網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

內(nèi)容概要

俞立等編著的《網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——切換系統(tǒng)處理方法》結(jié)合作者的研究工作，詳細(xì)介紹了基于切換系統(tǒng)處理的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計(jì)方法。介紹了具有時(shí)延、丟包和通信受限網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)需要解決的幾個(gè)根本問題，切換系統(tǒng)的一些基本概念和主要分析方法；重點(diǎn)介紹了具有時(shí)變時(shí)延網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)方法，提出了解決指數(shù)時(shí)變項(xiàng)和時(shí)序錯(cuò)亂的一些有效方法；介紹了具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模、分析、穩(wěn)定化控制器和濾波器的設(shè)計(jì)方法，建立了丟包過程特征參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的定量關(guān)系；分析了具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)采樣周期與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系；介紹了具有通信受限網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定化控制器和濾波器的設(shè)計(jì)方法；最后還介紹了TrueTime工具箱。
《網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——切換系統(tǒng)處理方法》可作為從事自動(dòng)控制工作的科研人員、工程技術(shù)人員，以及高等院校自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)教師、高年級(jí)本科生和研究生的參考用書。

書籍目錄

《信息化與工業(yè)化兩化融合研究與應(yīng)用叢書》序
前言
主要符號(hào)對(duì)照表
第1章  緒論
  1.1  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的提出和含義
  1.2  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程
  1.3  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的構(gòu)架
    1.3.1  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)
    1.3.2  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制模式
  1.4  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基本問題
  1.5  時(shí)延、丟包和通信受限問題的處理方法
    1.5.1  時(shí)延問題
    1.5.2  丟包問題
    1.5.3  通信受限問題
  1.6  本書主要內(nèi)容
  參考文獻(xiàn)
第2章  切換系統(tǒng)概述
  2.1  切換系統(tǒng)的一些基本概念
    2.1.1  概述
    2.1.2  切換系統(tǒng)的分類
  2.2  切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性
    2.2.1  關(guān)于切換系統(tǒng)穩(wěn)定性的兩個(gè)基本問題
    2.2.2  單Lyapunov函數(shù)和多Lyapunov函數(shù)
    2.2.3  連續(xù)時(shí)間線性切換系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定性分析
    2.2.4  離散時(shí)間線性切換系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定性分析
  2.3  總結(jié)與討論
  參考文獻(xiàn)
第3章  具有時(shí)變短時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)
  3.1  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模
  3.2  指數(shù)穩(wěn)定性分析
  3.3  穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)
  3.4  示例
  3.5  總結(jié)與討論
  參考文獻(xiàn)
第4章  具有時(shí)變長(zhǎng)時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)
  4.1  大時(shí)延發(fā)生率與網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系
    4.1.1  問題描述
    4.1.2  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模
    4.1.3  指數(shù)穩(wěn)定性分析
    4.1.4  穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)
    4.1.5  示例
  4.2  大時(shí)延擾動(dòng)下的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)魯棒控制
    4.2.1  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的M-△結(jié)構(gòu)描述
    4.2.2  輸入輸出穩(wěn)定性分析
    4.2.3  穩(wěn)定化狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)
    4.2.4  示例
  4.3  總結(jié)與討論
  參考文獻(xiàn)
第5章  具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)
  5.1  具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制
    5.1.1  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模
    5.1.2  指數(shù)穩(wěn)定性分析
    5.1.3  保性能狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)
    5.1.4  示例
  5.2  具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)輸出反饋控制
    5.2.1  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模
