网络控制系统
网络化控制系统..
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1.1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// 电力系统、水源系统、能源系统、交通系统、邮电系统、通信系统、大型计算机网、生产协作网等）。
在控制系统中使用网络并不是一个新的想法，它可以追溯到20世纪70年代末期集散控制系统（Distributed Control System, DCS）的诞生。
DCS将控制任务分散到若干小型的计算机控制器（也叫现场控制站）中，每个控制器采用直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）的控制结构处理部分控制回路，而在控制器与控制器、控制器与上位机（操作员站或工程师站）之间建立了计算机控制网络，这种控制结构使得操作员在上位机中能够对被控制系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行。
DCS大大提高了控制系统的可靠性（和DDC相比较），并实现了集中管理和相对分散控制。
随着处理器体积的减小和价格的降低，带有微处理器的智能传感器和智能执行器出现了，这为控制网络在控制系统中更深层次的应用提供了必要的物质基础，从而在20世纪80年代产生了现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS）。
FCS作为网络化控制系统的新技术把控制网络一直延伸到了产生现场的控制设备，信号的传输完全数字化，提高了信号的转换精度和可靠性，同时由于FCS的智能仪表（变送器、执行器）带有微处理器，能够直接在生产现场构成控制回路，控制功能也可完全下放，实现了完全的分散控制。
网络控制系统研究进展
目录
01 一、网络控制系统的 定义和背景
02
二、网络控制系统的 发展历程
03 三、网络控制系统的 研究现状和不足
04 四、总结
05 参考内容
内容摘要
随着网络技术的飞速发展，网络控制系统（Networked Control Systems， NCS）逐渐成为研究热点。NCS是一种将控制理论、计算机网络、通信技术等领域 相结合的系统，具有远程控制、实时监测、信息共享等功能。本次演示将介绍 NCS的定义、发展历程、研究现状及不足，并探讨未来的研究方向。
内容摘要
随着网络技术的快速发展，网络控制系统在工业、交通、医疗等领域的应用 越来越广泛。网络控制系统是指将控制单元和传感器通过网络连接起来，实现远 程控制和监测的系统。本次演示将从需求分析、系统设计、仿真验证、实际应用 等方面探讨网络控制系统的研究与设计。
需求分析
需求分析
网络控制系统需要满足稳定性、可靠性和实时性等方面的要求。稳定性是网 络控制系统的核心要求，是指系统在正常运行过程中，能够保持稳定的性能和精 度。可靠性是指系统在面对各种异常情况时，能够有效地进行应对，避免系统崩 溃或出现重大故障。实时性是指系统能够对实时采集的数据进行快速处理和响应， 以满足控制系统的要求。这些要求在系统设计时需要充分考虑和满足。
三、网络控制系统的研究现状和不足
然而，NCS的研究也存在一些不足。首先，现有的NCS模型和算法往往针对特 定的应用场景设计，缺乏普适性。其次，NCS的稳定性和鲁棒性分析仍面临许多 挑战，亟待深入研究。此外，如何解决NCS应用中的实际问题，如通信延迟、数 据丢包等，也是研究人员需要和解决的难题。
四、总结
仿真验证
在仿真过程中，需要系统的响应时间、稳定性、可靠性和精度等方面，对系 统进行优化和改进。同时，在仿真过程中也需要注意发现和解决潜在的问题，为 实际应用打下坚实的基础。
网络控制系统中的基本问题
P5U2B
Stability of NCSs with Network –induced Delay
第五部分第二单元课文B
带网络延时的网络控制系统的稳定性
B
带网络延时的网络控制系统的稳定性
