网络控制系统的分析.ppt

第一页，共十六页，2022年，8月28日 网络控制系统问题概述 计算机网络、控制技术及网络技术的不断发展→控制系统结构变化 网络取代了传统的点对点结构，工业控制网络的发展为实现系统的网络化控制提供了可能与条件，同时也给控制系统的分析与设计带来了新的问题和挑战。 NCS（网络控制系统）：通过网络形成闭环的反馈控制系统，结构图6－1 网络诱导时延：节点在通过网络交换数据时产生 ：传感器－控制器时延 ：控制器－执行器时延 第二页，共十六页，2022年，8月28日 NCS优点（与传统结构相比）： 可实现资源共享、远程操作与控制、较高的诊断能力、安装与维护方便、减少系统的重量和体积、增加系统的灵活性、柔韧性和可靠性 带来的问题： 资源竞争、网络拥塞→传输时延、数据包丢失 采用不同的网络协议→时延具有不同性质 第三页，共十六页，2022年，8月28日 网络控制系统中的基本问题 1、时变传输周期 传统为等周期采样，NCS取决于控制网络的MAC协议（可为周期，也可为非周期）。MAC协议分为两类： －随机存取方式：CSMA －调度方式：令牌环、时分多路访问 2、网络调度 控制环的性能取决于： －控制算法 －对共享的网络资源的调度 网络调度发生在网络用户层，它只关心传输数据的快慢及优先权 第四页，共十六页，2022年，8月28日 调度控制：调度控制环的采样周期和采样时刻，尽量避免碰撞，减少传输时延 如何有效到达、堵塞问题→线路优化、堵塞控制算法 3、网络时延 多用户共享通信线路、流量变化不规则→网络诱导时延→降低系统性能，甚至引起系统不稳定 4、单包传输和多包传输 单包传输：传感器、控制器的一个待发送数据被捆在一个数据包中一起发送 多包传输：传感器、控制器的一个待发送数据被分成多个数据包进行传输 使用多包传输原因： －单包字节大小的限制 －传感器、执行器分布在一个很大的空间 第五页，共十六页，2022年，8月28日 传统采样系统：输出和控制输入同时传递 NCS：多包需多次传送，不可能同时传递 5、数据包的时序错乱 原因：被传输的数据流经众多计算机和通信设备且路径不唯一 在NCS中，数据包的时序错乱分两种情况： －单包情况：数据完整，发送时序和到达时序不同 －多包情况：数据被分割，发送时序和到达时序不同 6、数据包的丢失 网络阻塞、连接中断→数据包丢失 7、节点的驱动方式 两种：时钟驱动（传感器）和事件驱动，控制器和执行器两种均可使用。 第六页，共十六页，2022年，8月28日 事件驱动优点： －减少了网络诱导时延 －避免了时钟同步困难 －避免了无效采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率 8、时钟同步 控制器、执行器任一为时钟驱动→时钟同步问题 分两类：硬件同步、软件同步。NCS多采用软件同步方式，一般通过在网络上定时广播同步时钟的方式实现。 第七页，共十六页，2022年，8月28日 NCS中的时延组成分析 网络时延可分为传感器－控制器时延和控制器－执行器时延两部分。 当数据由源节点发向目标节点时的时延组成： －源节点和目标节点的数据处理时间：传感器 、控制器 、执行器 －在源节点等待网络空闲的数据等待时间：传感器 、控制器 －通信线路中的传输时间：直接发送可忽略，若还需通过其他设备则不可忽略 传感器至控制器 、控制器至执行器 －在目标节点等待被采样时间，为事件驱动时该时间为0。控制器 、执行器 第八页，共十六页，2022年，8月28日 定义1：在NCS中，将传感器采样到某数据的时刻起，至该数据开始被控制器处理的这段时间称为传感器－控制器时延 定义2：在NCS中，将控制器产生某控制信号的时刻起，至该控制信号被执行器处理的这段时间称为控制器－执行器时延 网络控制系统的拥塞问题 网络主要强调的是比特流传输的信号，数据量及数据速率是次要的。 一个控制网络控制网络至少应有3个节点，来自各节点的对象输出常常是耦合的，存在不同时间标尺的输出，因此信息拥塞是共同问题。 第九页，共十六页，2022年，8月28日 网络速度高而通信量少时，反馈环信息的时延很短，控制系统与网络之间的接口可通过OSI模型实现，可不考虑网络的存在而采用传统的设计方法。 控制网上的信息包：数据段长度所占信息包的利用率≤50％ 因而用有限通信信道传输数据不能应用于网络控制系统→网络实时调度 网络控制系统的调度 可分为静态调度和动态调度两种。 1、静态调度 在系统运行之前分配通信信道，并且不出现调度的偏差，此种调度称为静态调度。 实现方法：令牌与其他方法 第十页，共十六页，2022年，8月28日 不期望的时间加载到网络→输出端产生变化→报警和反馈数据、传感器的重要信息需及时传送→网络资源匮乏 因而静态调度要求时间平稳变化 静态调度周期（