目录1网络化控制系统简介 (1)2网络化控制系统中的问题 (2)3网络延时对PID控制系统性能影响的分析 (4)3.1系统描述(System description) (4)3.2 仿真分析(Simulation analysis) (6)4网络延时为不同值的系统分析 (8)4.1网络延时的系统阶跃响应 (8)4.2 的系统的阶跃响应 (9)4.3 时的系统阶跃响应 (9)4.4 系统根轨迹分析 (10)5实际实验(P RACTICAL EXPERIMENT) (12)1网络化控制系统简介网络化控制系统NCS（Networked Control Systems）,又称集成通讯与控制系统ICCS （Integrated Communication and Control System）。

一般认为ICCS是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，是将控制系统的传感器、控制器、执行器等单元通过通讯网络连接起来形成闭环的分布式控制系统。

其涵盖了两方面的内容：系统节点的分布化和控制回路的网络化。

这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护等优点，但由于网络中的信息源很多，信息的传送药分时占用网络通讯资源，而网络的承载能力和通讯带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得数据在传输过程中不可避免地存在时延。

时延由于受到网络所采用的通讯协议、负载状况、网络速率以及数据包大小等情况到影响，呈现出或固定或随机，或有界或无界的特征，从而导致控制系统性能下降甚至不稳定，也给控制系统的分析和设计带来困难。

网络给NCS带来的主要问题包括：时延采样时刻和执行器响应时刻间出现了不可忽略的滞后;在某时间间隔内存在于时间相关的抖动;由于数据包在网络中传输发生丢失或冲突，导致时延增大甚至系统失稳。

NCS的性能不仅依赖于控制策略及控制律器的设计，而且受到网络通讯和网路资源的限制。

信息调度应尽可能避免网络中信息的冲突和拥塞现象的发生，从而大大提高网络化控制系统的服务性能。

网络化控制系统是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。

本书基于现场总线技术及自动化北京市重点实验室的科研成果，系统地介绍了网络化控制系统的组成原理、控制结构、建模方法，网络拥塞闭环控制机理，网络时延闭环控制方法，现场总线控制技术及应用，基于工业以太网的控制系统设计，基于Internet 和Web的网络远程控制系统设计。

网络化控制系统软件开发技术，以及网络化控制技术在工业加热炉、工业锅炉和电厂锅炉湿法烟气脱硫中的应用。

在传统的计算机控制系统中，传感器和执行器都是与计算机实现点对点的连接，传递信号一般采用电压和电流等模拟信号。

在这种结构模式下，控制系统往往布线复杂，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性、抗干扰性、灵活性和扩展性，特别在地域分散的情况下，传统控制系统的高成本、低可靠性等弊端更加突出。

随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了巨大的技术变革，网络化控制系统（NetworkedControlSystem，NCS）应运而生，其主要标志就是在控制系统中引入了计算机网络，从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点专线的铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性。

在控制系统中使用网络并不是一个新的想法，它可以追溯到20世纪70年代末期集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）的诞生。

在DCS出现之前，早期的计算机控制系统是直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC），在这种控制结构中，所有传感器和执行器都与同一台计算机点对点的连接。

由于当时计算机昂贵，系统一般采用集中式的体系结构，整个生产过程和控制策略都由一台计算机完成，即使是计算机一个单一的故障也会使整个系统及其所有回路失效。

伴随着计算机成本的下降和网络技术的发展，（计算机）控制网络被首次引入到了控制系统，导致了DCS的产生。

DCS将控制任务分散到若干小型的计算机控制器（也叫做现场控制站）中，每个控制器采用DDC控制结构处理部分控制回路，而在控制器与控制器、控制器与上位机（操作员站或工程师站）之问建立了计算机控制网络，这种控制结构使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行。

DCS大大提高了控制系统的可靠性，并实现了集中管理和分散控制。

2网络化控制系统中的问题尽管在DCS中已经引入了控制网络，但由于当时传感器和执行器只能发送和接收模拟量信号，所以在传感器与控制器、控制器与执行器之间仍然采用点对点连接的DDC控制结构。

采用模拟量信号进行信息传输，只是在控制器的输入、输出端进行信号的模拟量／数字量（A／D）和数字量／模拟量（D／A）转换。

通讯网络给NCS系统带来的问题为：1）控制时延是某个采样时刻和对应的执行期响应时刻之差。

从控制的角度看，时延将导致向卫滞后，恶化系统性能，从信息调度的角度看，时延将使信息不能准时到达，丢失截止期，甚至带来不可预料的通讯多米诺效应。

2）抖动是在任何特定的时间间隔，与时间相关的、突然的、乱真的变化，可以看成一种突发性的故障;表现为控制周期的抖动，时延抖动，采样抖动;从调度的角度看，抖动表现为输出抖动，队列抖动，截止期抖动等。

