1、控制网络、网络控制与现场总线,目录,一.控制网络二.网络控制与现场总线三.总结,一.控制网络,目录1.1 什么是控制网络1.2 控制网络的作用1.3 控制网络的特点1.4 控制网络与现场总线,1.1.什么是控制网络,由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络以现场总线作为通信连接的纽带完成测量控制任务的网络系统、控制系统。,1.2 控制网络的作用,控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态、以及故障与报警信息等送往控制室同时，又将各种控制、维护、组态命令，等送往位于现场的测量控制现场设备在现场级控制设备之间起着数据联
2、系与信息沟通作用实现与操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享,1.3控制网络的特点,工作环境：控制网络要面临工业生产的强电磁干扰，各种机械振动、噪声、粉尘、严寒酷暑的野外工作环境。要求控制网络能适应这种恶劣工作环境。控制网络中传输的信息内容： 生产装置运行参数的测量值、控制量、开关阀门的工作位置、报警状态、系统配置组态、参数修改、零点量程调校信息、设备资源与维护信息等。,1.3 控制网络的特点,控制网络的数据传输量相对较小，传输速率相对较低，多为短帧传送。要求通信传输的实时性强，可靠性高。影响控制网络性能的因素：网络的拓扑结构、传输介质的种类与特性，介质访问控制方式、信号传输方式、网络与系
3、统管理等。,1.4 控制网络与现场总线,现场总线：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间进行双向、串行、多节点数字通信。,控制网络：由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络以现场总线作为通信连接的纽带完成测量控制任务的网络系统、控制系统,由具备通信能力的测量控制设备作为网络节点连接构成的能相互沟通信息，共同完成测控任务的网络系统.,1.4 控制网络与现场总线,图1-1 现场总线控制网络,二.网络控制系统与现场总线,2.1 网络控制系统2.2 网络控制系统的发展2.3 网络控制系的研究现状2.4 网络控制系统的特点2.5 网络
4、控制系统的结构2.6 网络控制系统中的基本问题2.7 网络控制系统时延补偿算法2.8 网络控制系统的未来研究方向与前景,目录,2.1 网络控制系统,通过网络形成闭环的反馈控制系统，称为网络控制系统（NCS），即控制系统中的控制器、传感器和执行器通过网络来交换控制及传感等信息。,2.1 网络控制系统,NCS强调在通信网络上建立闭环控制回路， 因此NCS 中的网络是一个广义的范畴， 包括现场总线、工业以太网、无线通信网络，甚至因特网。NCS 最主要的结构特点是系统的反馈通过网络构成闭环。,图2-1 NCS控制框图,在DCS出现之前,早期的计算机控制系统是直接数字控制(DDC)。所有的传感器和执行器
5、在这种控制系统结构的中都是与一台计算机实行点对点的连接。 20世纪70年代末:集散控制系统(DCS)诞生，计算机控制网络首次被引入到控制系统中。但在当时条件有限,对于传感器和执行器而言,只能发送和接收模拟信号,所以在传感器与控制器、控制器与执行器之间仍采用点对点连接的DDC控制结构。,2.2 网络控制系统的发展,2.2 网络控制系的发展,现场总线技术的高速发展和成功应用,解决了NCS的可靠性和开放性问题,促使NCS在航空航天设备制造、过程控制、经济管理、远程医疗以及危险、特殊环境等控制领域的广泛应用。,2.3 网络控制系的研究现状,目前,NCS研究主要有两大分支: 一个是源于计算机网络技术以提
6、高多媒体信息传输和远程通信服务质量(QoS)为目标。 一个是源于自动控制技术以满足系统稳定性及其他动态性能(QoP)为目标。 前者实现的是对网络的控制; 后者实现的是通过网络对系统的控制。,2.3 网络控制系的研究现状,当前网络控制系统在理论上和应用中都还处于初步阶段,其中多数方法的研究做了理想化假设。而大型工业生产过程具有多输入多输出、多采集频率、子系统高度祸合等复杂系统的特点,特别是在对可靠性要求很高的电力、化工、石油等复杂工业系统中,虽然迫切需要向网络控制系统过渡,但是目前还缺乏系统的理论和成熟的方案。,2.3 网络控制系的研究现状,网络控制系统在工业领域具有着广泛的实际应用背景,其智能
