第1页，共16页，星期日，2025年，2月5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2页，共16页，星期日，2025年，2月5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3页，共16页，星期日，2025年，2月5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4页，共16页，星期日，2025年，2月5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5页，共16页，星期日，2025年，2月5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6页，共16页，星期日，2025年，2月5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7页，共16页，星期日，2025年，2月5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8页，共16页，星期日，2025年，2月5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9页，共16页，星期日，2025年，2月5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10页，共16页，星期日，2025年，2月5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