1.课文内容简介：主要介绍《网络控制技术》中的带网络延 时的网络控制系统的建模、小于一个采样周期的延时、长 时间延时、积分器和一般标量系统的稳定区域分析等问题。 2.温习离散控制系统关于采样周期、稳定性分析方面的内容。 3. 生词与短语 clock-driven adj. 时钟驱动的 event-driven adj. 事件驱动的 lumped adj. 集总的 piecewise continuous 分段连续 infeasible adj. 不可行的
令牌传递协议出现在令牌总线（IEEE 标准 802.4）、令牌环（IEEE 标准802.5）和光纤分 布式数据接口MAC 结构中，时分多址协议用于 FireWire 网络。这类网络的时序图如图5-2A-3所 示。这些协议通过让网络的每一个节点按照预先 确定好的时间表传递信息从而消除了对共享网络 介质的争夺。在令牌总线中，令牌是绕着逻辑环 传递，但是在令牌环中，令牌绕着物理环传递。 在时序网络中，可以安排信息的周期性传递。
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
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。
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。
以太网控制系统解决方案网络控制
EMC 旳静电放电\EFT\雷击 符合 GBT 26220-/GBT 17626.2-/GBT 17626.4-/GBT
浪涌\电压跌落
17626.5-/GBT 17626.29-
安装接口
通用 PCI 插槽
网络接口定义
网口 RX：网络信号输入端口； 网口 TX：网络信号输出端口；
网线接线原则
T568B 原则：白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白 棕，棕
MPC8632 网络运动控制卡
•
•
产品参数
•
资料下载
控制通道：8 个
控制轴数：32 轴
运动控制功能
联动轴数：32 轴 直线插补（32 轴线性）
圆弧插补（任意二轴）
单轴闭环控制
逻辑输入：320 点
IO 控制功能
逻辑输出：320 点
PLC 控制周期：1ms
传播速度
100Mb/s
传播介质
Ethernet பைடு நூலகம்别 5，5e 或以上旳 STP(屏蔽双绞线)电 缆
节点之间旳最大传送距离 100m
最大节点数
32
数据传播周期
1ms
总线类型
RTEX 总线
内部电流消耗
170mA 如下(PCI 插槽 DC5V)
质量
100g 如下
工作温度
0～55°C
存储温度
-20～75°C
相对湿度
95 %如下、 无冷凝
耐振动/耐冲击
符合 GBT 2423.10-/GBT 2423.5-1995
网络化运动控制系统的关键技术研究
网络化运动控制系统的关键技术研究网络化运动控制系统是指将传统的运动控制系统与互联网技术相结合，实现远程监控、数据共享、系统维护等功能的一种新型技术。
网络化运动控制系统具有实时性要求高、稳定性要求高、安全性要求高等特点，其关键技术研究主要包括以下几个方面。
首先是网络通信技术。
网络化运动控制系统需要通过网络进行数据传输和通信，因此需要研究网络通信协议、通信接口等相关技术。
如何实现低延迟、高带宽的网络通信，保证数据的实时性和稳定性是关键问题之一其次是远程监控技术。
网络化运动控制系统可以实现对运动控制设备的远程监控，包括实时监测运动状态、收集运动数据等。
需要研究如何通过网络实现设备远程控制和数据的实时传输，以及如何对海量数据进行处理和分析。
再次是数据安全技术。
网络化运动控制系统涉及大量的机密数据和敏感信息，因此需要研究数据加密、访问控制、身份验证等安全技术，保证数据的机密性和完整性。
此外，还需要研究网络化运动控制系统的通信协议的设计和实现。
传统的运动控制系统通常使用专用的通信协议，而网络化运动控制系统需要与互联网实现连接，需要研究如何设计具有高效性和稳定性的通信协议。
另外，网络化运动控制系统还需要研究分布式控制技术。
传统的运动控制系统通常集中式控制，而网络化运动控制系统可能包含多个分布式的运动控制设备，需要研究如何实现多设备之间的同步性和协同控制。
此外，还需要研究实时性保证技术。
网络化运动控制系统对实时性要求高，需要研究如何在网络传输延迟较大的情况下，保证数据的实时性和稳定性。
