网络控制系统

张慧勇 zhy_scu@163.com

1 绪论

控制系统的发展主要经历了直接数字控制系统，集散控制系统，现场总线控制系统这几个阶段，网络控制技术的发展是从集散控制系统才真正开始的。

集散控制系统(DCS: Distributed Control System) 是对生产过程进行集中管理和分散控制的分布式计算机控制系统，克服了直接数字控制系统中单台计算机集中管理整个控制过程模式的弊端。集散控制系统的核心思想是分级管理，集中监视，分散控制。虽然集散控制系统具有了一定的网络化思想，但它是当时计算机和网络技术水平发展而成的，有其明显的缺点：首先，集散控制系统使用了大量的模拟信号，模拟信号的转换和传输使其精度受到，且传输可靠性差；其次，它的结构是多级主从关系，没有完全突破集中控制思想的束缚，一旦主机发生故障，整个系统就会崩溃；第三，集散控制系统的标准不统一，通信协议不开放，各系统互不兼容，不利于进一步提高系统组态的灵活性和可维护性。

现场总线控制系统(FCS: Fieldbus Control System)是继集散控制系统后的新一代控制系统，它是一种全数字化、全分散、可互操作、开放式的控制网络。现场总线控制系统克服了集散控制系统中的缺点，把专用封闭协议变成标准开放协议，遵循同一种总线协议的不同厂家的产品可以兼容；它结构上还采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，且现场仪器仪表具有数字计算和数字通信的功能，提高了系统可靠性和灵活性；它可以减少传输线路与硬件设备数量，节省系统安装维护的成本。

然而现场总线控制系统发展也遇到了瓶颈，其主要问题是现场总线标准太多，协议没有统一，不同协议的系统不能互联。现场总线的上层管理信息系统多采用TCP/IP协议，上层协议与底层协议不兼容。控制网络采用统一的网络协议标准和网络结构模型是当今控制系统的发展趋势。因此将TCP/IP协议由上层信息网络向底层控制网络延伸和扩展，形成控制与信息一体的分布式全开放网络，符合控制系统的发展潮流。随着微处理器和通信技术的发展，更高性能处理器和更高带宽网络的出现使得TCP/IP协议有可能应用于实时测控系统中，形成了新的控制网络：工业以太网。

工业以太网借鉴了成熟的计算机软件、硬件和网络技术，大大减低了系统成本。工业以太网中除了应用层，通信协议都统一了，能够实现控制网络与信息网络的无缝集成，并能实现管理、控制的一体化。

1.1 网络控制系统

网络控制系统（NCS, Networked Control System）是指传感器、控制器和执行器等机构通过通信网络形成闭环的控制系统[1]。在网络控制系统中，控制部件间可以通过共享通信网络进行信息(对象输出、参考输入和控制器输出等)交换。图1.1是网络控制系统的典型结构图。

图1.1 网络控制系统的典型结构

网络控制系统是由控制技术、计算机技术和网络通信技术三种技术有机结合而形成的。控制技术要实现控制系统的功能，反应被控对象的运动本质，是网络控制系统的灵魂。计算机技术是网络控制系统的软、硬件基础，是网络控制系统的血与肉。网络通信技术连接了网络控制系统的各个组成部分，是网络控制系统的筋络。

网络控制系统就是通过实时网络形成闭环的反馈控制系统。在网络控制系统中，参考输入、被控对象输出、控制输出等信息，利用网络在控制器、执行器、传感器等节点之间交换。网络控制系统通过网络将不同地域的传感器、控制器、执行器等连接起来，从而形成了更加灵活、功能更为强大、也更加复杂的控制体系，能够提高生产效率，降低生产成本。网络控制系统实现了资源的共享，扩大了网络和控制系统的应用领域。

控制网络有多种类型，按照应用范围划分为：以太网(Ethernet)，设备网(DeviceNet)，控制网(ControlNet)。其中以太网是最具有发展潜力的控制网络。设备网和控制网都属于现场总线控制系统，虽然比较成熟，但也有不足，商业竞争激烈使其没有统一的标准，开放性差，严重制约了他们的发展。工业以太网开发性好，标准统一，不同厂商的设备很容易互联，且传输速度快，成本便宜，使其发展很快。

1.2 网络控制系统的研究现状

目前，网络控制系统的应用越来越广泛，网络控制系统逐渐成为学术界一个

新的研究领域，引起了许多学者的研究。由于网络控制系统是网络技术和控制理论的结合，所以对网络控制系统的研究主要分为两方面：一是对网络的控制，从通信网络的角度出发，研究和改善网络的内在特性，如提出新型的网络通信协议、网络调度算法，解决网络时延、时序错乱和数据丢包等问题；二是通过网络进行控制，从控制理论的角度出发，把现有的网络结构、协议等当作己定条件，在此基础上设计出合理的控制结构和控制算法来减少由于延时、丢包等问题对控制系统造成的不良影响，保证网络控制系统良好的控制性能。通过网络进行控制这是本文的主要研究方向。

