网络控制系统与应用准备汇总.docx
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网络控制系统与应用准备汇总.docx
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网络控制系统与应用准备汇总
网络控制系统与应用准备汇总
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控制系统中的控制器、传感器和执行器通过网络形成闭环的反馈控制系统,称为网络控制系统.(直接结构和分层结构)
网络控制的特点:
结构网络化、节点智能化、控制现场画和功能分散化、系统开放化和产品集成化网控的复杂性:
(1)网络环境下,多用户共享通信线路且流量变化不规则,这必然导致网络时延,同时采用不同的网络协议会使时延具有不同的性质;
(2)传输数据流经众多的计算机和通讯设备且路径不唯一,这会导致网络时延和网络数据包的时序错乱;(3)在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断,这又会导致网络数据包的时序错乱和数据包丢失。
与传统点对点结构系统比较:
可以实现资源共享\实现远程操作与控制\具有高的诊断能力\安装与维护方便\能有效减少系统的重量与体积\增加系统的灵活性与可靠性\使用无线网络技术,可以实现使用大量广泛分布的廉价传感器与远距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的NCS,这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的。
NCS研究内容一、对网络的控制(ControlofNetwork):
围绕网络的服务质量,从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协议等不同的角度提出解决方案,满足系统对实时性的要求,减小网络时延、时序错乱、数据包丢失等一系列问题。
可以运用运筹学和控制理论的方法来实现。
二、通过网络的控制(ControlthroughNetwork):
指在现有的网络条件下,设计相适应的NCS控制器,保证NCS良好的控制性能和稳定性。
可以通过建立NCS数学模型用控制理论的方法进行研究。
三、NCS整体性能的优化与提高(综合控制):
综合考虑提高网络性能和控制性能的基础上,优化和提高整个NCS的性能。
网络服务质量:
包括网络吞吐量、传输效率、误码率、时延可预测性和任务的可调度性。
系统控制性能:
包括稳定性、快速性、准确性、超调和振荡。
面临的基本问题:
1、时变传输周期2、网络调度3、网络时延4、单包传输和多包传输5、数据包时序错乱6、数据包丢失7、节点驱动方式8、时钟同步
所谓数据通信,就是指采用某种特定的方法,通过某种介质(如传输线)或渠道将信息从一处传送到另一处的过程。
通信的类型:
模拟通信、数字通信、数据通信
计算机网络:
利用通信设备和线路把地理上分散的多台自主计算机系统的联系起来,在相应软件的支持下,实现数据通信和资源共享为目标的系统。
功能:
信息交换、资源共享均衡使用网络资源、分布处理、数据信息综合处理、提高计算机安全可靠性。
拓扑结构:
总线型、星型、环型、混合型。
通信:
信息:
传送的内容,包括数字、文字、语言、图形和图像等。
数据:
网络中传输的二进制代码。
与信息的区别:
数据仅涉及事物的表示形式,信息涉及数据的内容和解释。
信道:
信号传输的通道,包括通信设备和传输媒体。
(传输媒体-有线无线、信号类型-模拟数字、使用权限-专用公用)。
码元和码字:
计算机网络传送每一位二进制数字称为码元或码位。
7个码元称为码字。
数据通信与数字通信的不同之处是:
数据-数字信息,数字-模拟信号。
数据通讯方式:
数据位的传送方式-并行通信、串行通信。
信息传送方向-单工、半双工、全双工。
连接方式-总线连接、调制/解调连接、过程I/O连接、高速数据通道连接。
数据信息的传输有两种基本形式:
