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�(wǎng)絡控制系�(tǒng)
閱讀�10946時間�2010-12-21 11:24:26

  �(wǎng)絡控制系�(tǒng)(Networked Control Systems,NCS�,又稱為網(wǎng)絡化的控制系�(tǒng),是一種全分布、網(wǎng)絡化實時反饋控制系統(tǒng)。它是指某區(qū)域現(xiàn)�傳感��控制��(zhí)行器通信�(wǎng)絡的集合,用以提供設(shè)備之間的�(shù)�(jù)傳輸,使該區(qū)域內(nèi)不同地點的用戶實�(xiàn)資源共享和協(xié)�(diào)操作�

NCS控制器設(shè)計方�

  雖然對網(wǎng)絡時延系�(tǒng)的分析與建模的研究不� �(fā)�, 由于在NCS 中的分布式時間延�, 使得�(xiàn) 有的方法不能直接應用于NCS。解決網(wǎng)絡延時問� 有兩種途徑: 一是在不考慮延時的情況下�(shè)計控� �, 應用�(diào)度算法設(shè)法保證信息的實時�, 確保� �(tǒng)的穩(wěn)定和性能這時�(wǎng)絡調(diào)度問�; 二是在考慮�(wǎng) 絡延時的影響, �(shè)計控制算�, 使其在延時存在甚 至不確定的情況下能正常工�, 并保證一定的性能 指標, 即這里討論的控制器�(shè)計問��

  NCS 控制器設(shè)計的難點在于:

 ?、偃绾螠p少時延及其不確定性和�(shè)計延時預報算��

 ?、趯Ψ植际綍r延的有效補償問題;

 ?、蹖Ρ豢貙ο蟠嬖诓淮_定性或非線性時, 如何 處理�

 ?、軐τ贛IMO 系統(tǒng), 如何對傳輸時延建模和�(shè) 計控制器�

  目前, 針對�(wǎng)絡控制系�(tǒng)的控制器�(shè)計方法主要有:

 ?、俅_定性控制設(shè)計方� 應用確定性設(shè)計方法應首先將隨機時變延遲轉(zhuǎn) 化為固定延遲, 然后針對�(zhuǎn)化后的固定延遲設(shè)計控 制器�

  Rogelio 針對模型(時間�(qū)�) 提出了基于觀 測器的分布延遲補償器。在該補償器算法�, � 先在控制器和�(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū), 將時 變的傳輸延遲�(zhuǎn)化為固定的傳輸延遲。其�(yōu)點是� 用已有的確定性系�(tǒng)�(shè)計和分析方法對閉�(huán)�(wǎng)絡控 制系�(tǒng)進行�(shè)計和分析, 不受延遲特性變化的� �; 其缺點是將所有延遲都�(zhuǎn)化為延遲, 人為 地將傳輸延遲擴大�, 因此降低了系�(tǒng)應有的控� 性能� 中已�(jīng)證明, 對于具有隨機� 輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng), 若按傳輸延遲來設(shè)� 控制�, 則所得閉�(huán)控制系統(tǒng)不一定穩(wěn)��

 ?、陔S機控制設(shè)計方� 應用隨機控制的方法關(guān)鍵在于對�(wǎng)絡延時的� 理建模和估計, 將網(wǎng)絡延時作為系�(tǒng)中的隨機變量 或隨機過�, �(shè)計隨機控制律� Ray 對隨機時變分布延遲下的輸出反饋時延網(wǎng) 絡系�(tǒng)進行研究, 基于最小方差濾波器和動�(tài)�(guī)� 原理, 得到了具有隨機延遲補�?shù)腖QR 控制� (DCLQR) , 但不滿足確定性等價原� �

  于之訓對控制器是事件�(qū)動的, 在τsc k 第k � 傳感器到控制器之間的延遲未知的情況下, 基于� �(tài)�(guī)劃和控制理論, 得出了使系統(tǒng)均方指數(shù)�(wěn) 定的控制��

  Nilsson 利用模型(3) , 即傳感器采用時間�(qū) �, 控制器和�(zhí)行器采用事件�(qū)動的工作方式。假 �(shè)時延的概率分布已�, 且不超過一個采樣周�, 并利用Marcov 鏈對時延的概率分布進行了建�, 給出了閉�(huán)�(wǎng)絡系�(tǒng)的LQG 隨機控制�, � 控制律滿足確定性等價原理。Wei Zhen 針對�(wǎng)絡時延分布未知的情況, 改進了Nilsson 的LQG 控制�, 提出時延在線估計方法 ———平均時延窗�(ADW, Average Delays Window) 方法。該方法無需�(wǎng)絡時鐘同步和延時補償, 即可 獲得延時信息。并�10 kbitPs 的CAN 總線上進行 了實驗研��

  Wei Zhang 針對�(wǎng)絡控制系�(tǒng)中普遍存在的� 訊延遲問�, 對于控制器是時間�(qū)動的, 利用在控 制器和執(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)的方�, 提出 了一種延遲補償器�(jié)�(gòu), 該結(jié)�(gòu)可同時實�(xiàn)對噪� 的濾波處理�

  于之訓針對控制網(wǎng)絡中的隨機傳輸延�, 提出 控制器節(jié)點采用事件驅(qū)動的方式, 同時在傳感器� 控制器節(jié)點發(fā)送端�(shè)置發(fā)送緩沖區(qū), 以確保信息按 �(chǎn)生的時間先后依次到達接收�, 采用這種控制� �, 利用傳輸延遲的Markov 特�, 得到了具有多 步隨機傳輸延遲的�(wǎng)絡控制系�(tǒng)的數(shù)學模�。并� 到了滿足給定二次型性能指標的控制律的解� 表達�, 成功地解決了原來事件�(qū)動模式下對這類 �(wǎng)絡控制系�(tǒng)無法獲取其解析隨機控制律的難題�

  Feng2Li Lian 針對MIMO �(wǎng)絡控制系�(tǒng)進行� 時延分析和建�, 并設(shè)計了控制��

 ?、壑悄芸刂圃O(shè)計方� 控制和智能控制對于解決變化的問題和情 況有較好的適應能�, 因此可以用智能控制和先� 控制策略解決時延不確定和時延補償問題, 以提� 系統(tǒng)的魯棒性� Kyung Chang 針對基于Profibus2DP 的網(wǎng)絡控� 系統(tǒng), 在考慮傳輸遲延的基�(chǔ)�, �(shè)計了基于遺傳 算法(Genetic Algorithm) 對PID 參數(shù)進行整定的控 制器, 并對馬達的控制進行了實驗研��

  Suk Lee 利用模糊(Fuzzy) 控制魯棒性較好的 特�, �(shè)計了基于模糊邏輯的控制器, 并與傳統(tǒng)� PID 控制器和時延補償PID 控制器進行了比�, � 明了模糊控制的效果優(yōu)于傳�(tǒng)控制方法�

  Almutairi 研究了基于IP �(wǎng)絡的控制系統(tǒng), � 用對�(wǎng)絡延時的補償來提高系�(tǒng)的性能。首� 利用Fuzzy 理論�(shè)計了模糊補償�, 直接對PI 控制 器的參數(shù)進行整定, 并給出了離線和在線的整定� �。進一步又考慮對模糊規(guī)則參�(shù)的自適應�(diào)�, 并對馬達進行了仿真實��

  任長清對基于互聯(lián)�(wǎng)的液壓遠程控制進行了研 �, 為了解決不確定性變化的�(wǎng)絡延時對系統(tǒng)性能的影�, 在系�(tǒng)中設(shè)計了補償器結(jié)�(gòu)解決�(wǎng)絡延� 問題, 同時采用延時預測算法解決�(wǎng)絡延時不確定 性變化的問題, 以改善系�(tǒng)的動�(tài)性能和保持系�(tǒng) 的穩(wěn)定性�

  王曉峰研究了基于TCPPIP �(wǎng)絡的遠程伺服� 制系�(tǒng), 提出的動�(tài)模糊控制器可按網(wǎng)絡中不斷� 化的傳輸延時, 根據(jù)參數(shù)庫不斷調(diào)整其控制� �(shù), 使系�(tǒng)保持�(wěn)定并使輸出達到一定的性能指標 要求[19 ] � ④魯棒控制設(shè)計方� 魯棒控制理論是針對實際工程中模型不確定� �(fā)展起來的, 因此對于此類問題可以直接應用魯棒 控制器的�(shè)計方法來解決�

