【正文】 ............................................. 40 FuzzyPID 控制系統(tǒng)設(shè)計仿真 .......................................................... 42 小結(jié) ....................................................................................................... 44 第六章 總結(jié)與展望 ....................................................................................... 45 總結(jié) ....................................................................................................... 45 研究展望 ................................................................................................ 45 參考文獻 ......................................................................................................... 46 致 謝 ......................................................................................................... 49 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況 ................................................. 50 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第一章 緒 論 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的 發(fā)展與基本概念 隨著控制、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場， 因此 迫切要求工業(yè)自動化水平也 提高到了一個嶄新的高度。 從歷史上看，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的通訊方式是點 對 點的，包括早期的 DCS，目前這種方式已經(jīng)越來 越不能適應(yīng)某些新 的需求，比如模塊化、集散分布、綜合診斷、快捷方便的維護及低成本化等。從整體上看，計算機控制系統(tǒng)己呈現(xiàn)出向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、節(jié)點智能化、分布化的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)，順應(yīng)了這一趨勢，是完全網(wǎng)絡(luò)化、分布化的控制系統(tǒng)。 計算機 控制 系統(tǒng)的發(fā)展 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展至今先后主要經(jīng)歷了以下幾個階段：傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（ DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ FCS）、以及基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)的廣泛研究。 傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)一般采用一個中央控制單元（ CPU）完成控制計算、信息 處理等所有工作，控制器和對象之間的連接采用的是點對點的連接方式，其 典型結(jié)構(gòu)如圖 11。 計 算 機傳 感 器 1 傳 感 器 N 執(zhí) 行 器 1 執(zhí) 行 器 N被 控 對 象?????? 圖 11 集中式控制系統(tǒng)示意圖 隨著現(xiàn)場采集信息量的增加，集中式控制對中央控制單元的硬件性能要求越來越高，軟件編程也越來越復(fù)雜。因此，產(chǎn)生了集散式控制系統(tǒng)（ Distributed Control System， DCS） 來代替集中式控制系統(tǒng)，如圖 12 所示。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 監(jiān) 控計 算 機 計 算 機傳 感 器 1 傳 感 器 N 執(zhí) 行 器 N執(zhí) 行 器 1被 控 對 象??? 圖 12 DCS 示意圖 DCS，又稱分布 或分散控制系統(tǒng)，它以微處理機為核心，實現(xiàn)地理上和功能上的控制，同時通過高速數(shù)據(jù)通道把各個分散點的信息集中起來，進行集中的監(jiān)視和操作，并實現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化。 DCS 的設(shè)計原則是分散控制，集中操作，分級管理，分而自治和綜合協(xié)調(diào)。 對各個現(xiàn)場設(shè)備的任務(wù)由現(xiàn)場級的控制單元（ PLC，單片機等）完成，總體的控制任務(wù)和操作監(jiān)視等其他任務(wù)由中央控制單元完成，從而實現(xiàn)了控制功能和管理信息的分離。 雖然提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性， 但集散控制系統(tǒng)和 集中式控制系統(tǒng)都有一些共同的缺點，就是隨著現(xiàn)場設(shè)備的增加，系統(tǒng) 復(fù)雜，成本大大提高，以及 系統(tǒng)的抗干擾性、靈活性不夠、擴展不方便等 [1]。為了從根本 上解決這些問題，新型的分布式控制系統(tǒng) —— 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) （ Fieldbus Control Systems， FCS） 應(yīng)運而生，如圖 13 所示。 計 算 機 計 算 機傳 感 器 1 執(zhí) 行 器 1 傳 感 器 N 執(zhí) 行 器 N被 控 對 象??? 圖 13 FCS 示意圖 目前 現(xiàn)場總線 的主要種類有： 基金會現(xiàn)場總線 FF； ProfiBus； WorldFIP；ControlNet/DeviveNet； CAN。 