1、基带传输,即直接利用基带信号进行传输;2、频带传输,即将基带信号用交流或脉冲信号调制后再传输。
基带信息表示方法:
单极性波形、双极性波形、单极性归零波形。
双极性归零波形、交替双极性归零波形。
基带传输的特点:
(1)基带信号传输,要求信道具有从直流到高频的频率特性。
因此,在信息高速传输的NCS中,不能采用常规的传输介质,而应采用具有很高通频带的同轴电缆或光缆。
(2)基带传输是按照数字信号波形的原样进行传输的,它不需要调制解调器,因而设备投资少,维护费用低。
但信号传输距离有限,仅适用于较小范围的数据传输。
调制是在发送端用基带脉冲信号对载波波形的某个参数(如振幅、频率、相位)进行控制,使其随基带脉冲的变化而变化,即把基带信号变换成适合于模拟传输系统传输的交流信号。
解调是在接收端将收到的调制信号进行与调制相反的转换,使之恢复到原来的基带脉冲信号。
未经调制载波
振幅调制又称振幅键控ASK。
即用原始基带脉冲信号控制载波的振幅变化,U(t)=Am*Sin(ω0+∮0)数字
(1)U(t)=0数字(0)频率调制又称为频率键控FSK。
即用原始基带脉冲信号控制载波的频率变化。
频率调制所产生的调制波称为“调频信号”,频率调制可分为两种形式:
相位连续调频信号、相位不连续调频信号U(t)=A0*Sin(ω1+∮0)数字
(1)U(t)=A0*Sin(ω2+∮0)数字(0)相位调制又称为相位键控PSK。
即用原始基带脉冲信号控制载波的相位变化。
相位调制所产生的调制波称为“调相信号”,它可分为两种形式:
绝对移相调相信号、相对移相调相信号。
U(t)=A0*Sinω0t数字
(1)U(t)=A0*Sin(ω0t+∏)数字(0)
数据传输速率:
单位时间内传送的信息量。
分三种:
(1)数据信号速率。
在数据通信中,每一位二进制符号(1或0)为一个比特(或称为码元)。
数据信号速率表示的是每一秒钟内传输数据信息的比特数,单位为bit/s,国际上用bps表示。
数据信号速率S的定义为:
m—并行传输的信道数;Ti—第i条信道传输的符号的最小单位时间(秒)
(2)调制速率。
表示每秒钟内调制信号波的变换次数,单位为波特(Bd)。
若用秒表示一个单位调制信号波的时间长度为T,则调制速率为:
数据信号速率S与调制速率B之间的关系为:
(3)数据传输速率。
是单位时间内传送的信息量。
信息量的单位可以是比特、字符、数据组等;时间的单位可以是秒、分甚至小时等。
信道容量信道所具有的最大传输能力。
信道容量C用极限传输速率(香农公式)表示F—信道带宽(Hz);S—信道内传输的信号平均功率(W);N—信道内白噪声功率(W)误码率二进制码元在传输系统中被传错的概率。
N—传输二进制码元的总数;Nc—被传错的码元数,10-5~10-9计算机之间<10-9。
异步传输方式在被送字符前后加起止位,实现定时的传输方式。
(设备简单费用低,辅助开销大浪费时间,适用于低速10~1500字符/秒场合)同步传输大的数据块一起发送,前后使用一些特殊字符进行标识,适用于高速场合。
多路复用技术频分多路复用(FDM)技术是把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段,每条小频段为一条子信道,相邻频段之间留有一空闲频段以保证数据在各自频段上可靠地传输。
时分多路复用(TDM)技术是把信道的传输时间分割成许多时间段。
通信网络是将地理位置不同,并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来,以功能完善的网络软件实现数据传输及资源共享的系统。
通信网络使用的信息交换技术:
线路交换:
指通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送,当传送周期结束后,立即“拆除”专用线路。
特点:
信息传送的实时性好,各节点延时小,但一旦两站连接建立起来,即使没有数据传送,其它站也不能使用线路上的任何节点,故线路的利用率较低。
报文交换:
在发送站将发往目的站的信息分割成一份份报文正文,并在报文正文前加上报头(由发送地址、目的地址和其它辅助信息组成),在报文正文后面加上报尾(报文的结束标志),然后把报文交给节点传送。
