网络控制系统中的基本问题解析

P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二单元课文A 网络控制系统中的基本问题
现在，我们将分析网络控制系统中的一些基本问题，包 括网络导致的延迟，系统输入和输出的单个数据包或多 重数据包，网络数据包的丢失。
网络导致的延迟 在网络控制系统中当传感器、执行器和 控制器通过网络交换数据时会发生网络导致的延迟。这种 延迟会降低在设计时没有考虑这个问题的控制系统的性能 降低，甚至会使系统不稳定。
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分布式控制可追溯到20世纪70年代初期，当时诞生了霍尼韦 尔分布式控制系统（DCS ）。分布式控制系统中的控制模 块被松散地连接到一起，因为大部分实时控制任务（信号检 测、计算、激励）在单独的模块中执行。仅仅开/关信号、监 控信息、报警信息等通过串行网络进行传输。今天，借助于 特定用途集成电路芯片设计和硅材料的大幅降价，传感器和 执行机构都可安装网络接口，因此成为实时控制网络的独立 节点。因此，在网络控制系统中，实时检测和控制数据通过 网络进行传输，网络节点需要密切协作以完成控制任务。
第一个问题是网络产生的延迟（传感器到控制器延迟和控制器到执行器延 迟），当连接到公共介质上的装置交换数据时，这种延迟发生。这种延迟， 或恒定（令人担忧）或随时间变化，会降低设计时没考虑这种延迟的控制 系统的性能，甚至使系统不稳定。其次，网络可被看成由不可靠传输通道 组成的一张网。一些数据包不仅有传输延迟，甚至会在传输过程中丢失。 因此，必须考虑丢失的信息量对网络控制系统性能指标的影响程度。另一 个问题是由于网络带宽和信息容量的限制，系统输出可采用多个网络数据 包（所谓多重数据包传输）。由于网络平台对网络上其它节点的仲裁，可 能性是全部/部分/没有信息包在控制运算时间内到达。
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4. 难句翻译
[1] Ethernet employs a CSMA with collision detection (CSMA/CD) protocol. When there is a collision, all of the affected nodes will back off, wait a random time (usually decided by the binary exponential back-off algorithm), and retransmit, as shown in Case 3 of Fig.5-1A-2.
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A 网络控制系统中的基本问题
1.课文内容简介：主要介绍《网络控制技术》中网络控制系统 的定义、优点、网络控制带来的特殊问题—网络延时、通过 通讯协议的特殊设计来解决网络延时的方法和单数据包与多 重数据包传输、丢失网络数据包等问题。
现用于网络控制系统的候选网络有DeviceNet 、 Ethernet 和FireWire 等有限几个网络。每个网络有 自己为特定应用场合而设计的通讯协议。此外，网
络控制系统的特性主要取决于网络本身的性能参数，
这些参数Fra Baidu bibliotek括传输速率，介质访问协议，数据包长 度等。
主要有两种方法来解决网络控制系统设计中碰到的这些问题。 一种方法是在设计控制系统时不考虑数据包延迟和丢失的问题， 而是设计一个使这些事件发生的可能性最小化的通讯协议。例 如，当网络交通超过网络管理的极限时，已提出各种堵塞控制 和避路算法以获得更好的性能。另一种方法是将网络协议和交 通作为已知条件，设计详细考虑上述问题的控制策略。为了管 理延迟，可以形成基于延迟微分方程研究的控制策略。这里我 们讨论针对网络导致的延迟和数据包丢失的分析和设计策略。
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图 5-2A-1 典型网络控制系统配置和信息流
在反馈回路中加入通讯网络使 网络控制系统的分析和设计变 得复杂。传统控制理论有许多 理想的假设，比如同步控制、 无信号检测延迟、无激励延迟 等， 在将它用于网络控制系统 之前必须对其进行重新评估。 特别要讨论下面几个问题。
2.温习有关网络控制技术与设计方法方面的内容。 3.生词与短语 agility n. 灵活，便捷 jitter n. 抖（颤）动，颠簸 destabilize v. 使打破平衡，使不稳定 medium access control (MAC) 媒质访问控制 CSMA/BA 载波侦听多路访问/位仲裁 CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 isochronous n. 同步的，等时的
图 5-2A-2 随机存取网络上两个节点的时序图
取决于控制网络介质访问控制协议， 网络导致的延迟可 以是常数，时变，甚至随机的。介质访问控制协议通常分 为两种：随机访问和按时序访问。载波侦听多路访问在随 机访问网络中用的最多，而令牌和分时多路访问通常用在 按时序访问网络中。
以太网采用CSMA/CD协议，当产生冲突时，所有冲突节点 都将避让等待一段时间（所等待的时长是由二进制指数避让 算法决定的），然后重新发送，如图5-2A-2中所示的第三种 情况。
A 网络控制系统中的基本问题
控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统叫作网络控制系统。 网络控制系统定义的特点是信息（参考输入、系统输出、控制 输入等）是使用网络在控制系统组件（传感器、控制器、执行 器等等）中进行交换。图5-2A-1给出了网络控制系统的典型结 构和信息流。网络控制系统的主要优点是减少系统接线，易于 系统诊断和维护，并增加系统灵活性。