    5.2.2  指數(shù)穩(wěn)定性分析
    5.2.3  輸出反饋控制器設(shè)計(jì)
    5.2.4  示例
  5.3  總結(jié)與討論
  參考文獻(xiàn)
第6章  同時(shí)具有丟包和時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制
  6.1  問題描述與系統(tǒng)建模
  6.2  指數(shù)穩(wěn)定性分析
  6.3  狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)
  6.4  示例
  6.5  總結(jié)與討論
  參考文獻(xiàn)
第7章  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)性能與采樣周期之間的關(guān)系
  7.1  網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的建模
  7.2  指數(shù)穩(wěn)定性分析
  7.3  狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)
  7.4  示例
  7.5  總結(jié)與討論
  參考文獻(xiàn)
第8章  具有丟包的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)H∞濾波
  8.1  問題描述與系統(tǒng)建模
  8.2  H∞濾波性能分析
  8.3  H∞濾波器設(shè)計(jì)
  8.4  示例
  8.5  總結(jié)與討論
  參考文獻(xiàn)
第9章  具有通信受限網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制與濾波
  9.1  通信序列方法
  9.2  具有通信受限和分布式時(shí)延網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的調(diào)度策略與控制協(xié)同設(shè)計(jì)
    9.2.1  問題描述
    9.2.2  時(shí)序分析
    9.2.3  閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)模型
    9.2.4  穩(wěn)定性分析
    9.2.5  控制器與調(diào)度策略協(xié)同設(shè)計(jì)
    9.2.6  示例
  9.3  具有通信受限網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的H∞濾波
    9.3.1  濾波誤差系統(tǒng)模型的建立
    9.3.2  濾波誤差系統(tǒng)的H∞性能分析
    9.3.3  H∞濾波器設(shè)計(jì)
    9.3.4  示例
  9.4  總結(jié)與展望
  參考文獻(xiàn)
附錄A  TrueTime工具箱介紹與案例設(shè)計(jì)
  A.1  TrueTime工具箱簡(jiǎn)介
    A.1.1  安裝和編譯流程
    A.1.2  主要模塊介紹
  A.2  仿真案例設(shè)計(jì)
    A.2.1  節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置
    A.2.2  編寫各節(jié)點(diǎn)初始化函數(shù)和任務(wù)代碼函數(shù)
    A.2.3  仿真結(jié)果
附錄B  以太網(wǎng)時(shí)延測(cè)試界面與主要代碼
  B.1  時(shí)延測(cè)試界面
  B.2  時(shí)延測(cè)試軟件的主要代碼

章節(jié)摘錄

第1章緒論 1.1 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的提出和含義 在過去的十多年里，通信、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展極大地影響了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。隨著控制對(duì)象日益復(fù)雜、分布區(qū)域不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出來的布線復(fù)雜、維護(hù)困難、可擴(kuò)展性差、成本高等一系列問題顯得日益突出，難以滿足不斷提高的控制系統(tǒng)的性能要求。正是在這一背景下，通過共享通信網(wǎng)絡(luò)來交換控制器、估計(jì)器、執(zhí)行器和傳感器等多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信息的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1～4]。與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有共享信息資源、減少系統(tǒng)布線、易于擴(kuò)展和維護(hù)、增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在工業(yè)界得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，如應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)中的CAN總線技術(shù)、流程工業(yè)控制中的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、智能樓宇中的總線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和作用還在不斷擴(kuò)大，并將成為一種使能結(jié)構(gòu)[5～9]。目前，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為國(guó)際自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題[10～17]。 一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，簡(jiǎn)化的單回路網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。對(duì)于圖1.2所示的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，有如下概念。 （1）上行鏈路（up-link）：傳感器至控制器的通信鏈路。 （2）下行鏈路（down-link）：控制器至執(zhí)行器的通信鏈路。 （3）節(jié)點(diǎn)：通常將傳感器、控制器、執(zhí)行器等數(shù)據(jù)采集和處理單元稱為節(jié)點(diǎn)。 在一些應(yīng)用場(chǎng)合[18]，控制器和執(zhí)行器可能處于同一地方，此時(shí)控制器輸出直接傳給執(zhí)行器，沒有下行鏈路。這樣的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)稱為非對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)通常由一個(gè)用于信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)和諸多用于信息采集、處理和實(shí)施的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。