與傳統(tǒng)的 DCS 相比， FCS 具有如下一些技術(shù)特點 [2]： （ 1） FCS 是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)： 把通信 線路一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場中的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)了華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 全數(shù)字化傳輸，極大地提高了信號轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，有效地避免了模擬信號在傳輸過程中存在的信號衰減、精度下降和信號干擾等問題。 （ 2） FCS 能進行現(xiàn)場設(shè)備互連：傳感器、變送器、執(zhí)行器的等設(shè)備在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中已成為由微處理機為控制核心的智能設(shè)備，可以通過一對雙絞線、同軸電纜、光纖、或電源線互連，具有較強的抗干擾能力。 （ 3） FCS 具有良好的互操作性：實現(xiàn)“即插即用”，并且用戶可以對不同品牌的 現(xiàn)場設(shè)備進行統(tǒng) 一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。 （ 4） FCS 具有分散的功能塊，便于用戶組態(tài)：將功能塊分散到多臺現(xiàn)場儀表中并進行統(tǒng)一組態(tài)，有助于用戶根據(jù)需要靈活的選用各功能塊，構(gòu)成需要的控制回路，實現(xiàn)徹底的分散控制。 （ 5） FCS 具有開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以與同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)又可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，既可以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)又可以與企業(yè)外部的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 （ 6） FCS 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性強。 由上可見，控制系統(tǒng)隨著計算 機的應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備的智能化、數(shù)字化發(fā)展，也在不斷的提高自身 對現(xiàn)場的適應(yīng)力和可靠性， 使得控 制系統(tǒng)更加 網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的描述 隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，越來越多的控制系統(tǒng)采用分布式控制的方式。分布式控制的形式多種多樣，很多復(fù)雜的控制系統(tǒng)例如制造業(yè)設(shè)備、運輸工具、機器人等采用串行通訊網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控計算機、控制器、現(xiàn)場傳感器及執(zhí)行器間信息和控制信號的交換通道，這種通過串行通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)閉環(huán)控制回路的控制系統(tǒng)被稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) (Networked Control Systems， NCS)，有的文獻用綜合通訊和控制系統(tǒng) (Integrated Communication and ControlSystems， ICCS)或者基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng) (Networkbased Control Systems)來稱呼具有這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng) [3]。 “ Network Control Systems”最早于 1998 年出現(xiàn)在馬里蘭大學(xué) 的論著中，但未給出明確的定義。只是用圖示說明了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，指出在該系統(tǒng)中控制器與傳感器通過串行通信形成閉環(huán)。而 同濟 大學(xué)的于之訓(xùn)等用了“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) ”； 重慶大學(xué)的張結(jié)斌等用了“分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”這樣的術(shù)語。 清華大學(xué)的顧洪軍給出了明確 的定義 [4]：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（ NCS， Network Control Systems），又稱網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。是指在各區(qū)域內(nèi)一些現(xiàn)場檢測、控制及操作設(shè)備和通信線路的集合 ，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使該區(qū)域內(nèi)不同地點的設(shè)備和用戶實現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作。其本質(zhì)是信息（參考輸入、對象輸出和控制輸入等）在控制系統(tǒng)各部件間（傳感器、控制器和執(zhí)華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 行器等）通過網(wǎng)絡(luò)進行交換。 NCS 典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 14 所示。 控 制 器控 制 器傳 感 器 執(zhí) 行 器 傳 感 器 執(zhí) 行 器被 控 對 象 被 控 對 象 其 他 過 程通 信 網(wǎng) 絡(luò)? 圖 14 NCS 示意 圖 NCS 中的網(wǎng)絡(luò)是一個廣義的范疇，包含了 FCS、工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、甚至 Inter，這也是與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的。視其回路中所嵌入的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可以將其分為廣義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和狹義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。