1、自動化專業英語教程自動化專業英語教程教學課件July 28, 2007 P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題1.課文內容簡介：主要介紹網絡控制技術中網絡控制系統 的定義、優點、網絡控制帶來的特殊問題網絡延時、通過 通訊協議的特殊設計來解決網絡延時的方法和單數據包與多 重數據包傳輸、丟失網絡數據包等問題。2.溫習有關網絡控制技術與設計方法方面的內容。3.生詞與短語agility n

2、. 靈活，便捷jitter n. 抖（顫）動，顛簸destabilize v. 使打破平衡，使不穩定medium access control (MAC) 媒質訪問控制CSMA/BA 載波偵聽多路訪問/位仲裁CSMA/CD 載波偵聽多路訪問/沖突檢測ochronous n. 同步的，等時的 P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題4. 難句翻譯1 Ethernet employs a CSMA with collision detect

3、ion (CSMA/CD) protocol. When there is a collision, all of the affected nodes will back off, wait a random time (usually decided by the binary exponential backoff algorithm), and retransmit, as shown in Case 3 of Fig.5-1A-2. 以太網采用CSMA/CD協議，當產生沖突時，所有沖突節點都將避讓等待一段時間（所等待的時長是由二進制指數避讓算法決定的），然后重新發送，如圖5-2A-2

4、中所示的第三種情況。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 5. 參考譯文 A 網絡控制系統中的基本網絡控制系統中的基本問題問題 控制回路通過實時網絡閉合的反饋控制系統叫作網絡控制系統。網絡控制系統定義的特點是信息（參考輸入、系統輸出、控制輸入等）是使用網絡在控制系統組件（傳感器、控制器、執行器等等）中進行交換。圖5-2A-1給出了網絡控制系統的典型結構和信息流。網絡控制系統的主要優點是減少系統接線，易于系統診斷和維護，并增加系統敏捷

5、性。Physical plantActuator 1Sensor nSensor 1Actuator mControllerOther Processes 圖 5-2A-1 典型網絡控制系統配置和信息流P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 在反饋回路中加入通訊網絡使網絡控制系統的分析和設計變得復雜。傳統控制理論有許多理想的假設，比如同步控制、無信號檢測延遲、無激勵延遲等， 在將它用于網絡控制系統之前必須對其進行重新評估。特別要討論下

6、面幾個問題。 第一個問題是網絡產生的延遲（傳感器到控制器延遲和控制器到傳感器延遲），當連接到公共介質上的裝置交換數據時，這種延遲發生。這種延遲，或恒定（令人擔憂）或不定，會降低設計時沒考慮這種延遲的控制系統的性能指標，甚至使系統不穩定。其次，網絡可被看成由不可靠傳輸通道組成的一張網。一些數據包不僅有傳輸延遲，甚至會在傳輸過程中丟失。因此，必須考慮丟失的信息量對網絡控制系統性能指標的影響程度。另一個問題是由于網絡帶寬和信息容量的限制，系統輸出可采用多個網絡數據包（所謂多重數據包傳輸）。由于網絡平臺對網絡上其它節點的仲裁，可能性是全部/部分/沒有信息包在控制運算時間內到達。 P5U2A Funda

7、mental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 分布式控制可追溯到20世紀70年代初期，當時誕生了霍尼韋爾分布式控制系統（DCS ）。分布式控制系統中的控制模塊被松散地連接到一起，因為大部分實時控制任務（信號檢測、計算、激勵）在單獨的模塊中執行。僅僅開/關信號、監控信息、報警信息等通過串行網絡進行傳輸。今天，借助于特定用途集成電路芯片設計和硅材料的大幅降價，傳感器和執行機構都可安裝網絡接口，因此成為實時控制網絡的獨立節點。因此，在網絡控制系統中，實時檢測和控制數據

8、通過網絡進行傳輸，網絡節點需要密切協作以完成控制任務。 現用于網絡控制系統的候選網絡有DeviceNet 、Ethernet 和FireWire 等有限幾個網絡。每個網絡有自己為特定應用場合而設計的通訊協議。此外，網絡控制系統的特性主要取決于網絡本身的性能參數，這些參數包括傳輸速率，介質訪問協議，數據包長度等。 P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 主要有兩種方法來解決網絡控制系統設計中碰到的這些問題。一種方法是在設計控制系統時不考