最后，还需要研究系统维护和故障诊断技术。
网络化运动控制系统通常包含大量的设备和复杂的网络结构，需要研究如何进行系统维护和故障诊断，提高系统的可靠性和稳定性。
综上所述，网络化运动控制系统的关键技术研究主要包括网络通信技术、远程监控技术、数据安全技术、通信协议的设计和实现、分布式控制技术、实时性保证技术、系统维护和故障诊断技术等方面。
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。
网络化控制系统的几个主要问题及其分析
而被要求重发，如果该节点的数据在规定的 现场控制的网络控制系统来说造价太高， 点配置。
重发时间内仍然没有成功发送数据，则该数 包括OSI系统所有各层的总开销，对于网络
采用上述几个基本的降低网络负载的
据包被丢弃。这些现象都可视为数据包丢 控制系统的应用来说同样显得太高。
方法，将有利于控制系统的实时性要求，提
产生影响。这就需要通过调度来协调控制 （Message Collision）、信息吞吐量、分组尺寸
（作者单位 辽宁省沈阳职业技
网络。调度分为静态和动态调度。静态调度 （Packet Size）、网络利用率和一些确定界等。 术学院机械装备系学办）
新课程学习 159
过程中，传感器—控制器和控制器—执行器 的基本问题外，控制系统部件的工作模式， 而只有三层。这样既减少了无效数据的传
的时延，记为τsc和τca，合称为网络诱导时 时钟同步等问题始终贯穿于网络控制系统 输，也减少了编码解码的时间，从而提高了
延。而在大多数情况下，网络诱导时延是时 的分析、设计以及实现过程中，有时也会影 实时性。
失。闭环控制系统虽然对系统中结构和参数
4.控制网络通常可以选择低成本的桥 高NCS的控制性能。
的变化具有一定的鲁棒性，但不可避免地造 接器、路由选择器等实现和其它开放式网
参考文献：
成性能的下降，严重地将导致系统失稳，需 络系统的连接，这一点非常重要。
［1］邢江，关治洪.网络化控制系统的研
要寻找行之有效的解决方法。
关键词：网络化控制；网络延迟；通信约束；数据包丢失；信息调度
一、网络化控制系统研究目前存在的 指在系统运行前就规定了传输顺序，其传 对于控制系统，理想的控制网络至少必须满
主要问题
网络控制系统及应用
网络控制系统及应用网络控制系统是指通过网络连接将各种设备、系统或者过程进行监控、管理和控制的系统。
它利用互联网、局域网或者广域网等网络结构，将分散的设备和系统集中起来，并通过软件和硬件的配合，实现对这些分散的设备和系统的集中控制和管理。
网络控制系统在工业自动化、交通管理、建筑智能化、能源监控等领域得到了广泛的应用。
现代网络控制系统的架构一般包括三层：感知层、传输层和控制层。
感知层负责采集各种信号，如温度、湿度、压力等；传输层将采集到的信号通过网络传输给控制中心；控制层接收传输层传来的信号，经过处理后下达命令控制被控设备。
网络控制系统的应用非常广泛，以下是几个典型的应用领域：1. 工业自动化：在工业生产中，需要监控和控制各种设备和生产流程，网络控制系统可以将它们连接起来，实现集中控制和管理。
例如，在一座工厂中，可以利用网络控制系统监控温度、湿度、压力等各种参数，并根据需要进行控制和调整。
2. 交通管理：在城市交通管理中，网络控制系统可以实现对交通灯、监控摄像头、交通信号等设备进行远程监控和控制。
这样可以实时调整交通信号，减少交通拥堵，提高交通效率。
3. 建筑智能化：网络控制系统可以将建筑内的各种设备，如照明、空调、安防系统等进行集中管理和控制。
通过智能化的调整和控制，可以降低能耗，提高建筑的舒适性和安全性。
4. 能源监控：网络控制系统可以用于能源监控，实时监测和控制能源的使用情况，以达到节约能源和减少能源浪费的目的。
例如，可以通过网络控制系统监控电力的使用情况，调整用电设备的功率，以减少电能的浪费。
5. 智能家居：网络控制系统可以实现对家居设备进行远程监控和控制。
例如，可以通过手机控制家中的灯光、空调、窗帘等设备，提高家居的智能化程度和便利性。
总之，网络控制系统的应用范围广泛，可以实现对各种设备、系统和过程的远程监控和控制。
它的应用可以提高生产效率，节约能源，提高生活品质，并且有助于实现智能化和自动化。
网络化智能控制系统