7、控制与信息调度问题是网络控制系统领域的一个富有挑战性的难题,国内外控制界在这方面的研究还需要进一步的努力。 迫切需要从智能控制理论出发,与信息优化调度理论相结合,建立综合的理论模型,并由此建立适用的控制方法,从而为复杂工业网络控制系统的实际工程设计提供有效的分析与研究工具。,2.4 网络控制系统的特点,结构网络化： NCS最显著的特点体现在网络体系结构上，它支持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与传统分层控制系统的递阶结构相比显得更加扁平和稳定；(2) 节点智能化：带有CPU的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调，每个节点都是组成网络的一个细胞，且具有各自相对独立的功能；,(3) 控制现
8、场化和功能分散化： 网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场设备上执行，使危险得到了分散，从而提高了系统的可靠性和安全性；(4) 系统开放化和产品集成化： NCS的开发遵循一定标准进行，是一个开放的系统。只要不同厂家根据统一标准来开发自己的产品，这些产品之间便能实现互操作和集成。,2.4 网络控制系统的特点,2.5 网络控制系统的结构,主要存在两种结构:径直结构和分层结构。 控制信号在径直结构中,被封装在帧或报文中,再经网络发送给被控对象:测量被控对象的传感器的数据也采用同样的方式,以帧或者数据包的形式,由网络发送至控制器。在实际的应用中,封装在一个主控单元的多个控制器可能用作管
9、理多个NCS控制回路。典型应用:远程学习实验室和直流电机的速度控制等。,图2-2 径直结构的NCS,2.5 网络控制系统的结构,图2-3 分层结构的NCS,主控制器在分层结构中,通过网络计算将已设好的参考信号发送给远程控制系统,远程系统再依据参考信号,来执行本地的闭环控制,并将传感器测量数据返回给主控制。一般对网络化控制回路而言,具有较本地控制回路更长的采样周期。典型应用：移动机器人、遥操作系统、汽车控制和航天器等领域。,2.5 网络控制系统的结构,图2-4 典型NCS结构图,无论是采用何种网络控制结构,对NCS而言,均可采用一种典型的基本结构来表示,如图所示。,2.6 网络控制系统中的基本问
10、题,NCS是通过网络形成的反馈控制系统。该类系统中，被控对象与控制器以及控制器与执行器之间是通过共享的通信网络相互连接的。这种网络化的控制模式具有信息资源共享、连接线数少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性及灵活性等优点，是未来控制系统的发展模式。 尽管NCS与传统控制系统相比有许多优点，但由于网络的介入，通信网络传输过程中出现一些不同的特点，因此在网络控制系统中存在一些不同于传统控制系统的基本问题，如节点的驱动方式、数据采样、网络诱导时延、单包及多包传输、数据包的丢失、网络调度等。,2.6 网络控制系统中的基本问题,2.6.1 网络控制系统的通信及通信协议,Internet,通信协议,无线
11、局域网,传感器网络,工业以太网,现场总线,图2-5 通信媒体类型,2.6 网络控制系统中的基本问题,2.6.2 节点驱动方式,图2-6 节点驱动,2.6 网络控制系统中的基本问题,2.6.2 节点驱动方式,时钟驱动：网络节点在一个事先确定的时间到时开始动作，事先确定的时间为节点动作的依据，如节点的采样时刻。（传感器采用）优点：实时性强缺点：设备多，易出现网络诱导时延、空采样、数据丢包等现象,2.6 网络控制系统中的基本问题,2.6.2 节点驱动方式,事件驱动：网络节点在一个特定的事件发生时开始动作，如网络节点通过数据网络从另外一个节点接受数据。（控制器和执行器两者均可）优点：减少等待时间，避免
12、了空采样、数据丢包等现象缺点：事件驱动不易实现,2.6 网络控制系统中的基本问题,2.6.3 多采样率,多采样率：是指控制系统中两个或两个以上的采样器以不同的采样周期进行采样。,原因：由于网络控制系统具有节点分散化、控制回路复杂化和功能多样化的特点，多个传感器采用相同的采样周期进行采样，已不能满足系统功能的需求。,图2-7 分级结构的网络控制系统,2.6 网络控制系统中的基本问题,2.6.4 数据包丢失,数据包丢失的情况,过载：网络带宽有限，负载较大，数据碰撞，网络拥塞和节点失败,主动丢弃：实时控制系统中，往往是将一定时间未到的数据包主动丢弃掉，保证信号有效性。,数据包丢失,数据包丢失,图2-