整个报文传送由报头控制,传送中节点接收整个报文并予暂存,然后发送到下一个节点,直至目的站。
特点:
允许多个报文分时共享同一线路,其线路的利用率高;而且只要在报文上附上有关目的站的站名,可以把一个报文发送给多个目的站。
但是报文要在节点上排队等待,使传输时间延长。
包交换也叫分组交换,它将一个较长报文分解成若干个较短的报文段,这些报文段称之为“包”或“报文分组”,每个包上附加必要的传送控制信息,并按规定的格式排列,以一个组合的整体作为一个信息交换单位。
特点:
综合了线路交换和报文交换的优点,既具有良好的实时性,又具有较高的线路利用率和传输效率。
随机差错主要是由传输介质或放大电路中电子热运动产生的白噪声所引起的。
突发差错主要是由外界的冲击噪声所致,冲击噪声的持续时间可能相当长,幅度可能相当大,可以影响相邻的多位数据。
(成片出现)降低误码率的措施:
1通过改善通信网络及各站的电气性能和机械性能,来降低误码率。
(经济技术制约)2在误码率不够理想的情况下,由接收端检验误码,然后设法纠正误码。
(常用)
差错检测奇偶校验、行列监督、循环冗余。
例:
设需编码的信息码为101(k=3),则该信息的对应的信息多项式为m(x)=x2+1;若冗余码位数r=4,生成多项式为g(x)=x4+x3+x2+1,求(7,3)循环码。
解:
根据
有码多项式:
上式对应的码字为V=(1,1,0,1,0,0,1),故所求的(7,3)循环码为1101001。
纠错方式重发纠错方式、自动纠错方式、混合纠错方式
网络协议有一套所有“成员”(计算机网络站点)共同遵守的“约定”,以便实现彼此的通信和资源共享(语法语义同步)
OSI参考模型:
1.物理层(Physical)提供通信设备的电气、特性、功能、过程等特性,以便建立、维持和折除物理连接(例如,信号的表示方法、传送方向、所采用的编码、传输速率,以及通信介质和连接件的规格及使用规则)。
负责在物理线路上传输数据的位流(比特流),为链路层服务2.链路层(DataLink)用以建立相邻节点之间的数据链路,确立链路使用权的分配,负责将被传送的数据按帧结构格式化、传送数据帧、进行差错控制、介质方向控制、以及物理层的管理。
3.网络层(Network)用于传输信息包或报文分组,向上一层的传输层提供传输类型服务,负责通信网络中路径的选择和拥挤控制。
4.传输层(Transport)用于建立不同节点间的通信信道、提供数据交换的可靠机制,完成信息确认、误码检测、错误恢复、优先级调度、信息流的控制,确保数据无差错、不丢失、不重复、按次序地传送。
向会话层提供所要求的传送服务及其质量。
传输层是用户与通信设施间的联系者。
5.会话层(Session)用于建立和管理进程(程序为某个数据集合进行的一次执行过程)之间的连接,为进程之间提供对话服务,管理它们的数据交换,处理某些同步与恢复问题。
会话层完成的主要通信管理和同步功能是针对用户的。
6.表达层(Presentation)用于向应用程序和终端管理程序提供一批数据变换服务,实现不同信息格式和编码之间的转换,以便处理数据加密、信息压缩、数据兼容以及信息表达等问题。
通常提供数据翻译(编码和字符集的转换)、格式化(修改数据的格式)、语法选择(对所用变换的初始选择和随后的修改)等服务项目。
7.应用层(Application)该层为用户应用程序提供访问OSI环境的服务(如,通信服务、虚拟终端服务、网络文件传送、网络设备管理等),该层具有相应的管理功能,支持分布应用的通用机制,解决数据传输完整性或收/发设备的速度匹配等问题。
工业对象对网络的基本要求:
过程工业连续控制为主,算法复杂,速度慢,流程长,对可靠性要求高,有分散化要求制造工业逻辑控制为主,算法简单,速度快,通常不必冗余,CPU不要求太分散混合工业采集为主也混合逻辑控制.回路控制,单机控制多,要求成本低两种趋势1是现场有越来越多的信息需要往上送2是计算机通信技术越来越向下延伸。
控制网络的特点
(1)系统的开放性