网络化智能控制系统随着科技的不断发展和进步，智能化技术在各个领域中得到广泛应用，尤其是在控制系统领域。
网络化智能控制系统作为一种新兴的技术，以其高效、智能和灵活的特点，正在逐渐取代传统的控制系统，并成为各个行业的首选。
一、网络化智能控制系统的概述网络化智能控制系统是指利用现代网络技术和智能化算法，将传感器、执行器、控制设备等各个部分连接起来，通过网络进行数据传输和信息交互，实现对系统的远程监测和控制。
它不仅能够准确地感知环境的变化，还能根据数据和算法自主地做出决策和调整，提高系统的自适应性和智能化水平。
二、网络化智能控制系统的特点1. 高效性：网络化智能控制系统能够实现设备之间的高效沟通和信息交互，提高了系统的工作效率和响应速度。
2. 智能化：通过智能算法和数据分析，网络化智能控制系统能够对环境变化做出准确判断，并自主地做出相应的调整和决策。
3. 灵活性：网络化智能控制系统不受地域和时间的限制，可以实现对系统的远程监测和控制，提高了系统的灵活性和可操作性。
4. 可靠性：网络化智能控制系统通过多传感器和多执行器的连接，确保了系统的稳定性和可靠性，减少了系统故障的概率。
5. 可扩展性：网络化智能控制系统可以根据不同的需求进行扩展和升级，适应不同规模和复杂度的控制系统。
三、网络化智能控制系统的应用领域1. 工业领域：网络化智能控制系统广泛应用于工业生产过程中的自动化控制系统，实现对生产设备和生产过程的远程监测和控制，提高了生产效率和产品质量。
2. 建筑领域：网络化智能控制系统可以实现对建筑内部的照明、空调、安防等设备的智能控制与管理，提高建筑物的能源利用效率和安全性。
3. 公共交通领域：网络化智能控制系统广泛应用于公共交通系统中，如智能交通信号控制系统、智能公交调度系统等，提高了交通系统的运行效率和交通流量的控制。
4. 农业领域：网络化智能控制系统可应用于温室大棚的环境控制和农田灌溉系统的智能化管理，提高了农作物的产量和质量。
列车网络控制系统
随着高铁技术的不断发展， CR400AF列车网络控制系统在高 铁领域的应用前景非常广阔
02
同时，CR400AF列车网络控制系 统还可以应用于其他交通领域， 如地铁、轻轨等，推动交通行业 的智能化发展
01
未来，该系统将不断升级和完善， 提高系统的可靠性和安全性，降 低故障率，为高铁列车的安全、 稳定运行提供更加有力的保障
20xx
CR400AF列车网 络控制系统
-
1
CR400AF列车网络控制系统概述
2
CR400AF列车网络控制系统的组成
3
CR400AF列车网络控制系统的功能
4
CR400AF列车网络控制系统的特点
5
பைடு நூலகம்
CR400AF列车网络控制系统的应用前景
CHAPTER 1
CR400AF列车网络控制系统 概述
CR400AF列车网络控制系统概述
CHAPTER 4
CR400AF列车网络控制系统 的特点
CR400AF列车网络控制系统的特点
CR400AF列车网络控制系统具有以下特点
高可靠性：采用冗余设计和故障容 错技术，确保系统在恶劣环境下稳 定运行
高安全性：采用加密技术和访问控 制机制，确保系统数据的安全性和 保密性
兼容性：兼容多种设备和传感器 接口，方便系统的扩展和维护
包括操作系统、应用程序 等，负责控制系统的运行
和管理
人机界面
包括显示屏、控制面板等， 用于显示列车状态和操作
控制
CHAPTER 3
CR400AF列车网络控制系统 的功能
CR400AF列车网络控制系统的功能
CR400AF列车网络控制系统具有以下功能
监控功能：实时监测列车的各项参数，如速度、位 置、温度等，确保列车正常运行 控制功能：根据列车状态和操作指令，控制列车的 各项功能，如牵引、制动、灯光等 诊断功能：对列车故障进行诊断和记录，为维修提 供依据 保护功能：在列车出现异常时，采取保护措施，确 保乘客安全 远程监控功能：通过网络与地面控制中心连接，实 现远程监控和控制
网络控制系统PPT课件
4.2 数据特性
在NCS中，需要传输的数据可分为3类：周 期数据、猝发数据和非实时数据。
周期数据如各种传感器和控制器的I/O信号和 部分状态监测数据，它对时间有严格的要求，一 般不允许有秒级的时延。猝发数据如报警信号和 紧急操作指令，它对实时性的要求比周期数据更 高。非实时数据如用户编程数据和组态数据，他 对时间的要求并不严格，允许有一定时延，但这 类数据的长度较长且不确定，数据量较大，对带 宽的占用率较为敏感，一般以小型或微型文件的 形式出现。
