网络化控制系统的几个主要问题及其分析

变不确定的，它可能是短时延，也可能是长 响到系统的性能，因而也应加以研究。
2.减少通信过程中的应答次数：即尽可
时延。定义1：若网络诱导时延在区间［0 a］ 二、控制网络分析
能采用同步传输方式。在异步传输方式中，
内分布，且a≤T，则称这样的网络诱导时延
一般而言，控制网络的拓扑结构必须 每传输一个字节双方就要联络应答一次，
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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。
为短时延，其中T为采样周期。定义2：若网络 能够使NCS中的各个网络节点 （如传感器、 这样有效数据的传输率非常低；同步传输
诱导时延在区间［0 a］内分布，且a>T，则称 控制器、执行器等）易于互连，且尽可能地 方式中，每传输一帧信息才会进行一次联
这样的网络诱导时延为长时延。
节省连线，便于维护。
络应答，有效数据传输率明显提高。在误码
综上所述，控制网络一般采用OSI七层 究现状与展望［J］.控制工程，2006，（04）.
4.信息调度
模式的简化结构—— —即三 层 网 络 协 议 结
［2］李志坤,段培永,宋波.网络化控制系
在网络化控制系统中，由于网络带宽 构：物理层、数据链路层和应用层。现今流 统研究现状与展望［J］.山东建筑工程学院
4.在不影响控制系统运行的情况下，尽
需要花费时间，当节点在规定的时间内仍然 的要求（苛刻的时间要求）。
量提高采样周期。
未能成功发送数据，则该数据将被丢弃。另
2.现场总线设备并不需要OSI地址。
5.合理设置网络节点数量，在不影响控
外，数据在网络传输过程中可能会发生错误
3.与OSI系统相关的网络接口对于用于 制系统运行的情况下尽量减少不必要的节
的限制，使得信息在系统中传输容易出现 行的一些控制网络如CAN总线等均采用这 学报，2005，（04）.
阻塞。因而有必要设计优化的信息调度方 种体系结构。
［3］傅磊，戴冠中.网络化控制系统的研
法来尽量避免网络中冲突和阻塞现象的发
评价网络系统是否满足实时控制需求 究综述［J］.计算机工程与应用,2005，（25）.
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
XIN KE CHENG XUE XI
2011 年 1 月 18 日
网络化控制系统的几个主要问题及其分析
文/王 淼
摘 要：随着Internet技术的持续发展，控制系统与网络通信系统的集成己成为控制网络技术的一个热点，为此提出了网络化控制 系统（NCS）。在传统的控制系统中加入网络作为通信媒介，使系统的性能有了大的改观，但同时也不可避免地带来一些问题。这些问题 的存在，不仅会降低系统的控制性能，而且还能引起系统的不稳定。
性都受到影响。
因为：
围的大小必须适合于控制的任务。这种方
3.数据包丢失
1.面向控制的信息通常十分有限，当要 法很适合于时间常数非常大、变化缓慢的
网络的阻塞和连接中断是导致数据包 求这些信息必须快速而可靠地到达目的站 被控对象（如炉温控制等）。
丢失的一个因素。由于节点竞争数据发送权 时，七层模式使数据转换远远慢于实时性
3.例行报告法：对毫无变化或变化很小
反馈数据只能反映系统的部分而非全部状 业控制通信网络中的最底层，考虑到控制 的数据量不进行重复传输，都以第一次传
态信息，而这种情况就是通信约束。由于通 网络的特殊性，在控制网络中使用的通信 输的数据为准。显然使用此方法之前需要
信约束的存在使得控制系统的性能和稳定 协议并不一定按照标准的七层模型实现， 为各个数据量设置一个基本范围，这个范
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
输间隔是固定的。令牌环使用的就是静态 足以下两个准则：有界的时滞、保证的传输。
1.网络诱导时延网络诱导时延通常是指 调度。动态调度是指在系统运行时动态决
生，从而减小网络数据诱导时延，减少数据 的性能指标主要有：访问延迟、传输时间
［4］李璋,方华京.网络化控制系统中新
包丢失等事件的发生。在一定程度上，网络 （Transmission Time）、 响 应 时 间（Response 型控制方法的研究［J］.计算机测量与控制,
调度策略的优劣会对闭环控制系统的性能 Time）、信息延迟（Message Delay）、信息冲突 2005，（08）.
三、减少NCS中控制网络负载的方法
由于网络的介入而使得控制系统的信息传 定数据发送优先级，因此传输间隔是时变
1.尽量缩减网络通信的层次和每层的
输产生的时延，是网络化控制系统研究中面 的。在网络资源有限的条件下，动态调度比 协议：如前所述，当前常用的控制网络的通
临的主要问题之一。通常，在进行系统建模 静态调度更能有效利用网络。当然除上述 信协议一般并不遵从OSI标准的七层模式，
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）
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2.通信约束
根据网络应用的不同层次，当前已经 率较低的网络中，甚至可以采用无连接、无
在大多数系统设计中，通过减小每次 提出了多种多样的通信协议，这些协议多 应答的方式，这样可以更进一步地减少无
通信信息量的方法，来避免有限带宽造成 数都是参照ISO颁布的OSI七层标准的开放 效数据量。
的时滞影响。则显然每次通过网络得到的 系 统 接 口 形 成 的 。一 般 控 制 网 络 属 于 工
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。