13、8 分级结构的网络控制系统,2.6 网络控制系统中的基本问题,2.6.5 网络调度,网络调度：是在网络控制系统中，系统节点在共享网络中发送数据出现碰撞时，规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔。目的：尽量避免网络中信息冲突和拥塞现象的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失，提高网络控制性能。,调度方法：,静态调度（离线调度）,动态调度（实时调度）,网络诱导时延：在网络控制系统中，多个网络节点共享网络信道。由于网络带宽有限且网络中的数据流量变化不规则，当多个节点通过网络交换数据时常常出现数据碰撞，多路径传输、连接中断、网络拥塞等现象。,2.6.6 网络诱导时延,2.6 网络控制系统中的基本问
14、题,特点：随机的，有界的，不确定的。,2.7 网络控制系统时延补偿算法,将通信网络加入到反馈回路,首先遇到的问题就是网络诱导时延。传感器控制器时延和控制器执行器时延问题,它们在共享介质的装置间交换数据时发生。这种时延既可能为定常的,也可能是时变的,如在设计控制系统时不考虑这种时延将降低控制系统的性能,甚至使系统不稳定。,2.7 网络控制系统时延补偿算法,图2-9 具有传输延时的闭环网络控制系统,可看出,控制器,执行器和传感器分别处于不同的空间,其间用网络相互连接在一起,网络中,控制器与执行器之间的延时用: 表示。传感器与控制器之间的延时用: 表示。对于上面具有时间延迟的网络控制系统,由于时间延
15、迟是变化的,因此要对其进行确定性设计是很困难的。,2.7 网络控制系统时延补偿算法,作出以下假设:(l)网络中各节点都是时钟同步,这可通过网络上定时发送高级优先的同步信号实现；(2)控制器、执行器和传感器都是时钟驱动,且具有相同的采样周期;(3)网络中的延时 和 合并为 ；(4)本文只考虑单输入单输出模型；,2.7 网络控制系统时延补偿算法,设被控过程的模型为y(t)=u(t-k)*y(t-l)R+v( ) （3.1）式(3.1)中y(t)和y(t-l)分别表示在时刻t和(t-l)上被控过程的传感器器输出,u(t-k)表示在时刻（t-k）上被控控制器的输出，v(t)为作用在被控过程上由于时延
16、造成的不确定量,R为直积u（t-k）*y(t-l)上的模糊关系。即,算法设计：,（3.2）,在式(3.2)中,u为控制器输出U中的元素,y为传感器输出Y中的元素,夕。(i=1,2,:j=1,2,n)是对于u(t一k)第i级,少(t一l)第j级时的y(t)值,2.7 网络控制系统时延补偿算法,在控制器与传感器的输出中任何一项均不为零的情况下,模糊关系R可作如下等价变换,即,（3.3）,在式(3.3)中,（3.4）,设v( )的方差为有限值,即,（3.5）,由（3.1），求得,（3.6）,2.7 网络控制系统时延补偿算法,算法仿真参考,图2-10 不带补偿的响应曲线,图2-11 带补偿的响应曲线,
17、图中可以看出, 所用的方法比不用此方法的控制效果要好,减小了系统的超调量,系统的调节时间同时也变小了。改善了时延对系统性能的影响,提高了系统的控制精度。,2.8 网络控制系统的未来研究方向与前景,NCS作为一种新的研究课题，从提出至今已经取得了一定的成果，但还有许多问题需要进一步研究和解决。 1.NCS以网络为基础，网络的性能直接影响NCS的应用，如网络延时、网络拥塞、误码和丢包等；各种通信协议没有统一，与广泛采用的TCP/IP协议不兼容，其间需要复杂的转换。 2.作为一种控制系统，控制性能同样非常重要，现有的NCS模型和控制技术有其各自的优点，但一般只适用于特定的网络类型和控制对象。部分方法
18、采用一些理想假设，在实际应用中遇到很多问题。如何实现对基于网络的非线性动态系统建模和控制，分析网络时延随机分布特性对控制系统性能的影响等是今后研究的重点；,2.8 网络控制系统的未来研究方向与前景,总之，无论是从控制策略的设计还是从网络资源的调度来看，NCS的研究还远远不够，理论研究的进展仍然不能与技术应用现状和迫切需求相适应。针对NCS的特点，进一步探索适合NCS的研究方法和技术是基于网络的控制系统理论研究方向之一。NCS存在的问题为今后控制领域的发展提供了新的机遇与挑战。NCS是综合了网络和通信技术发展起来的，因而相关技术的发展也将是今后研究的重点，如网络的体系结构、通信协议、网络调度、传输延迟，网络的实时性、安全性、操作性等。,三. 总结,随着计算机、信息技术的飞速发展，21世纪世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代加快。在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域，我们更应该相信现场总线的发展必将对控制网络、网络控制系统的发展起到极大的推动作用。,Thank you!,