一般認為通過 FCS 和工業(yè)以太網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是狹義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，而由通過計算機網(wǎng)絡(luò)比如計算機廣域網(wǎng)、 Inter 等網(wǎng)絡(luò)組成的控制系統(tǒng)則被視為廣義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 本文主要針對狹義的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行研究和分析 。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 時延 研究 現(xiàn)狀 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于一般的計算機通信網(wǎng)絡(luò)，它傳遞信息 是以引起物質(zhì)或能量的運動為最終目的，分析的對象不再是孤立的控制過程，而是整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、調(diào)度管理和魯棒性問題等。其通信網(wǎng)絡(luò)特別強調(diào)實時性、可靠性、穩(wěn)定性[5]。 實時性向來是控制系統(tǒng)面臨的重要問題，由于連接到通訊介質(zhì)上的每個設(shè)備都是一個信息源，而通訊介質(zhì)是分時復(fù)用的，待發(fā)送信息只有等到網(wǎng)絡(luò)空閑時才能被發(fā)送出去，這就不可避免地導(dǎo)致了傳輸延遲的發(fā)生。而閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的，相應(yīng)地就把延遲環(huán)節(jié)引入到這些系統(tǒng)。不但會降低系統(tǒng)的控制性能，而且還是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的一個潛在因素 [6]。 因此，在研究 NCS存在的許多新問題時，如：網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的時延、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、數(shù)據(jù)包的多包傳輸及丟失等，主要還是集中在對NCS 的時延補償這個熱點問題上。 NCS 的數(shù)學(xué)模型的建立 目前， NCS的建模是 NCS分析、仿真和設(shè)計的基礎(chǔ)，因此 NCS的建模問題在 NCS的研究中具有重要意義．雖然 NCS的概念早已被提出并取得了一系列成果，但其建模問題依然沒有很好地解決。以下為幾種有條件的模型建立 ： 針對 NCS的建模問題， Halevi和 Ray考慮了傳感器 控制器和控制器 執(zhí)行器單時延的情況，而且在傳感器和控制器的采樣時刻之間只有一個時間差 。他們用增廣狀華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 態(tài)把過去的延遲信號也包括進來，導(dǎo)出一個閉環(huán)模型 [7][8]。 Lian FengLi推導(dǎo)出一個離散的多輸入多輸出 NCS模型，在該模型中，有分布式通信延遲。此外，為了得到傳感器和控制器之間真實的時間延遲，還表征了分布式傳感器的異步采樣機制。但是，在該模型中，所有的延遲都是定界在一個采樣周期之內(nèi)的，而且并沒有考慮數(shù)據(jù)丟失的情況 [9]。 朱其新、胡壽松在考慮系統(tǒng)噪聲、控制器的動態(tài)特性及輸出反饋的情況下建立了多包傳輸、單保傳輸有數(shù)據(jù)包丟失、多包傳輸有數(shù)據(jù)包丟失時 NCS的離散隨機模型的統(tǒng)一建模方法 [10]。 樊衛(wèi)華等討論了同時存在傳輸延時和數(shù)據(jù)包丟失的 NCS建模問題，并借助 ADS的一些結(jié)論，討論了 NCS的穩(wěn)定性，給出具有典型雙線形矩陣不等式的結(jié)論，但是他們既沒有考慮控制器 執(zhí)行器之間的延遲，也沒有考慮不同的節(jié)點的分布式異步多時延情況 [11]。 以往的建模方法都有一個共同的局限性，即基本上都針對網(wǎng)絡(luò)時延不超過一個采樣周期的情況來研究的。近年來人們開始逐步涉及時延大于一個采樣周期時 NCS的建模并取得一定的成果。從目前研究情況看，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模逐漸從單變量到多變量，從確定性到不確定性發(fā)展，但是這只是一個開端 。 NCS 控制器設(shè)計方法 現(xiàn)階段根據(jù)以上不同的模型，分析和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制器逐漸由單變量到多變量、由確定到隨機、由經(jīng)典控制理論到智能控制理論和高級控制算法發(fā)展。目前所采用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法主要有：確定性控制設(shè)計方法、隨機控制設(shè)計方法、智能控制方法、魯棒控制設(shè)計方法。 應(yīng)用確定性設(shè)計方法應(yīng)首先將隨機時變延遲通過在控制器和執(zhí)行器之間設(shè)置緩沖區(qū)轉(zhuǎn)化為固定延遲，然后針對轉(zhuǎn)化后的固定延遲設(shè)計控制器。 Rogelio針對模型 (時間驅(qū)動 )提出了基于觀測器的分布延遲補償 器 [12]。在該補償器算法中，首先在控制器和執(zhí)行器接收端設(shè)置接收緩沖區(qū)，將時變的傳輸延遲轉(zhuǎn)化為固定的傳輸延遲。其優(yōu)點是可用已有的確定性系統(tǒng)設(shè)計和分析方法對閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行設(shè)計和分析，不受延遲特性變化的影響；其缺點是將所有延遲都轉(zhuǎn)化為最大延遲，人為地將傳輸延遲擴大化，因此降低了系統(tǒng)應(yīng)有的控制性能。對于具有隨機傳輸延遲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，若按最大傳輸延遲來設(shè)計控制器，則所得閉環(huán)控制系統(tǒng)不一定穩(wěn)定。 熊遠生，俞立，徐建明將時間延遲的不確定性通過引入一個信息接收緩沖區(qū)來實現(xiàn)時間延遲的確定化的基礎(chǔ)上，將滑模變結(jié)構(gòu)控制 和預(yù)估控制的方法引入控制器的設(shè)計中，得出的結(jié)果的時間延遲可以大于一個采樣周期 [13][14]。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 應(yīng)用隨機控制的方法關(guān)鍵在于對網(wǎng)絡(luò)延時的合理建模和估計，可假設(shè)時延符合某種統(tǒng)計規(guī)律并且是相互獨立的，從概率分布的角度將網(wǎng)絡(luò)延時作為系統(tǒng)中的隨機變量或隨機過程，設(shè)計隨機最優(yōu)控制律。 R