9、慮數據包延遲和丟失的問題，而是設計一個使這些事件發生的可能性最小化的通訊協議。例如，當網絡交通超過網絡管理的極限時，已提出各種堵塞控制和避路算法以獲得更好的性能。另一種方法是將網絡協議和交通作為已知條件，設計詳細考慮上述問題的控制策略。為了管理延遲，可以形成基于延遲微分方程研究的控制策略。這里我們討論針對網絡導致的延遲和數據包丟失的分析和設計策略。 現在，我們將分析網絡控制系統中的一些基本問題，包括網絡導致的延遲，系統輸入和輸出的單個數據包或多重數據包，網絡數據包的丟失。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元

10、課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 Case 1: No collision occursNode iNode j khNET, one with higher Ethernet, both back off and (k+1)hkhCase 2: When a collison occurs on Devicepriority transmits Case 3: When a collison occurs on transmit again 圖 5-2A-2 隨機存取網絡上兩個節點的時序圖P5U2A Fundamental Issues in Ne

11、tworked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 網絡導致的延遲網絡導致的延遲 在網絡控制系統中當傳感器、執行器和控制器通過網絡交換數據時會發生網絡導致的延遲。這種延遲會降低在設計時沒有考慮這個問題的控制系統的性能降低，甚至會使系統不穩定。 Signal sent Waiting for token or time slot Node ikhSignal ready (k+1)h(k+2)h圖 5-2A-3 按時序訪問網絡中任一節點的時序圖P5U2A Fundamental Issues in Netw

12、orked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 取決于控制網絡介質訪問控制協議， 網絡導致的延遲可以是常數，時變。甚至隨機的。介質訪問控制協議通常分為兩種：隨機訪問和按時序訪問。載波偵聽多路訪問在隨機訪問網絡中用的最多，而令牌和分時多路訪問通常在按時序訪問網絡中。 使用載波偵聽多路訪問協議的控制網絡包括DeviceNet 和Ethernet 。圖5-2A-2給出了這種網絡各種可能出現的情況。圖形描述了連續傳遞信息（具有固定時間順序）的兩個節點。在載波偵聽多路訪問網絡上的節點在每次傳遞信息前監視網絡情況。當

13、網絡時空閑的，它馬上開始傳遞信息，如圖5-2A-2中的情況1所示。否則節點在網絡空閑前一直等待。當兩個以上節點要同時傳遞信息時，會發生網絡沖突。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 解決沖突的方法依賴于網絡協議。DeviceNet 是一種控制器局域網，它使用帶有位智能仲裁的載波偵聽多路訪問協議。由于控制器局域網的信息是劃分優先次序的，當傳遞沖突發生時，具有最高優先級別的信息繼續傳遞，而優先級別較低的信息的傳遞被中斷，當網絡空閑時再傳

14、遞，如圖5-2A-2中的情況2所示。使用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議。以太網采用CSMA/CD協議，當產生沖突時，所有沖突節點都將避讓等待一段時間（所等待的時長是由二進制指數避讓算法決定的），然后重新發送，如圖5-2A-2中所示的第三種情況。這些類型網絡上的數據包收到隨機延時的影響，在最壞情況下數據包的傳遞時間是無法限定在某一時間范圍內，因此，CSMA 網絡通常是一種不確定性網絡。但是，如果網絡信息被劃分優先次序，最高優先級別的信息有更好的機會及時傳遞信息。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五

15、部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 令牌傳遞協議出現在令牌總線（IEEE 標準802.4）、令牌環（IEEE 標準802.5）和光纖分布式數據接口MAC 結構中，時分多址協議用于FireWire 網絡。這類網絡的時序圖如圖5-2A-3所示。這些協議通過讓網絡的每一個節點按照預先確定好的時間表傳遞信息從而消除了對共享網絡介質的爭奪。在令牌總線中，令牌是繞著邏輯環傳遞，但是在令牌環中，令牌實際上繞著物理環傳遞。在時序網絡中，可以安排信息的周期性傳遞。例如，FireWire 網絡有一個可分成小時間空檔的傳遞周期，在傳遞周期中保證每一個同步傳遞有一個時間空檔進行傳遞。