  采用該方法的�(guān)鍵是要將時延�(huán)節(jié)�(zhuǎn)化為系統(tǒng) 的一個不確定�, 同時可以考慮被控對象本身的不 確定�, 然后針對�(zhuǎn)化后的系�(tǒng)�(shè)計魯棒控制器, 這樣�(shè)計出的控制器能同時保證NCS 的魯棒穩(wěn)� 性和魯棒性能指標, 該性能指標是確定性的性能� �, 而不是概率意義上的性能指標�

  由于NCS 實際為采樣控制系�(tǒng), 所以其等價 模型為離散形式的, 要使用采樣系�(tǒng)魯棒控制器的 �(shè)計理�。當�, 在系�(tǒng)的采樣時間遠小于系統(tǒng)� 時間常數(shù)的情況下, 可以近似地將整個采樣系�(tǒng)� 作是一個準連續(xù)系統(tǒng), 這樣做得出的�(jié)果可能比� 保守�

  于之訓等將H∞和μ綜合的方法引入控制器的設(shè)�, 文中給出了將傳輸延遲的不確定性轉(zhuǎn)化為不確定塊的等價框�, 并用MATLAB 的μ分析和� 合工具箱�(shè)計了魯棒控制�, 使得閉環(huán)系統(tǒng)具有� 好的抗干擾能力�

  從目前的研究情況�, 分析和設(shè)計網(wǎng)絡控制器逐漸由單變量到多變量、由確定到隨�、由�(jīng)典控 制理論到智能控制理論和控制算法發(fā)展� 但這僅僅是個開�, 到目前為止還沒有一套系 �(tǒng)的方法用于分�、建�、設(shè)計整個網(wǎng)絡控制系�(tǒng), 而且�(wǎng)絡控制系�(tǒng)的體系結(jié)�(gòu)也還在不斷發(fā)� 變化, 目前的方法基本上集中在網(wǎng)絡時延不超過一 個采樣周期的情況, 而對其他情況的研究還有待� 入�

NCS的可靠性與安全�

  與傳�(tǒng)的控制系�(tǒng)相比, NCS 由于系統(tǒng)�(jié)�(gòu)� �, �(shè)備與連線減少, 提高了可靠�。但NCS 通常為一總線�(shè)計方�, 所有設(shè)備掛于總線上, 如果 主干�(wǎng)受損, 應考慮其對�。而且�(wǎng)絡數(shù)�(jù)傳輸� 程中的誤碼現(xiàn)象也應加以考慮�

  各種�(shè)備的�(lián)�(wǎng)� 控制系統(tǒng)的安全提出了新的挑戰(zhàn), 既包括設(shè)備的� 全性又包括信息的安全�。尤其是基于Internet � �(yè)控制以太�(wǎng)的出�(xiàn)和遠程控制的應用, 更需要在 這方面進行研究� 隨著控制系統(tǒng)向大型化和網(wǎng)絡化�(fā)�, �(wǎng)絡控 制系�(tǒng)的故障診斷和容錯控制已成為一個新的研��

  在工程實�(xiàn)�, NCS 對安全性和可靠性要� 很高, 如果某些微小故障不能及時排出, 將造成� 大的災難和損�� 針對NCS 的隨機延�, 提出� 延時估計和在線獲得延時數(shù)�(jù)的方�, 建立了控� 對象的數(shù)學模�, 利用z 變換來處理延�, 由等� �(guān)系產(chǎn)生殘�, 通過參數(shù)�(shè)計解耦干擾向�, 從� 對NCS 的控制故障進行了診�, 并給出了仿真�(jié)��

 

NCS整體性能的優(yōu)化和提高

  NCS 作為一個包括網(wǎng)絡與控制的整�, 其性能 既包括網(wǎng)絡性能又包括控制性能, 但最終的目的� �(yōu)化和提高整個NCS 的性能�

  1、協(xié)同考慮控制與調(diào)�

  NCS 是有�(wǎng)絡和控制組成的控制系�(tǒng), 其閉�(huán) 性能不僅依賴于控制算法的�(shè)�, 還依賴于對網(wǎng)� 資源的調(diào)�。大多數(shù)研究集中于兩個方面[22 ] : � 信協(xié)議和控制器的�(shè)計。合適的傳輸�(xié)議可以保� �(wǎng)絡的服務�(zhì)�(QoS , Quality of Service) , 而先� 控制器設(shè)計是為了保證控制的品�(zhì)(QoP , Quality of Performance) 。由于網(wǎng)絡和控制的內(nèi)在聯(lián)�, � NCS �, 有必要同時考慮�(wǎng)絡和控制的參�(shù), 以保 證網(wǎng)絡的QoS 和控制的QoP。同時也應該看到, � 使能達到�(wǎng)絡的QoS , 也不一定能保證控制的QoP� 綜合這兩個方�, �(shè)計智能型的可同時�(yōu)化網(wǎng)絡調(diào) 度和控制器參�(shù)的算�, 目前還不多見�

