部分时间,用户并不占用资源. 因此,在网络控制系统中,用户对网络资源的需求是 一种猝发性的异步需求,这就给资源分配和共享增加了困 难.
主站,主设备
PLC
PC
PLC
传 感 器 置 装 动
传 执 行 器
变 送 器
- 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)。
A p
+B p
D c
C
p
Bc C p
BpCc
Ac
A 12
B p
D c
Bc
Bp
0
A 21
Cp
0
0
C
A 22
Cp
0
0
C
A12
15.4.3 离散系统模型
Ray等人[9]基于各节点均采用时间驱动方式提出了一种增广的 确定性离散系统模型。
第十五章 网络控制系统
15.4.3 离散系统模型 Ray等人[9]基于各节点均采用时间驱动方式提出了一种增广
时序差错和数据包丢失等现象。
，
第十五章 网络控制系统
，
， 15.4.2 连续系统模型
。 连续型NCSs系统模型是指将网络控制系统看成一个连续系统进 行分析与设计。系统的动力学模型可以表示为
其中
z&(t)
x&(t ) e&(t )
A11 A21
A12 x(t) A22 e(t)
A 11
第十五章 网络控制系统
高层控制器
第一层 网络
控制器1
控制器2
控制器k
第二层 网络
执行器1
执行器m
传感器1
传感器n
对象
网络控制系统的结构图
第十五章 网络控制系统
15.2 网络控制系统概念和结构
马里兰大学的学者G. C. Walsh在其论文中最早提及网络控制 系统“networked control systems”[2]，但是未给出NCSs的 明确定义。通常认为NCSs是指某个区域现场所有传感器、
15.4 网络控制系统模型 15.4.1 NCSs中的基本假设
由于网络的引入，使得控制系统的分析变得非常复杂，并往 往造成控制系统定常性、完整性、因果性和确定性的丧失 等[7]。
第十五章 网络控制系统
针对网络中的可变因素，同时也是NCSs建模的主要参数，已 有的假设主要集中在以下几方面：
①关于驱动方式的假设 假设传感器都是采用时间驱动方式，采样周期为 ，执行器和
传感器
k 3
k 2
k 1
k
k 1
控制器
执行器
NCSs中数据流程模型
thk ,thk1,...,t0k ,tk1
第十五章 网络控制系统
15.3.3 NCSs的节点驱动方式 NCSs中各节点的工作方式可以分为时间驱动 (time-driven) 和
事件驱动 (event-driven)两种。以控制器为例，所谓时间驱 动的工作方式是指控制器在时钟的作用下定时从等待队列 中取得反馈的采样信号，然后开始执行控制算法，产生决 策信息发送给执行器。而事件驱动即用事件“反馈信号到 达”，来驱动控制器执行控制算法产生决策信息。同样在 执行器结点也存在不同的驱动方式。与控制器和执行器不 同的是，传感器节点通常采用定长时间采样。
广泛应用。对网络系统的研究最早始于20世纪50年代，如随机 图ER模型等。随着国际标准化组织的开放系统互连基本参考模 型，即通常提到的七层协议(1977)问世以来，第三代的计算机 网络得到了学术界的广泛关注。该网络使用户能共享其中的大 多数硬、软件和数据资源、减少计算机的负荷，提高网络的可 靠性并使得计算机具有可扩展性和可换性。在无尺度网络模型 的引入和小世界模型的基础上，有关复杂网络的研究得到了进 一步深入。比如，通信网络、计算机网络、电力网、供水网、 食品供应网、交通网、银行金融系统、油管输网、输气管网、 输油管网以及控制网络等大量实际复杂网络中都含有无尺度以 及小世界的特性。目前，复杂网络已经在生物学、社会学和计 算机科学等相关领域中发挥了举足轻重的作用。李伯虎院士 (2008)提出的云计算概念进一步丰富了复杂网络的应用，云计 算将计算任务全部交给网络化的仿真平台，用户通过终端很难 感觉到网络化仿真平台的存在，仿佛在云雾中一样，故取名云 计算。
控制器以及执行器和通信网络全体的集合，为各种设备之
间的互联提供数据传输，使得该区域内不同地点的用户实
现协调操作及资源共享，是一种网络化实时和全分布式的
反馈系统。
TLeabharlann 执行器对象传感器
ca
网络
sc
控制器
网络控制系统的框参考图输入
第十五章 网络控制系统
网络给NCSs带来的关键问题有： ①执行器响应时刻和时延采样时刻之间存在不可忽略的滞后。 ②在某一时刻间隔内存在的数据时序抖动。 ③数据丢包。 一．被动分析方法 被动分析方法首先在不考虑网络情况下对控制器进行设计，
第十五章 网络控制系统
目录 15.1 网络控制系统概述 15.2 网络控制系统概念和结构 15.3 网络控制系统的时序 15.4 网络控制系统模型 15.5 通信约束下的网络控制系统稳定性分析 15.6 网络控制系统控制器设计
第十五章 网络控制系统
15.1 网络控制系统概述 21世纪是一个网络化的时代，网络的普遍性决定了其在生活中的
然后进一步考虑网络影响来分析闭环NCSs的系统性能。涉 及的主要方法有： 1） 网络摄动法[2]。 2) Lyapunov-Krasovskii方法[3-6]。 3) 其他方法。
第十五章 网络控制系统
二．主动分析方法 主动分析方法在考虑网络对NCSs影响的基础上进行，进而讨
论相应的系统分析以及控制器设计等问题。显然，与被动 分析方法相比，主动设计方法在控制器设计以及系统分析 过程中有效利用了网络信息，因而所得分析结果的保守性 更小，控制策略也更为合理。 主要的主动设计方法有： 1) 时延整形法[9]。 2) 多模型控制法[10]。 3) 随机控制方法[11]。 4) Lyapunov-Krasovskii方法[7, 13]。 5) 切换控制方法[14]。 6) 预测控制方法[15]。 7) 其他控制算法[16]。
控制器存在时间和事件两种不同驱动方式的组合。 ②关于传输时延 的假设 时滞 为常数、随机分布或符合某确定分布。 和 满足 或 。 ③关于NCSs数据传输的假设 在NCSs中传输的每一数据包都是一个完整的数据，或者一个
完整的数据被分成多个数据包，即单包和多包传输问题。 ④数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致
第十五章 网络控制系统
15.3 网络控制系统的时序
15.3.1 采样速率分析
NCSs中采样速率由采样周期间隔以及数据的产生速率决定， 因此和网络的服务质量QoS(quality of service)有一定的关系。
①数据产生速率
②采样周期
15.3.2 延迟与抖动分析
网络化控制系统中的延迟与抖动如图所示