浅析网络化控制系统

车传文 车高峰

(1.中国软件与技术服务股份有限公司，北京102200；2.三亚学院理工学院计算机系，海南三亚572022)

1.引言

在传统的控制系统中，各个功能部件都是点对点与计算机连接的，并且传输的数据都是模拟信号。这使得系统布线复杂，维护难，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性、抗干扰性、灵活性以及扩展性。特别是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。随着计算机科学和网络通信技术以及控制理论的发展，控制系统发生了巨大的变化，网络化控制系统应运而生，其主要标志就是在控制系统中引入了通信网络，从而使得众多的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[1，2]。

2.网络化控制系统的发展

最初的计算机控制系统即在20世纪七八十年代占据了主导地位的控制系统是直接数字控制系统。直接数字控制系统特征是计算机直接参与到对象的远程的控制中，传感器的模拟量输出和执行器的数字量输入都是与数字计算机点对点连接。这种集中控制的体系结构，就是全部的控制策略在一台计算机中完成。由于所有的控制功能集中在一台计算机中，当计算机出现局部故障就会使得整个控制系统瘫痪。

随着控制系统规模的扩大和计算机控制技术进一步发展，出现了集散控制系统。它将控制功能分散到几个小型的控制器中，并且每个控制器处理部分控制回路。这样，局部出现故障不至于使得整个控制系统出现瘫痪。在20世纪八九十年代它在中国的工业控制系统中得到了广泛的应用，并占据主导地位。尽管在集散控制系统中引入了控制网络，但由于当时的传感器和执行器只能发送和接收模拟信号，所以在传感器和控制器、控制器和执行器之间仍然采用直接点对点的连接方式，这种控制系统结构仍属于集中控制结构。

随着科学技术发展、被控对象分散化和控制系统复杂化，控制系统中各个功能部件间需要传输的数据越来越多，这种集中控制结构使得控制系统逐渐显现出一定的局限性，主要表现在布线复杂，系统的维护、升级、扩展困难等。此外这种控制系统结构也不适合模块化、分散化、综合诊断、维护快速简易和低成本等一些新的技术要求。

在20世纪80年代兴起的一种先进的工业控制技术，即现场总线控制系统，它是网络化控制系统的初级阶段。现场总线出现以后，网络化、分散化、智能化便成为控制系统发展的一种必然趋势。经过二十多年的发展，虽然取得了一定的成就，并在很多领域都得到了广泛的应用，但是仍然存在一些问题，制约着其应用范围的进一步扩展。首先是现场总线的选择，虽然目前的国际电工委员会(IEC)组织定义了统一的国际总线标准，但是总线的种类仍然有十余种，并且各个厂家自成体系，不能达到完全开放，难以实现互操作和互换。其次，现场总线仍是一种分层的专用网络，管理和控制分离，难以实现整个工厂的综合自动化以及远程的控制[3－7]。

3.网络化控制系统的概念

网络化控制系统的概念简单地说，就是通过通信网络将控制系统中各个功能部件，例如传感器、控制器和执行器连接形成闭环的控制系统。由于通信网络的引入使得网络化控制系统具有自己特征。

(1)系统网络化，这是网络化控制系统最主要特点，正由于通信网络的引入，将原来分散在不同地域的现场设备连接成网络，才打破了自动化系统原有的信息孤岛的僵局，为工业数据的集中和远程传输、为了控制系统与其他信息系统的连接和沟通创造的了条件。

(2)信息数字化，与模拟信息相比，数字信息的抗干扰性强，传输精度高，传输的信息更加丰富。

(3)结构层次化，网络化控制系统的分层结构是引入控制网络后的另一个主要特点。在网络化控制系统中，要完成底层的回路控制和顺序控制，以及完成系统实施监视、参数调试等任务是通过处在不同层次的计算机完成。

(4)控制分散化与集中化相结合，这一特点是结构层次化的延伸。分层结构确定了控制系统的金字塔型的整体框架，并且这种结构完全符合企业生产的要求。在底层控制系统利用现场设备实现了分布式控制，增强了控制系统的可靠性，在高层实现了对底层数据的集中监视、管理，为上层的协调优化、甚至对宏观决策提供必要信息的支持。

(5)设备模块化与智能化，模块化主要体现在工业控制中，各种网络化控制系统的硬件广泛地采用了模块化结构使系统具有良好的灵活性和可扩展性，进而使系统的成本更低、体积更小、可靠性更高。软件的模块化使系统的组态方便、控制灵活、调试效率高、操作简单。智能化主要表现在控制系统中现场设备的智能化和控制算法与优化算法的智能化。一方面，现场设备不仅能够完成传感测量、回路控制等基本功能，还可以进行补偿计算、故障诊断等；另一方面，在高层网络化控制系统提供了强大的计算机硬件平台，为了先进的控制算法的使用提供了条件，一些先进的控制算法软件包已经被开发并广泛使用[8]。