共享通信網(wǎng)絡(luò)的引入使得網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的信息傳輸模式發(fā)生了根本變化。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是其用于信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)是帶寬有限的，各節(jié)點(diǎn)要通過競(jìng)爭(zhēng)以獲得網(wǎng)絡(luò)資源。因此，有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬使得信息傳輸可能出現(xiàn)延滯、丟失等現(xiàn)象；信號(hào)需要經(jīng)過量化處理后才能進(jìn)行傳輸；多個(gè)控制回路之間需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸捳{(diào)度和網(wǎng)絡(luò)訪問優(yōu)先權(quán)調(diào)度以達(dá)到總體性能最優(yōu)等。這些都是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的新問題。從而，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)中關(guān)于傳感器、執(zhí)行器和控制器之間的數(shù)據(jù)交換是無限制的假定在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中不再成立，現(xiàn)有的許多控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法不再適用。例如，文獻(xiàn)[19]在研究一類具有隨機(jī)丟包的線性時(shí)不變系統(tǒng)最優(yōu)控制時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制器無法確切知道網(wǎng)絡(luò)中的丟包情況時(shí)，分離性原理將不再成立；傳統(tǒng)的魯棒控制理論能處理未建模動(dòng)態(tài)和參數(shù)不確定性，但可能無法處理發(fā)生于通信鏈路中的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延攝動(dòng)和不確定丟包。因此，通信網(wǎng)絡(luò)的引入在為控制系統(tǒng)帶來各種好處的同時(shí)，也為控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，迫切需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種新問題探尋解決的新思想、新方法。 1.2 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程 計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、單元部件和控制技術(shù)方面的一系列變革，使得控制系統(tǒng)不斷朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化和節(jié)點(diǎn)智能化的方向發(fā)展[20]。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制方式，先后經(jīng)歷了直接數(shù)字控制（DDC）、集散控制（DCS）和網(wǎng)絡(luò)化控制（NCS）三種主要控制方式。 1、DDC 在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常由一臺(tái)計(jì)算機(jī)（微控制器）代替模擬設(shè)備的調(diào)節(jié)器實(shí)施控制，是由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制的標(biāo)志。典型的直接數(shù)字控制系統(tǒng)如圖1.3所示，其中，傳感器和執(zhí)行器都直接與作為控制器的計(jì)算機(jī)相連，傳感器輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給控制器，控制器輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后傳輸給執(zhí)行器。DDC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不考慮通信上的延時(shí)，可以看成是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的特殊情況，事實(shí)上很多對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的算法分析也都是簡(jiǎn)化為DDC的模型來討論的，它適用于獨(dú)立、小規(guī)模對(duì)象的控制。如果添加對(duì)應(yīng)的通信接口，也可用于構(gòu)成集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（NCS）。 圖1.3DDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2、DCS 隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大及生產(chǎn)過程的復(fù)雜化，控制計(jì)算必須越來越多地在分布式、部分異步的環(huán)境中完成，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的實(shí)時(shí)控制和高層的監(jiān)控、管理必須由不同的單元處理以減輕處理單元的計(jì)算負(fù)擔(dān)。顯然，直接數(shù)字控制由于結(jié)構(gòu)集中、布線復(fù)雜已經(jīng)無法勝任這些任務(wù)。于是，在20世紀(jì)70年代中期，集散控制系統(tǒng)開始發(fā)展起來。集散控制系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。一個(gè)典型的集散控制系統(tǒng)如圖1.4所示。 圖1.4DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 DCS的結(jié)構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制單元（PLC、MCU等），現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用電纜連接，采用標(biāo)準(zhǔn)4～20mA模擬信號(hào)傳輸；具有中央控制單元（CPU），中央控制單元與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制單元之間采用RS-232/485等專用非開放協(xié)議通信。應(yīng)該說，集散控制系統(tǒng)具有了一定的網(wǎng)絡(luò)化思想，它與當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平相適應(yīng)。但在DCS中，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的實(shí)時(shí)信號(hào)，如傳感信號(hào)、控制信號(hào)等都在本地傳輸，并沒有通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)拇蠖嗍情_關(guān)信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、監(jiān)控信息等。 