NCS的主要优点是系统连线少、可靠性高、结构灵活、 易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等。
2
2. 网络控制系统结构
网络控制系统有两种主要的结构：直接结构和递阶结 构。直接结构，它是由一个或多个控制器、被控对象及网 络组成。被控对象与传感器、执行器相连，而控制器与被 控对象可以分布在地理上不同的位置，所有的信号都通过 网络传输，直接构成反馈控制回路。其结构如图2-1。
10
3.5实时调度
长期以来，控制系统的设计和实时系统的发展是分开 的，几乎所有基于控制的系统设计都分为控制方案设计和 数字实现两个独立的步骤进行。这种分离虽然有一定的好 处，但也有其负面影响，那就是控制领域和实时调度的研 究人员对对方领域的研究缺乏了解。
实时调度就是将控制和调度结合起来，总的来说可以 分为两类：静态调度和动态调度。静态调度算法要求对任 务有完全的认识，既要求对任务的时限、计算时间、过程 约束和未来释放时间等有全面而准确的了解。
12
4.网络控制系统的评价标准及数据特性
4.1 评价标准
对NCS的评价通常有两种标准：网络服务质量(QoS) 和系统控制性能(QoP)。
网络服务质量的评价指标包括网络吞吐量、传输效率、 误码率、时延可预测性和任务可调度性。
工业自动化中的网络化控制系统
工业自动化中的网络化控制系统工业自动化是指利用计算机科学、信息技术、光电子技术、控制技术等现代科技手段，实现工业生产系统的自动化。
自动化的优势在于它能够提高生产效率、缩短生产周期和降低成本。
而工业自动化的核心在于控制系统。
通过控制系统，实现对机器、设备、工艺过程等因素的智能控制和调节，从而提高生产效率和质量。
而随着信息技术的发展，工业自动化控制系统已经从单一的电气、机械控制系统，发展到了网络化控制系统。
一、网络化控制系统的定义网络化控制系统是指通过网络技术将生产设备、控制器、传感器等多种设备通过网络连接起来，实现工艺控制、信息采集、数据处理、远程监控等功能的一种控制系统。
与传统的工业自动化控制系统相比，网络化控制系统更加灵活、可靠，具有更强的扩展性和可维护性。
二、网络化控制系统的组成部分网络化控制系统由控制器、传感器、执行器、通讯设备和计算机软件等组成。
其中，控制器是网络化控制系统的核心，它负责生产设备的控制和调节。
传感器负责采集生产现场的各种数据，传递给控制器进行处理。
执行器则是控制器输出的指令，负责控制生产设备的运行。
通讯设备则负责建立网络连接，实现各种设备的数据交换和通讯。
而计算机软件则是整个网络化控制系统的控制中心，它负责指挥控制器、传感器和执行器等各个部分的工作，并对生产过程进行监控和数据处理。
三、网络化控制系统的优势1. 灵活性和可靠性网络化控制系统可以实现模块化设计，使得系统更加灵活和可靠。
模块化设计可以使得控制器、传感器和执行器等多个部分实现分布式控制，从而提高系统的运行效率和可靠性。
2. 扩展性网络化控制系统具有较强的扩展性，可以方便地为系统增加新的功能模块。
例如，可以通过增加新的传感器和控制器，将生产设备接入到网络化控制系统中，从而实现远程监控和控制等功能。
3. 可维护性网络化控制系统可以实现远程管理和维护，可以通过互联网进行数据交换和远程控制。
这使得系统的维护更加方便和快捷，可以极大地缩短故障修复和维护周期，进一步提高系统的稳定性和可靠性。
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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
站,
设备
令牌论询技术的优点是周期任务的实时性好,且具有 确定的或可预测的最大网络时延,主要缺点在于它无法处 理突发事件.为克服这一问题,出现了带宽预留方法,它 将任何空闲处理能力(没有周期任务使用)都用于非周期任 务,这样既保证了周期数据的实时性和时延确定性,又实 现了对突发事件的快速响应.该技术具有代表性的协议是 Profibus.