(2)互可操作性与互用性(3)系统结构的高度分散性(4)对现场环境的适应性(5)一对N结构(6)可控状态(7)互换性(8)综合功能(9)统一组态控制网络的分类1随机网络:
延迟时间是随机的,如EtherNet2有界网络:
延迟时间有确定的上界,如ConrolNet3常值网络:
时间延迟应保持一定,如DeviceNet网络协议是为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。
协议总是指某一层协议,准确地说,它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。
控制网络与一般的信息网络的不同点:
1控制网络中最基本的要求是数据传输的及时性和系统响应的实时性。
信息网络的响应时间要求不强烈,大部分时间忽略实时性(本质性的不同)2控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性和可靠性。
3大多数企业自动化系统中,由于分散的单一用户要借助控制网络进入某个系统,通信方式多使用广播或组播方式。
信息网络中某个自主系统与另一个自主系统一般都建立一对一通信。
4控制网络设计多种总线标准和多家公司的产品在同一网络中相互兼容,即互操作行的问题。
而信息网络标准单一,产品一般可以实现互操作。
层次结构要点1除了在屋里媒体上进行的是实通信外,其余各对等实体间进行的同时虚通信。
2对等层的虚通信必须遵循该层的协议。
3层的虚通信时通过第n层与第n-1层间接口处n-1层提供的服务及n-1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。
层次划分的原则1每层的功能应是明确的,并且是相互独立的。
2层间接口必须清晰,跨越接口的信息量应尽可能少。
3层数应适中。
网络体系接口的特点1以功能为划分层次的基础。
2第n层的实体在实现自身定义的功能时,只能使用第n-1层提供的服务。
3第n层在向第n+1层提供服务时,此服务不仅包含第n层本身的功能,还包含由下层服务提供的功能。
4仅在相邻层间有接口,且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
控制网络体系结构控制网络一般由OSI参考模型的物理层、数据链路层、应用层三层模式体系结构和通信媒质构成,如:
CAN、DeviceNet。
//也有在此基础上加数据传输层的四层模式体系结构,如:
profibus。
//LonWorks控制网络却比较特殊,它采用全部OSI七层模式体系结构。
//而ErherNet则采用物理层、数据链路层、传输层、网络层和应用层五层模式体系结构。
三层控制网络的体系结构
光纤的电信号传输过程
1-坚持CSMAa信道一但"闲",数据以概率为1的原则发送b信道"忙",连续监听,直至监听到通道"闲",返回a。
(提高信道利用率)P-坚持CSMAa若信道"闲",以0
b信道"忙",则继续侦听到信道闲,返回a。
(进一步提高利用率)非坚持CSMAa监听到数据"闲",则发送;b监听到数据“忙”,按一定退避算法延迟一段时间(这就是。
"非坚持"的含义,返回a。
优点:
采用随机重传时间减少碰撞概率。
缺点:
延迟时间内可能会出现通道闲的情况,利用率不高
控制网络的特殊性:
定常性的丧失:
数据到达的时刻不再是定常和有规则的,更不能再用简单的采样时间来刻画//完整性的丧失:
由于数据在传输中可能发生丢失和出错,数据不再是完整的,虽然数字控制中也可能有类似的问题,但发生的可能性是处于不同的量级//因果性的丧失:
由于网络传输时间的不确定,先产生的数据可以迟于后产生的数据到达远程控制系统,因此,数据到达的次序不再遵守因果关系//确定性的丧失:
由于数据到达的随机性,整个控制过程已不再是一个确定性的系统,而是一个随机系统。
控制网络的服务性能(QoS)指网络控制系统采用的不同控制网络协议,在网络结构和通信性能上表现出来的特性或特点。
(静态服务性能和动态服务性能控制网络中信息传递的时序过程1源节点内时序(源节点内处理器时延和源节点内通信等待时延)2网络传输时序(数据帧发送时间和线路信号时延)3目的节点内时序(目的节点内通信等待时延和处理器时延)网络传输时延所成功发送的数据帧由发送队列中产生到他们被目的节点接受时刻的间隔。