16、在時序網絡中當等待令牌或時間空檔時產生延時。當周期性地傳遞數據包時，等待令牌或時間空檔的時間都是有限的。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 單數據包與多重數據包傳輸單數據包與多重數據包傳輸 單數據包傳輸指的是傳感器或執行器數據被集中在一個網絡數據包中同時傳輸，而多重數據包傳輸中傳感器或執行器數據由互相獨立的多個數據包傳輸，這些數據包不可能同時到達控制器和系統。多重數據包傳輸的一個原因是由于數據包容量限制，分組交換網絡在一個數據包中

17、只能攜帶有限的信息。因此，大量數據必須分成多個數據包再進行傳遞。另一個原因是網絡控制系統中的傳感器和執行器分布在巨大的物理空間內，不可能將數據放在一個網絡數據包內。傳統采樣系統認為系統輸出和控制輸入是同時傳遞的，但對帶有多重數據包傳輸的網絡控制系統而言是不可能的。由于網絡訪問延時，控制器不可能在作控制運算的時間內收到所有更新的系統輸出數據。不同的網絡適合不同類型的數據傳輸。P5U2A Fundamental Issues in Networked Control Systems 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文A 網絡控制系統中的基本問題網絡控制系統中的基本問題 以太網，最初是為傳遞數

18、據文件而設計的，最多一個數據包可容納 1,500個字節。因此，將傳感器數據集中在一個數據包內進行傳輸對這種網絡來說是更高效的。與以太網不同，以小容量控制數據頻繁傳輸為特點的DeviceNet每個數據包最大容量為8個字節，因此傳感器數據經常被裝在DeviceNet上的不同數據包中。 丟失網絡數據包丟失網絡數據包 當出現節點失敗或信息沖突時，網絡控制系統偶爾會丟失網絡數據包。雖然大部分網絡協議都有重新傳遞機制，這些機制僅在有限的時間內有效。這段時間一過，數據包丟失。而且，對諸如傳感器測量值、運算后的控制信號這些實時反饋控制數據而言，放棄那些舊的、未被傳遞的信息，傳遞新獲得的數據包（如果可能）是更有

19、益的。用這樣的方法，控制器總是得到用于控制計算的最新數據。通常反饋控制系統能容忍丟失一些數據，但確定僅以某一速率傳遞數據包時系統的穩定性和數據包傳遞速率的下限是非常有意義的。 P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性 B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性1.課文內容簡介：主要介紹網絡控制技術中的帶網絡延時的網絡控制系統的建模、小于一個采樣周期的延時、長時間延時、積分器和一般標量系統的穩定區域分析

20、等問題。2.溫習離散控制系統關于采樣周期、穩定性分析方面的內容。3. 生詞與短語 clock-driven adj. 時鐘驅動的 event-driven adj. 事件驅動的 lumped adj. 集總的 piecewise continuous 分段連續 infeasible adj. 不可行的P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性4. 難句翻譯1 we can use the stability triangle t

21、o explicitly calculate the relation between and . 我們可以采用穩定三角形精確地計算出 和 之間的關系。2 It may be analytically infeasible to derive the exact stability region for general systems; however, stability regions for such systems can still be determined by simulation. 對于一般的系統不太可能推導出精確的穩定區域，然而卻可以通過仿真的方法來確定。P5U2B Sta

22、bility of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性5. 參考譯文 B B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性 帶網絡延時的網絡控制系統的建模帶網絡延時的網絡控制系統的建模 考慮網絡延時的網絡控制系統的模型如圖5-2B-1所示。C Co on nt ti in nu uo ou us st ti im me e p pl la an nt tZOHactuatorhDiscrete timecontrollerS Se en

23、ns so or rControlnetworkControlnetworkContinuous signalDigital signalscca圖 5-2B-1 帶網絡延時的網絡控制系統模型模型由連續系統 P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性( )( )( )x tAx tBu t)()(tCxty和離散控制器()(),0,1,2,u khKx khk 組成。這些公式中， ,nmpxR uRyR 并且具有兼容的維數。 有