(1) 载波监听多路访问技术(CSMA)
这是一种总线争用技术,这种介质控制方式对任何结 点都没有预约发送时间,结点发送是随机的,但多个结点 同时向总线发送数据时,需要一个竞争的规则.CSMA规 CSMA 定任何要发送数据的结点首先监听总线是否空闲,如果空 闲,则可以发送;如果总线忙,则需等待一段时间间隔后 重发. CSMA技术实现简单,能够及时响应猝发数据,但没 有考虑周期数据的时间限制,即使满足了截止期要求,随 机的争用信道也使得时延的不确定性很大,因此被认为是
6.网络控制系统的主要研究方向
(1).网络控制系统建模与稳定性分析 (2).基于模型的网络控制设计 (3).网络控制系统协同设计方法 (4).交换式以太网 (5).无线网络控制系统 (6).网络控制系统仿真 (7).周期性控制与基于事件的控制
参考文献
1.《工业过程先进控制技术》俞金寿 华南理工大学出版社, 2008 2.《网络控制系统与应用》关守平, 周玮, 尤富强 北京:电 子工业出版社,2008 3.《网络控制系统》张云生,祝晓红,王静 重庆:重庆大学出 版社,2003 4.《计算机控制网络》刘建昌 清华大学出版社,2006 4. Tang XM,worked control system: Survey and directions [J].Lecture Notes in Computer Science,2007,4688:4732481. 5.《基于网络的控制系统研究及应用》焦军 硕士学 位论文
5.网络控制技术
MAC层协议所定义的传输数据技术分为主导技术和辅 助技术.其中主导技术又分为事件触发式的总线争用技术 和时间触发式的令牌控制技术,它直接决定介质访问控制 机制.辅助技术必须和主导技术配合使用,主要是影响网 络控制的时延.下面介绍几种具有代表性的主导技术和辅 助技术.
5.1 主导技术
(3)TOD技术
TOD技术针对NCS中周期数据的时间敏感性,使设 备接收到的数据都是最新数据.周期数据,如控制器或传 感器的I/O信号,在传输中只发送一次,如果未传输成功, 数据就被丢弃,而沿用上一周期的同类数据. 由于不再重发出错的周期数据,这种技术大大降低了 网络的拥塞概率,同时缩短了数据传输的平均时延.其原 理如图5-2所示.
3.2网络的拥塞
拥塞是在信息传输中广泛存在的,如英特网中,这些 情况大多是因为某时刻很多站点同时在交换数据造成的. 由于工业网络控制系统与通信网络系统在结构上无本质差 别,这种现象也广泛存在于过程控制和制造控制网络系统 中.如果一个闭环网络控制系统中的信号在传输中发生拥 塞现象,将会导致控制系统性能下降,甚至整个系统的崩 溃.由于拥塞现象是随机的,这也给建立数学模型带来困 难,同时给控制设计带来相当的难度.
不确定性的传输技术,要用于测控场合,必须与其他技术 相结合或加以该进.它的典型应用是以太网和现场总线的 LonWorks协议.
(2) (2)令牌轮询技术
这是分布式令牌技术,是一种时间触发方式的介质访 问控制机制,主要用于多站系统.其基本工作原理是:总 线中存在唯一的令牌,在由主站构成的逻辑环中循环传递, 主站之间通过一定的逻辑调度算法获得令牌的调度权,然 后由它发起对其他主站或所属从站的通信,其原理如图51.
4.2 数据特性
在NCS中,需要传输的数据可分为3类:周 期数据,猝发数据和非实时数据. 周期数据如各种传感器和控制器的I/O信号和 部分状态监测数据,它对时间有严格的要求,一 般不允许有秒级的时延.猝发数据如报警信号和 紧急操作指令,它对实时性的要求比周期数据更 高.非实时数据如用户编程数据和组态数据,他 对时间的要求并不严格,允许有一定时延,但这 类数据的长度较长且不确定,数据量较大,对带 宽的占用率较为敏感,一般以小型或微型文件的 形式出现.