3）瞬态误差是控制信号在网络中传输时发生丢失或冲突而产生的，会使数据和通讯时延加剧，时序采样值不能准时到达，产生空采样问题以及样本数据拒绝问题。

NCS的研究涉及控制和通讯网络两个方面，对同一个问题既可以从控制角度来研究，也可以从信息调度角度来研究，或者综合两方面进行研究。

针对时间驱动的NCS，绝大多数的文献对NCS进行分析时，都假定传感器、控制器和执行器的采样速率是一致的，即研究的是单率采样系统下的情形。

然而，对于NCS，由于节点的分散化，单一的采样速率不符合实际情况。

多率采样是符合实际系统真实情形的，Salt等人针对多率采样的控制问题进行了研究，传感器和控制器启动时又很小的时间偏差，新的传感器值到达控制器的概率假定是已知的。

若，则说明是在新的测量数据未知的情况下对控制信号进行计算。

但是对多率采样系统来说，采用时间驱动的采样方式常常会出现很多问题，如过多的冗余信号将使系统的时延、空采样、报文丢失扥变得更加严重，从而导致系统性能恶化。

在NCS中网络传输的信息可以分为两类：实时性信息和非实时性信息。

实时性信息对时间要求非常苛刻，如果在规定时间的上限内信息未能起作用，则该信息将被丢弃，而使用最新的信息。

NCS信息调度策略中主要调度两类数据信息：周期信息和非周期信息。

周期信息是一种实时性信息，也被称为时间出发信息或者同步信息。

非周期信息主要是指节点间的请求服务等信息，其发生时刻是随机的，也被称为事件触发信息、异步信息或者随机性信息。

在NCS中，信息调度发生在应用层，信息调度规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔，以避免网络冲突。

如果网络化控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成，则称传输是可调度的。

网络化控制系统中信息调度的研究可分为调度与控制分开设计和调度和控制协同设计两类。

目前，针对时延和丢包情况下NCS的稳定性研究以及带随机噪声的NCS的最优控制问题的研究较多，而针对带有确定性干扰NCS的最优扰动抑制问题和故障诊断问题则不多见，将最优扰动抑制理论应用于带有时延和丢包的NCS实现系统的最优扰动抑制是研究的一个重要方向。

在用Markov链对NCS建模时，都假定状态及其转移概率是已知的，而实际上还存在Markov链中状态未知的情形。

如何通过HMM（Hidden Markov Model）来辨识Markov 状态数及其转移概率是分析和设计NCS必须面临的问题。

基于HMM的估计理论是处理混杂情况下辨识问题的有力工具，将HMM理论应用于NCS也是研究和设计NCS的重要方向。

NCS信息调度的研究大多限于单控制回路，对共享网络的多个控制回路的优化调度等问题需要进一步的研究。

考虑网络利用率、数据包丢失率、系统稳定性等多重约束，建立NCS多目标优化的数学模型。

进而考虑NCS的实时性要求，研究NCS分级多目标优化问题的求解方法。

3网络延时对PID控制系统性能影响的分析在众多的控制算法中，PID控制是迄今为止最通用的控制方法，PID控制器以其结构简单，对模型误差具有一定的鲁棒性及易于操作等优点，被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中，所以对PID控制算法在网络化控制系统中的应用研究具有重要的意义．对此，国内外已有不少研究，比如黎善斌、王智、孙优贤等为了有效地抑制网络延时对网络控制系统性能的影响，提出了一种鲁棒数字PID控制器设计方法；Almutairi等人I_采用模糊逻辑给出了一种补偿网络延时的智能PI控制器；Tipsuwan、Chow_J 通过大量实验和仿真提出了一种基于最优增益调度的PI控制算法，使得PI控制器在网络控制中获得最佳的控制性能；Pohjo—la_I 在论文中也针对网络的固定延时和随机延时提出了最优调节、Ziegler—Nichols调节等方法来改进网络控制系统中PID控制器的设计，并使用了Mo—CoNet(Monitoring and Controlling Laboratory Processesover Internet)系统做了多个实验；Cao和Zhang_针对随机延时也提出了一种改进型的模糊PID控制器设计．上述方法大都没有对延时给被控对象的影响做出定量分析，被控对象大都是电机系统，本文将分析不同的延时对模拟生产过程参数的水箱液位实验装置PID控制性能的影响，先用True Time给出仿真结果，再用中国科学院自动化研究所开发的NetCon网络控制器进行了实验研究3.1系统描述(System description)3.1.1 系统结构本文要研究的网络化控制系统采用基于Cs—MA／CD协议的以太网Ethemet或Internet 通讯，数据传输速率为10Mbps，整个网络控制系统的基本结构如图3.11所示．网络化控制系统与传统的控制系统最大的区别就是控制器两端的数据都经过网络传输。

首先由传感器对被控对象的当前状态进行周期性采样，将其转换成数字信号后通过网络发送给控制器，控制器通过控制算法计算输出量，通过网络发送给执行器．在这个过程中就可能出现两次数据传送延时，从传感器采样到该数据被控制器处理的这段时间，称为传感器-控制器延时，记为；从控制器输出控制信号至执行器开始执行这段时间，称为控制器-执行器延时，记为．假定网络延时是固定的，用连续时间方法来分析整个网络控制系统，一种典型的网络化控制系统框图如图3.2所示．其中R(s)、U(s)、Y(s)和E(s)= R(s)-Y(s)分别是系统参考输入、控制量、输出量和偏差的拉氏变换．被控对象则表示为，而PID控制器用来表示其中、和分别是比例系数、积分系数和微分系数；和．传感器-控制器延时环节和控制器-执行器延时环节。