集散控制系統(tǒng)還不是真正意義上的分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中也反映出了其不足。首先，集散控制系統(tǒng)仍然是模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸使系統(tǒng)精度受到限制。其次，它在結(jié)構(gòu)上遵循主從式思想，沒有完全突破集中控制模式的束縛，一旦主機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可靠性就無法保障。更重要的是，DCS系統(tǒng)采用非開放式專用網(wǎng)絡(luò)，各系統(tǒng)互不兼容，不利于提高系統(tǒng)可維護(hù)性和組態(tài)靈活性。 3、FCS 20世紀(jì)90年代，微處理器技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，促成了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的誕生和發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是用開放的現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信網(wǎng)絡(luò)，將作為獨(dú)立智能節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)控制器及現(xiàn)場(chǎng)智能儀表等設(shè)備進(jìn)行互連和通信，它彌補(bǔ)了集散控制系統(tǒng)中采用專用網(wǎng)絡(luò)的缺陷，把專用封閉協(xié)議變成標(biāo)準(zhǔn)開放協(xié)議。同時(shí)，它使系統(tǒng)具有完全數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力。結(jié)構(gòu)上采用了全分布式方案，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，提高了系統(tǒng)可靠性和靈活性。 與DCS相比，F(xiàn)CS具有很多優(yōu)點(diǎn)：它使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或廣播的多種方式；利用統(tǒng)一組態(tài)與任務(wù)下載，使得如PID、數(shù)字濾波、補(bǔ)償處理等簡(jiǎn)單的控制任務(wù)可動(dòng)態(tài)下載到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；可減少傳輸線路與硬件設(shè)備數(shù)量，節(jié)省系統(tǒng)安裝維護(hù)的成本；同時(shí)還增強(qiáng)了不同廠家設(shè)備間的互操作性和互換性。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)已經(jīng)是真正意義上的分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的主要不足是：盡管各種現(xiàn)場(chǎng)總線都是開放協(xié)議，遵循同一種協(xié)議的不同廠家產(chǎn)品可以相互兼容。但是，各種協(xié)議并沒有統(tǒng)一，不同總線協(xié)議的系統(tǒng)不易互連。而且，現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議與上層管理信息系統(tǒng)或進(jìn)一步的Internet所廣泛采用的TCP/IP協(xié)議是不兼容的，也存在協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。這些問題增加了控制和管理信息一體化網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)難度。 4、NCS 多種現(xiàn)場(chǎng)總線的共存與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中多種局域網(wǎng)協(xié)議共存的時(shí)期是相對(duì)應(yīng)的。控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和結(jié)構(gòu)模型是當(dāng)今控制界的共識(shí)，而TCP/IP協(xié)議是一個(gè)跨平臺(tái)的通信協(xié)議族，能方便地實(shí)現(xiàn)異種機(jī)互連，它促使了計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)及Internet近十年的飛速發(fā)展。因此，TCP/IP協(xié)議由信息網(wǎng)絡(luò)向底層控制網(wǎng)絡(luò)延伸和擴(kuò)展，形成控制與信息一體化的分布式全開放網(wǎng)絡(luò)，符合計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)融合的潮流，是邏輯發(fā)展的必然。 近年來，工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用、Internet等異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的互連，以及無線局域網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)的快速發(fā)展和應(yīng)用，極大地豐富了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，也使得控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、分布化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)更加明顯和具體。盡管網(wǎng)絡(luò)化控制已經(jīng)在實(shí)際中取得廣泛應(yīng)用，但網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)這一概念最早是在1999年才由Walsh等提出的[3，21]。這一概念的雛形卻可追溯到20世紀(jì)80年代后期Halevi和Ray等提出的集成通信與控制系統(tǒng)（integrated communication and control systems，ICCS）[22，23]。 1.3 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的構(gòu)架 公共總線式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是用盡量少的導(dǎo)線，以比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式結(jié)構(gòu)更少的維護(hù)將傳感器、執(zhí)行器、控制器等設(shè)備連接在一起。它也使得將處理功能和運(yùn)算負(fù)荷分散給一些小單元成為可能。而且，在多處理器間的分布控制使系統(tǒng)更具魯棒性和容錯(cuò)能力，而中央處理式的控制模式中，某一點(diǎn)的故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響較大。