4.网络控制系统的评价标准及数据特性
4.1 评价标准
对NCS的评价通常有两种标准:网络服务质量(QoS) 和系统控制性能(QoP). 网络服务质量的评价指标包括网络吞吐量,传输效率, 误码率,时延可预测性和任务可调度性. 系统控制性能的评价标准包括稳定性,快速性,准确 性,超调和振荡等要达到性能要求,仅靠传统的控制理论 是不够的,因为网络通信将一些不确定因素带入了闭环控 制,不再满足传统控制理论的理想假设. 从这两种评价标准出发,目前对NCS的研究有两条主 线:网络体系架构和控制器的设计.前者围绕网络服务质 量,从拓扑结构,任务调度算法和介质访问控制层协议等
定的最大网络延时,缺点是无法处理突发事件.解决方法 是在任务调度的剩余时间内放弃控制权,让其他结点有机 会发送猝发数据.该技术的典型代表协议是FF 和 WorldFIP.
5.2 辅助技术
(1)数据分类技术
这种技术是根据所传数据的类型和特性,对其通信过 程进行不同的处理,如WorldFIP将网络通信分为三类,分 别是:周期性通信,事件性通信和报文通信.通过这种分 类,WorldFIP对实时性要求高的周期通信的延时就可以设 计成确定的. 多数协议都才用数据分类技术与主导技术相结合,以 此满足不同数据的实时性要求.
3.5实时调度
长期以来,控制系统的设计和实时系统的发展是分开 的,几乎所有基于控制的系统设计都分为控制方案设计和 数字实现两个独立的步骤进行.这种分离虽然有一定的好 处,但也有其负面影响,那就是控制领域和实时调度的研 究人员对对方领域的研究缺乏了解. 实时调度就是将控制和调度结合起来,总的来说可以 分为两类:静态调度和动态调度.静态调度算法要求对任 务有完全的认识,既要求对任务的时限,计算时间,过程 约束和未来释放时间等有全面而准确的了解. 相对而言,动态调度算法就没有任务的完全信息,也 不知道任务的时间约束.例如:当动态算法在调度当前任 务的时候,并不知道新的任务将在未来什么时候到达.
(2)优先级集中控制技术
该技术的基本思想是给网络上的结点或不同的数据帧 分配不同的优先级,当发生通信信道竞争时,优先级高的 结点或数据帧获得信道访问控制权.例如WorldFIP根据数 据特征给3种数据分配不同的优先级,按周期性通信,事 件性通信和报文通信优先级依次递减. 一般情况下,猝发数据的优先级最高,然后是周期数 据和非实时数据.在令牌控制技术中,也可通过一定的算 法给令牌赋予不同的优先级,获得令牌的结点将要发送的 数据优先级与令牌的相比较,级别低相同或较高的可以发 送,从而实现动态调整.
2. 网络控制系统结构
网络控制系统有两种主要的结构:直接结构和递阶结 构.直接结构,它是由一个或多个控制器,被控对象及网 络组成.被控对象与传感器,执行器相连,而控制器与被 控对象可以分布在地理上不同的位置,所有的信号都通过 网络传输,直接构成反馈控制回路.其结构如图2-1. 递阶结构,它包含一个中央主控制器和一个或多个远 程的闭环被控系统.其结构如图2-2.
网络控制系统
姓名:黄其林 指导老师:葛芦生
1.概述
网络控制系统(Networked Control System)是随着 控制技术,网络通信技术以及计算机技术的发展逐渐发展 起来的,它是通过控制网络实现闭环控制回路的反馈控制 系统.它的一般定义是指通过计算机网络和总线将传感器, 执行器和控制单元作为网络系统连接起来共同完成控制任 务的系统. NCS的主要优点是系统连线少,可靠性高,结构灵活, 易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等.
数据采样
数据传输 N 传输及时? Y 数据有效? Y 启用该数据 5-2 TOD技术原理图 N 丢弃该数据
(4)多信道广播技术
这也是NCS中普遍采用的一种通信技术,它比请求应 答方式具有传输速度快,网络效率高的优点.特别是对组 态信息等公共数据,多信道广播技术就成为一种有效的通 信方式.此外,他也可用于周期数据和猝发数据,以满足 某些特殊要求,如强制同步指令等. FF协议的通信采用了发布者/各户模式,该模式就是 基于多信道广播的.在控制网链路上,由发布者发送的每 个报文都包含一个连接标志符,已经组态的预定者在收听 广播时可以识别其应收报文的连接识别符;如果此结点要 发送数据,则变为发布者.