它主要由队列等待实验、网络堵塞时延和数据帧发送时间三部分构成。
丢包率由于堵塞而丢失的数据帧与网络生成总数据帧数目之比。
以太网网络传输时延的期望值为:
Bframe为数据帧位数
s为以太网传输速度
P-Net网络最大传输时延为
FIP网络最大传输时延为
网络总时延:
网络平均时延:
节点平均丢包数:
随着采样周期的不断减小(网络负载相应地逐渐增加),三种控制网络协议通讯实时和可靠性均逐渐降低。
实时性和可靠性下降趋势来看:
TokenBus类型的P-Net性能好于主从Pollins类型FIP协议,FIP协议性能又好于以太网CSMA/CD协议。
在相同采样周期下,按照网络平均传输时延和丢包数由小到大排列,三者依次为:
Ethemet、FIP、P-Net。
理想控制系统要求采样周期越小越好;理想网络控制系统要求采样周期越大越好。
在控制网络系统中,随着采样周期的减小,网络负荷虽然增大但网络运行性能不变,故系统性能逐渐提高;但是当采样周期减小到一定程度后,更多更频繁的数据传输导致网络QoS的降低,即网络负荷超过了网络有限的承载能力,使网络时延增大,甚至引起抖动、丢包等问题,此时不但不能保证原有的系统性能,反而会导致系统性能的下降和恶化,从而影响了控制的效果。
带有时延的网络控制系统采样周期的选取范围为:
稳定性描述的是网络控制系统行为特征的确定性和抗干扰能力,是由控制网络和控制系统两方面来决定的;控制网络的不稳定将有可能直接导致整个系统的不稳定
最大传输间隔执行其接受到相邻两个控制信号的最大允许时间间隔。
网络控制系统研究内容1对网络的控制对网络节点、网络数据流量等的调度与控制,是对网络自身的控制,其目的是为了提高网络的服务质量2通过网络进行控制指控制系统的各节点(传感器、控制器、执行器等)之间通过网络进行连接并传输数据,针对网络的不确定特性,通过设计先进的控制算法来提高整个网络控制系统的质量。
网络调度问题指网络中的节点在共享的网络资源中发送数据,并且发生碰撞时,规定数据包以怎样的优先级(顺序)和何时发送数据包的问题。
研究层面1设计介质层网络的通信协议,称为协议层调度(指数据链路层通过一个链路活动调度器控制现场装置对总线的访问,通常是网络接口设备按照特定的协议规范来决定那些并发数据包的发送顺序)缺乏灵活性,少数用2设计应用层的节点优化调度算法,称为应用层调度(指上层(传输层以上)的应用程序根据需要来主动地决策数据的发送规则,该规则与具体的网络协议无关)根据控制网络的时间延迟特性,网络可分为三类随机网络、有界网络和常值网络.
网络调度方法1借用CPU调度方法2设计网络调度协议3调度与控制协同设计4反馈控制实时调度
1到达时间(ai):
数据包形成,开始加入发送队列,准备发送。
此为一个发送周期的开始。
2开始发送时刻(si):
数据包开始发送的时刻。
3阻塞时间(bi):
数据包达到后,等待直至开发发送所需要的时间,即bi=si-ai网络数据包的传输中任务是非抢优的,bi由两部分组成:
bh,i:
等待所有更高优先级的任务传输完毕的时间bl,i:
正在发送的较低优先级的任务发送完毕所需要的时间,其最大值分别记为:
4传输时间(ci):
数据包由源地址经网络传送到目的地址所需要的时间,一般由数据包的大小和网络介质的速率决定。
5完成时间(fi):
一次传输结束的时间。
6传输时延(τi):
数据包到达队列至数据包完成数据包传输完成之间的时间。
显然7时限(di):
为保证NCS的性能,传输必须在某个时间之前完成,该时间就称为时限。
8、网络占用率(U):
其中NCS中N个对象的传感器按周期pi发送数据。
9、可调度性:
指网络控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成
网络调度的几种基本方法:
协议层调度、TOD网络调度协议、反馈控制实时调度。
实时系统在确定的时间内执行计算或处理事务并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。