24、兩種網絡延時：傳感器到控制器延時 和控制器到執行器延時 。不失問題的一般性可將控制器的各種運算延時歸納為 或 。對固定控制律（時不變控制器）而言，傳感器到控制器延時和控制器到執行器延時可集中看 作 以便于分析。sccasccasccaP5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性 我們討論具有如下配置的系統：a)時鐘驅動的傳感器，它周期性地在采樣時刻對系統輸出采樣；b)事件驅動的控制器，它由外部中斷機制完成控制并且傳感器數據一到即開

25、始控制信號運算；c)事件驅動的執行器，它指的是一旦獲得數據，系統輸入即發生改變。 （采樣周期）時系統信號的時序如圖5-2B-2所示。khP la n tC o n tro lle rA c tu a to rs ckc akk h(1)kh(2 )kh(2 )kh(1)kh(1)kh(2 )khk()()x k ho r yk hk hk h圖 5-2B-2 網絡延時圖解P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性 小于一個采樣周

26、期的延時小于一個采樣周期的延時 首先考慮每一次采樣延時時間 小于采樣周期 的情況。這種情況意味著用得最多的兩個控制信號 和 需要在采樣周期內使用。系統方程可以寫作 1( )( )( ),(1),( )( ),()(),0,1,2,kkkkx tAx tBu ttkhkhy tCx tu tKx ttkhk 公式中 是分段連續的且僅在 時刻數值發生改變。以周期對系統采樣我們得到0k1kx(k1)h)x(kh) ()u(kh) ()u(k1)h)y(kh)Cx(kh)kh()u tkkh(1) )u kh()u khP5U2B Stability of NCSs with Network indu

27、ced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性公式中 010e,()ed ,()edkkhhAhAsAskkhB sB s 定義 TTT()(),(1) )khxkh ukhz z作為增廣狀態矢量，增廣閉環系統為 (1) )( ) ()khkkhz zz z 公式中 011()()( ).0kkKkK 如果延時是常數，即 k0,1,2,k 系統仍是時不變的，這就簡化了系統分析。因此我們能想象靜態時序安排網絡協議，諸如令牌環或令牌總線，它能提供恒定的延時。即使在這種簡化的系統分析中，下一個問題是，“系統能承受多大的

28、延時？” P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性 另一個問題是如果傳感器發出的信息與時間有關則傳感器到控制器的延時可以由預估器補償。傳統的一步預測估計能補償小于一個采樣周期的延時，因為的估計僅取決于的值。我們將在關于網絡延時補償的章節里再討論這個問題。 長時間延時長時間延時 當延時時間大于一個采樣周期時（即， ），系統在一個采樣周期內可能接受零個、一個、大于一個（直到 ）控制信號。在對任意k值滿足 的特殊情況，當 時，每一個

29、采樣周期可收到一個控制信號。在這種情況中，通過分析可得10()()0000( )000kkIkK 0,1klh ll(1)klhlhklP5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性公式中 (1)kklh 并且增廣狀態矢量為 TTTT()(),(1) ),(1) )khxkh ukhukhz z 對更一般的情況而言，必須完成枯燥、單調的理論推 導，甚至矩陣的結構都是時變的，因為它取決于 所接受 控制信號的時間序列。 從傳統觀念上說，

30、快速采樣速率對采樣系統是理想的以便于離散控制設計和性能指標與連續系統近似。但在網絡控制系統中，快速采樣速率會增加網絡負載，反過來網絡負載加大會導致信號更長時間的延時。因此在網絡控制系統設計中找到既能承受網絡延時又能取得預期系統性能指標的采樣速率是非常重要的。 繪制網絡控制系統關于關于采樣速率h、網絡延時的穩定區域有助于了解這兩個參數之間的關系。注意我們在這兒考慮的是常數延時，這點可通過采用合適的網絡協議來實現。P5U2B Stability of NCSs with Network induced Delay 第五部分第二單元課文第五部分第二單元課文B 帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性帶網絡延時的網絡控制系統的穩定性 積分器情況積分器情況 對簡單的標量系統和之間的關系可用解析方法推導。例1：討論積分器( )(