网络控制系统的分析课件.ppt

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1、网络控制系统的分析第1页，此课件共16页哦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61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，此课件共16页哦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

2、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，此课件共16页哦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，此课件共16页哦调度控制：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

3、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，此课件共16页哦传统采样系统：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

4、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，此课件共16页哦事件驱动优点：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，此课件共16页哦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

5、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，此课件共16页哦定义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，此课

6、件共16页哦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，此课件共16页哦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（N）：传输帧模式的长度N，每N次

7、连续访问形成一个重复周期。在一个周期内，所有节点至少被访问一次。2、动态调度决定了系统运行时的网络分配位判优技术：每个节点都要估计本地数据的重要性，并且将这个估计编码送到辨识器，从而通过一定的规则获得传输权如果数据包不能获得访问网络的权利，将被丢弃，下一个时间使用新的数据包。第11页，此课件共16页哦在每个传输时间，具有最高优先级的节点可以传输，有信息级别相同时，用最小有效位译码预先指定的节点顺序解决碰撞。控制网络技术实际上是一种实时网络技术，它的性能改进要靠分配队列与进行动态的网络传输调度来达到，利用预测估计与线性预测编码技术在通信事件之间插入数据是未来的发展方向。第12页，此课件共16页哦

8、网络控制系统稳定性概述控制网络中，对NCS产生影响的因素主要有：信息的最大允许传输更新间隔h、采样率、数据包丢失率、由网络引起的数据传输时延等。在网络控制系统的设计和分析中应考虑的问题：1、网络时延、采样率的选择2、网络具有不完全可靠传输路径特征，会存在丢包现象，应考虑数据包的丢失率3、保证系统稳定的前提下，确定传感器与执行器之间数据信息传递的最大时间间隔常用两类分析设计方法：不考虑时延和数据包丢失的情况下先直接对控制系统进行分析，设计通信协议时考虑以上因素把网络协议和网络流量看成一种给定的情况进行分析，在这种情况下进行控制策略的研究第13页，此课件共16页哦时延对网络控制系统的影响MAC协议

9、不同，网络时延不同，可以是固定的，也可能是时变的、随机的。随机访问协议：CSMA，设备网、以太网采用调度访问协议：令牌传送、时分多址访问协议随机时延的存在常规的控制系统分析与设计方法不再适用控制器、观测器的设计存在网络时延的闭环系统模型具有时延的网络控制系统模型结构图65 ：当传感器和控制器的时序同步且信息的传输是时间驱动时，该时延是可知的 ：控制器、执行器使用事件驱动方式，控制器无法获得控制信号到达执行器的时间，是不可知的第14页，此课件共16页哦观测器基本功能：能作为传统观测器使用，能根据部分状态数据来估计被控对象的全状态能通过对时延的 补偿来获得更准确的预测估计采样速率对网络控制系统稳定

10、性的影响采样速率快接近连续系统控制但在网络系统中：采样速率快加大网络的负载采样速率小加大信号的时延连续控制、网络控制、离散控制性能比较图67连续控制：不存在实际意义上的采样，性能固定离散控制：若无其他不确定因素，性能取决于所采用的采样频率第15页，此课件共16页哦网络控制：性能取决于采样周期和速率，可由系统状态方程推导数据包丢失对网络控制系统稳定性的影响单包传输：以太网，在一个数据包里一次性传输多达1500字节的数据多包传输：设备网，数据一般最大只有8B数据包丢失：发生在传输中出现节点错误或信息碰撞时，虽有重发机制，但重发有时限限制，超过时限数据包就丢失了采样反馈控制系统允许部分数据的丢失，但过多的数据包丢失有可能引起系统的不稳定。第16页，此课件共16页哦