1.2.1 网络控制系统算法研究现状

自从网络控制系统的出现到现在，很多学者对网络控制算法进行了研究，己取得了很多研究成果。网络控制算法中的研究主要分七个方面[2-6]:网络控制系统的建模，网络控制系统的稳定性分析，确定性控制设计方法、基于随机控制的NCS研究、基于鲁棒控制的NCS研究、基于智能控制的NCS研究、基于预测控制的NCS研究。本节主要说明基于预测控制的NCS研究。

网络时延、数据包丢失是网络控制系统必须面对的问题。一类常见的处理方法是：利用系统模型和额外的系统信息, 采用预测方法, 减小网络时延和数据包丢失的影响, 以降低设计的保守性, 从而在一定程度上改善了系统性能。但这种预测控制一般要使用网络进行额外的信息传输。预测控制主要包含了模型预测控制(MPC，Model Predictive Control)、动态矩阵控制(DMC，Dynamic Matrix Control)、广义预测控制(GPC，Generalized Predictive Control)、预测函数控制和内模控制(IMC, Internal Model Control)。

Yu Zhuzheng[7]针对网络控制系统，设计了一种模型预测控制算法，算法通过传感器至控制器的延时来估计控制器至执行器的延时，提出了网络预测控制模型，基于模型匹配和多步预测输出补偿的思想来改善控制性能。

Srinivasagupta[8]提出了时间戳模型预测控制算法，通过实验证明了该算法比传统MPC方法更能有效地提高系统控制系能。

Wonjong Kim[9]提出了一种带超时机制和n步超前状态预测的新型模型预测控制算法，该算法可以同时处理前向通道和反馈通道的随机延时和数据丢包，并且在n个采样周期内可以容许n-l个连续丢包。该算法能有效解决网络随机延时和丢包对系统造成的性能恶化。

张奇智[10]提出了一种时间戳预测函数控制算法，该算法在传统预测函数控制算法的基础上，用时间戳来估计网络延时，在预测系统未来输出时考虑了延时，得到了适用于网络控制系统的控制规律，能够有效处理网络控制系统中随机延

迟。

PoiLoon Tang[11]提出了一种变步长广义预测控制算法来补偿数据传输延时，该算法包含了一个估计丢失或延迟的传感器数据的预估器和预测未来控制量的变步长自适应GPC控制器；在执行器端引入了缓存器可以使预测控制量顺序到达执行器。

浙江大学的王柱锋[12-15]将内模控制应用到了网络控制中，分析了网络内模控制的稳定性，将内模和预测结合在一起。文中用时间戳的方法预测延时，控制器每发送一次数据，执行器都要反馈一次确认信号来计算时差，这样增加了网络负荷。文中所用的是一自由度内模控制，现在二自由度内模控制器的设计已经很成熟了，且设计也很简单，鲁棒性，抗干扰性都较一自由度的好。在网络控制系统中一般都采用离散控制器，但文中的分析和仿真都是采用连续控制器，这样与实际应用有差别。

Huaping Liu等[16]提出一种改进网络内模控制算法，是在普通内模控制的基础上又增加了一个反馈环，新增反馈环是用模糊控制实现的。

Mikael Pohjola[17]提出了自适应控制速度算法，就是根据网络状况来自适应调整内模控制器中调节因子的系数。 1.2.2 网络控制系统仿真现状

控制系统的数字仿真是分析、研究和设计控制系统的一种快速而经济的辅助

手段。网络控制系统仿真的目的是揭示系统的动态规律、探索各种复杂因素对系统性能的影响、验证分析与设计方法和研究结果的有效性和可行性。

目前网络控制系统的仿真工具主要是TrueTime工具箱、NCS_simu工具箱和NS-2[3]。TrueTime和NCS_simu都是基于Matlab/Simulink的开发仿真工具箱，国内很少有人使用NCS_simu工具箱, 绝大多数论文仿真都采用TrueTime。NS-2是一种开放式的网络仿真软件, 利用它的虚拟技术不仅可以构造各种网络拓扑结构、实现网络协议、测试网络性能, 而且还可以实现新协议和算法的扩充及验证，有些论文

[20-22]

就是基于NS-2设计的网络控制系统仿真平台。采用TrueTime和NS-2仿

真，这些都受仿真环境的，不可能非常逼近真实网络，在虚拟网络中仿真与在真实网络中仿真肯定会有一些差别。

真实网络控制仿真平台，也不少论文中做过，但大多的仿真平台中的对象仿真器和控制器是调用Matlab计算引擎实现的[23-25]，利用VC、VB等工具编写网络传输程序，这些仿真平台中控制器、执行器的驱动方式时固定的，不能修改。

1.2.3 嵌入式系统中的TCP/IP应用现状

现代计算机所用的TCP/IP协议需要操作系统支持，不适用于8/16位的微处理

器，目前这些嵌入式系统用得最多的是uip协议[26-29]，它精简全功能TCP/ IP 协议栈中不常用的功能,保留网络通信所必要的协议机制，大大减少了协议代码量，降低了协议对系统资源的要求，uip协议是C语言编写的免费、开源代码, 任何人都可以在网络上下载其源代码并对其进行修改。但在uip协议中程序逻辑不清晰，用户自定义程序和底层程序调用关系不明确，主要协议的处理程序是在一个函数uip_process()中就实现的，该函数代码长达1000多行，且多使用goto跳转语句，阅读困难，用户很难对底层做改进。