实时系统分类硬实时系统:
如果一个系统未能在指定时间内就某一事件做出响应而失败,则该失败被认为是一种全面的系统失败。
一般用于航天系统或核反应堆系统,系统较复杂。
//软实时系统:
系统对某些任务的响应时间允许一定程度上的超时限,而不会导致系统的失败。
大多数系统都属于软实时系统,网络控制系统通常是软实时系统
实时系统区别于一般系统通用系统一般追求的是系统的平均响应时间和用户使用系统的方便,而实时系统主要考虑的是系统在最坏情况下的紫铜行为。
实时系统特点时间约束性、可预测性、可靠性、与外部环境的交互作用性核心实时调度。
实时调度算法特征硬实时与软实时、抢优与非抢优、动态与静态、集中与分布
调度给定一组实时任务和系统资源,确定每个任务何时何地执行的整个过程。
实时调度在确定的时间内执行计算或处理事务并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。
也可称为CPU(处理器)调度算法,基本上分为两类:
静态调度和动态调度。
网络调度与实时调度比较相同点:
都有共享资源的限制。
//实时系统:
多个任务不能同时使用CPU的计算资源//网络系统:
多数据共用一条网络传输介质//不同点:
实时系统:
调度是可以抢优的//网络系统:
调度是可以非抢优的
RM算法一组n个相互独立、可抢优的实时周期任务,用RM算法的可调度条件为任务的总占有率U满足如下不等式:
例子:
两个并发的周期实时任务,执行时间为c1=c2=3ms,任务周期为h1=4ms,h2=6ms,任务时限d1=h1,d2=h2。
计算RM算法的可调度性。
解:
任务的占有率为:
RM算法的可调度条件可知用RM算法不可调度。
NCS的RM调度算法:
一组n个相互独立、非抢优的实时周期任务(其优先级按下标值递减,下标i为1任务的优先级最高,下标i为N任务的优先级最低),其可调度条件为对于所有的都满足如下不等式:
例子:
同样对于例5.1,
对于任务1,即i=1,应用非抢优RM可调度定理,有
对于任务2,即i=2,应用非抢优RM可调度定理,有
由非抢优RM算法的可调度条件可知:
用非抢优RM算法不可调度。
EDF算法:
一组n个相互独立的实时周期任务,用EDF算法的可调度条件为任务的总占有率U满足其中ci为任务所需的执行时间,hi为任务的周期
例子:
两个并发的周期实时任务,执行时间为c1=c2=3ms,任务周期为h1=6ms,h2=4ms,任务时限d1=h1,d2=h2。
计算EDF算法的可调度性。
解:
任务的占有率为:
不可调度
与RM算法比较,此时任务1获得了更多的资源,即EDF算法对资源的分配更加均衡。
//由于软实时系统在某种程度上能够承受部分的任务超过时限的要求,因此EDF算法的均衡调度对于软实时系统任务的保证是很重要的。
NCS的EDF令为有n个任务的任务集,其中是一系列按周期非递减顺序排列的周期性任务,ci为任务Ti的最长执行时间,hi为任务Ti的周期,di=hi为任务Ti的时限,则当且仅当以下条件成立,T在非抢优EDF调度算法下可调度:
例子:
设实时系统中有如下4个任务,任务的时间属性如表
di=hi
判断是
否可调
度:
解:
令处理器利用率:
表2中给出了取不同值时任务集的时间需求关系。
由表中数据可以看出,i取值不同时,均满足可调度条件。
网络控制系统调度与控制的协同设计1)NCS是由网络和控制组成的控制系统,其闭环性能不仅依赖于控制算法的设计,还依赖于对网络资源的合理调度。
2)合适的传输协议和调度策略可以保证网络的服务质量。
3)NCS中的采样周期同时涉及控制与调度两个方面,因此,综合考虑控制与网络调度两个方面指标的NCS中采样周期的优化选择,就是调度与控制协同设计的一个基本的途径。
人工神经网络(简称神经网络)是模拟人脑思维方式的数学模型。
神经网络是在现代生物学研究人脑组织成果的基础上提出的,用来模拟人类大脑神经网络的结构和行为。
神经网络反映了人脑功能的基本特征,如并行信息处理、学习、联
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