(6)通信协议的渐进标准化，在互联网中，TCP/IP协议已经成为了标准协议，而在网络化控制系统中通信协议标准的统一必将是一个漫长的过程。

4.网络化控制系统的基本问题

(1)共享资源的调度问题，网络化控制系统的调度可以分为基于CPU的资源的控制任务可抢占的实时任务调度和基于共享传输介质的数据传输不可抢占的网络调度两类。它们的共同点是在于均受到共享资源的限制，主要区别在于是否具有抢占性。实时任务调度主要考虑在多个控制任务共享同一CPU的情况下，如何设置处理器执行各个控制任务的先后次序，以最大限度满足控制系统的实时性。各个控制任务不同的优先级设置策略将会影响到其占用的处理器资源所处的地位。网络调度涉及到网络层的报文调度和应用层上的控制任务的调度。网络调度主要考虑多个控制回路在共享的通信网络的情况下，如何决定数据包的传输以满足控制系统的实时性要求。

(2)时延，主要包括网络诱导时延和计算时延，其中网络诱导时延影响系统最大也是研究热点，它的产生主要是因为通信网络介入到控制系统中，它能够降低系统的性能甚至会引起系统的不稳定。在网络化控制系统的可能存在多种不同性质的时延，属于哪一种主要由网络的协议、带宽，以及现场设备性能等来决定。网络诱导时延的存在使控制系统的分析变得非常复杂，虽然实验系统的分析和建模是近年来取得很大进展，但是由于时延的不确定性，使得现有的方法一般不能直接应用。

(3)数据包传输问题，主要涉及到单包和多包传输。单包传输是指网络化控制中的传感器、控制器的一个待发数据被捆在一个数据包中一起发送，而多包传输是指网络化控制系统中的传感器、控制器的一个待发数据被分成多个数据包进行传输。数据包的时序错乱，在网络化环境下，被传输的数据流经过众多计算机和通信设备往往路径不唯一，这必然会导致数据包的时序错乱。时序错乱使得原来的有一定的先后次序的数据包，在从源节点出发到目的节点时候，其到达的时序与原来的的时序不同。时序错乱必然导致该到达的数据包不能按时到达，使得控制系统不能及时应用信息，难以实现实时性。数据包丢失，在网络化控制系统中，由于不可避免存在网络阻塞和连接中断，这又必然导致数据包的丢失。虽然大多数网络都具有重传机制，但是它们也只能在一个有限时间内传输，当超过这个时间后，数据就会丢失。传统的点对点结构的控制系统基本上都是同步和定时系统，它可以对系统中参数或者未建模动态具有较强的鲁棒性，但是可能完全不能容忍数据网络的结构和参数的改变[8]。

(4)功能部件的驱动方式，网络化控制系统中的功能部件有两种驱动方式：时钟驱动和事件驱动。时钟驱动是指网络中节点在一个确定的时间到达时可以动作，事件驱动是指网络中节点在一个特殊事件发生时开始动作。传感器一般采用时钟驱动，而控制器和执行器既可以采用时钟驱动，也可以采用事件驱动。一般情况下，控制器和执行器采用事件驱动优于时钟驱动，因为这样能够及时利用信息，减少了时延。但是当进行多包传输或产生时序错乱时，事件驱动机制将变得很复杂，在设计上存在很大困难。

5.网络化控制系统研究内容

对网络化控制系统的研究包括三个方面：对网络的控制、通过网络的控制和着眼于网络化控制系统总体性能指标的综合控制[9，10]。

(1)对网络的控制，这方面研究主要是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的解决方案，以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。它的评价指标包括网络吞吐量、运输率、误码率、时延可预测性和任务的可调度性。

(2)通过网络控制，指的是在现有的网络条件下，设计相适应的控制器，保证网络化控制系统良好的控制性能和稳定性。它可以通过建立网络化控制系统的数学模型用控制理论的方法进行研究。它的评价指标包括稳定性、快速性、准确性、超调和振荡等。

(3)综合控制，就是考虑在提高网络性能和控制性能的基础上，优化整个控制系统的性能。一个合理的通信协议可以确保网络服务质量；同时，只有充分考虑了控制系统网络化的特点的控制算法或控制器的设计方案，才能够保证控制系统的整体性能。

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[2]Walsh G C，Ye H，Bushnell L G.Stability analysis of networked control systems[A].In：Proeeeding of the American Control Conferenee[C]，San Diego，California，1999：2876-2880.

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