在最近十年，網(wǎng)絡(luò)被用做簡(jiǎn)化信息傳遞的首選途徑，因此工業(yè)界對(duì)網(wǎng)絡(luò)的興趣快速增長(zhǎng)。通常，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以分為控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)在相對(duì)較多的節(jié)點(diǎn)設(shè)備間傳輸大量小而頻繁的控制信號(hào)以滿足控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。相對(duì)來說，數(shù)據(jù)網(wǎng)使用較大的數(shù)據(jù)包在大區(qū)域內(nèi)進(jìn)行相對(duì)不頻繁的數(shù)據(jù)交換，利用較高的數(shù)據(jù)通信率來傳送較大的數(shù)據(jù)包。區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)和控制網(wǎng)的關(guān)鍵因素是對(duì)實(shí)時(shí)性支持的能力有多大。但實(shí)時(shí)性是相對(duì)的，與控制對(duì)象及實(shí)現(xiàn)技術(shù)有很大關(guān)聯(lián)。從目的來劃分控制網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)似乎更合理，也更直觀，即用于控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)屬于控制網(wǎng)，純屬數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)屬于數(shù)據(jù)網(wǎng)。而不應(yīng)從物理介質(zhì)上劃分控制網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)，同一條網(wǎng)絡(luò)鏈路上可能同時(shí)傳送著控制信息和非控制信息，這時(shí)的網(wǎng)絡(luò)就屬于混合型的。 1.3.1 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)有許多方案，但都大同小異。文獻(xiàn)[25]提出的五層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較全面，如表1.1所示。 表1.1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu) 層次設(shè)備協(xié)議應(yīng)用范圍 公司管理層工作站、服務(wù)器同下廣域網(wǎng) 工廠管理層工作站同下局域網(wǎng) 監(jiān)督層工作站、計(jì)算機(jī)MAP、TCP/IP、EtherNet/IP、Modbus/TCP局域網(wǎng) 單元控制層PLC、CNC、計(jì)算機(jī)ControlNet、Proˉbus、LonWorks、WorldFip現(xiàn)場(chǎng)總線 傳感{執(zhí)行層傳感器、執(zhí)行器CAN、Bitbus、P-Net、Interbus、DeviceNet傳感器總線 五個(gè)層次中每個(gè)層都有不同的目的、通信能力、協(xié)議和復(fù)雜程度。實(shí)際系統(tǒng)并不一定用到所有層，可根據(jù)需要選擇合適的分層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。而且每層所使用的設(shè)備、協(xié)議和應(yīng)用范圍都不是絕對(duì)的，如以太網(wǎng)可以直接連入傳感{執(zhí)行層，CAN總線也可用于局域網(wǎng)。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，第一層是設(shè)備層或者叫傳感{執(zhí)行層，是用來連接控制器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的。第二層是單元控制層，在制造車間里被用在連接單元控制器上。通常，第一層和第二層分別被稱作傳感器總線和現(xiàn)場(chǎng)總線。第三層是監(jiān)督層，用來連接執(zhí)行不同制造過程的機(jī)械單元。第四層是工廠管理層，用以協(xié)調(diào)在一個(gè)工廠中如制造工程部、產(chǎn)品管理部和資源配置部之間的各種執(zhí)行任務(wù)。第五層是公司管理層，用以連接分布在不同城市或國(guó)家間的工作站。 鑒于不同網(wǎng)絡(luò)層次的應(yīng)用，人們提出了很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這些協(xié)議基于ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)七層模型并且都使用報(bào)頭/報(bào)尾尋址。例如，用基于CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸16位的數(shù)據(jù)包，會(huì)有50個(gè)額外的位，用以描述相關(guān)的信息，以便信息能正確和有效地傳輸。除了對(duì)每條消息有正確的尋址外，協(xié)議還要規(guī)定數(shù)據(jù)傳送的規(guī)則，以便能準(zhǔn)確地傳輸和避免沖突。依靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)所采用的不同通信模式體現(xiàn)出不同的特性，包括客戶/服務(wù)器式、主/從式（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換）、廣播式，這些特性滿足了各種過程的不同通信需求。由于所有的設(shè)備被連接在同一公共總線上，由某一傳感器產(chǎn)生的信息可以方便地被相應(yīng)的控制設(shè)備獲得（廣播式通信模式），而不必像傳統(tǒng)控制系統(tǒng)那樣需要重復(fù)配置傳感器或算法。因此，在同一總線上的任何設(shè)備的信息可以方便地被其他設(shè)備共享，并且比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的系統(tǒng)需要更少的硬件安裝。 1.3.2 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的控制模式 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)主要有兩種控制模式，即徑直結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)[12]，如圖1.5和圖1.6所示。 圖1.5徑直結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 圖1.6分層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 在分層結(jié)構(gòu)中，控制策略、傳感器和執(zhí)行器在同一端，遠(yuǎn)程端通過網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控系統(tǒng)。控制端為傳統(tǒng)的DDC或DCS系統(tǒng)，一般忽略傳感器到控制器及控制器到執(zhí)行器的時(shí)滯。

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