  � 是采樣時間對連續(xù)、數(shù)字和�(wǎng)絡控制系�(tǒng) 的性能影響的曲��

連續(xù)、數(shù)字和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的性能比較

  � 連續(xù)、數(shù)字和�(wǎng)絡控制系�(tǒng)的性能比較

  從圖中可以看�, �(shù)字控制系�(tǒng)的性能隨著采樣時間的減小逐漸提高; 而對于網(wǎng)絡控制系�(tǒng)而言, 則是在一定的� 樣時�(B點以�) �(nèi), 性能逐漸提高, 在B 和C之間, 達到較為理想的性能, 但隨著采樣時間的減小, 并未像數(shù)字控制系�(tǒng)一樣繼�(xù)提高, 而是呈下降趨�。這主要是因為�(wǎng)絡控制系�(tǒng)帶寬的限制導致的, 隨著采樣時間的減�, 更多更頻繁的�(shù)�(jù)傳輸 導致�(wǎng)絡QoS 的降�, 從而影響了控制的效果� 文獻[23 ] 中討論了采樣時間和網(wǎng)絡帶寬對系統(tǒng)�(wěn)定性和性能的影�, 并給出了選取原則�

  同時 指出NCS性能的提高可分為兩部�。首先是盡可 能減少設(shè)備處理時間以及改進網(wǎng)絡協(xié)議以進一步保證傳輸時間的確定性并減少傳輸延遲。其他提高系 �(tǒng)性能的方法有采用先進控制或魯棒控制器的�(shè)�, 這些都能克服NCS 系統(tǒng)的不確定性并取得最 好的控制效果。這些改進可使網(wǎng)絡控制系�(tǒng)的性能 曲線�(yōu)于數(shù)字控��

  2、并行計算在NCS 中的應用

  先進控制因其具有許多優(yōu)異的性能, 越來越多 的受到人們的重視。但由于先進控制算法中存在大量的矩陣和迭代等大�(guī)模運�, 使得計算量大大增 �, 勢必導致算法的執(zhí)行時間增�, 常導致在一� 采樣周期�(nèi)不能完成, 使得無法滿足實時控制的要求�

  計算需求是并行處理技�(shù)�(fā)展的動力, 而控制系�(tǒng)中更多的應用先進和智能控制策略, 存在大量費時的計算密集問�, 將并行計算技�(shù)應用到控制系�(tǒng)�, 可以解決控制算法過于復雜而難以具體在工業(yè)�(xiàn)場應用的問題�

  并行計算需要多處理器協(xié)同工作和相互通信, �(wǎng)絡控制系�(tǒng)的出�(xiàn)無疑為此提供了必要的軟硬� �(huán)境。如何在NCS 中應用并行計算以獲得理想的先進控制效果是值得研究�。應用先進控制并行計 算技�(shù)的難點之一是如何設(shè)計適合于控制系統(tǒng)的并 行算�, 因為在傳�(tǒng)計算機控制系�(tǒng)�, 控制算法 都是工作在單處理器上�, 是串行算法。如果要� 用并行計�, 就要重新�(shè)計控制算法使之適合于� 行計�, 充分�(fā)揮并行計算的�(yōu)��

  中總�(jié)了并行計算技�(shù)在控制領(lǐng)� 應用的現(xiàn)狀, 提出了在�(wǎng)絡控制系�(tǒng)中直接使用并 行計算技�(shù)以縮短控制算法的�(zhí)行時�、提高控� 器的性能的新思路;比較了當今流行的并行計算機之一———工作站集群(NoW, Network of Worksta2 tion) 與現(xiàn)代控制系�(tǒng)在結(jié)�(gòu)上的相似之處, 得出 可以在現(xiàn)代控制系�(tǒng)中實�(xiàn)并行計算的結(jié)��

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